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熔鹽槽式光熱電站的特點和優勢詳解

發布日期:2016-07-29 作者: 點擊:

  近日,德國光熱發電工程咨詢公司CCO Services應本網之邀,撰寫了一篇題為《熔鹽槽式光熱電站的特點和優勢》的文章,將熔鹽槽式光熱發電技術與傳統的以導熱油為傳熱工質的槽式光熱發電技術進行了詳細比較。文章指出,熔鹽槽式光熱發電技術將大大提升光熱發電效率,降低光熱發電的度電成本。



以下為文章的中譯版(摘選):

 

  當前,槽式光熱發電技術的發展過程中缺少創新,當下已投運的大部分商業化槽式光熱電站所采用的技術都是十年前的。

 

  以前,槽式光熱發電技術的創新點主要集中在槽式集熱器的結構上。20世紀80年代初,第一個商業化槽式光熱電站在美國加利福尼亞光資源條件極好的Harper湖和Kramer的交界處建成。該項目所采用的LS 1集熱器基礎模塊的長度只有50米左右,開口寬度小于5米。同時,更大開口的集熱器和更精準的光學追蹤系統逐漸被研發出來,進一步減少了系統所需要的驅動裝置數量,同時使系統所需要的地基設施更少,管道更少,導熱流體用量也相應減少,此外還降低了能源消耗率。目前,在這方面最具創新性的設計是Ultimate Trough槽式集熱器,其優化后的開口寬度超過7.5米,長度大約為250米。

 

  而在槽式光熱電站的其他環節,我們不得不說在過去10年里沒有發生哪些重大創新。另一方面,能源行業普遍抱怨光熱發電不能滿足人們對其發電成本降低的預期,尤其是跟風電和光伏發電相比仍有一定差距。

 

  因此,光熱發電未來的發展目標很明確:CSP技術必須要更加高效,其相關組件應該成為大眾化的產品,而不是必須采用量身定制的帶有壟斷特征的解決方案。

 

  那么如何才能提高CSP系統的效率?如何才能使CSP系統的關鍵組件實現大規模批量化生產呢?

 

  我們認為,后者只能通過為制造商提供足夠市場容量的商業化行為來解決問題。比如中國乐城娱乐官方网站最近宣布,到2020年中國將完成規模為10GW的光熱電站裝機,這就可以為產業鏈各相關方提供充足的市場。許多制造商都有望借此機會,通過實現批量化生產來降低成本。

 

  槽式光熱電站的效率提升意味著:用較少的資源、設備和相關設施可以生產更多的電力。考慮到光熱電站的發電原理,我們必須關注技術原理類似的發電過程:在化石燃料發電站,提高蒸汽溫度可以有效提高發電效率。同樣,為了提高槽式光熱電站的效率,我們必須提高系統所有工作流體的運行溫度。

 

  因為有機導熱油的化學穩定性有限,我們需要找到運行溫度可以高于400℃的替代工質。水可以滿足溫度條件,但是水工質的缺陷就是其較低的沸點和較高的系統壓力。另外,以蒸汽為基礎的能源存儲系統離商業化應用還為時尚早。

 

  目前,能達到高溫且最有前景的解決方案就是使用熔鹽,不僅用作儲熱工質,也是主要的導熱流體。從積極的角度來看,導熱工質的受熱膨脹問題和系統清潔將不再是問題,同時電站的環境友好性將大大加強。

 

  另外,較高的運行溫度,以及相對更大的換熱溫度區間可以大大減少傳熱工質的使用量,系統使用的熔鹽總量會非常小。以儲熱罐為例,如果儲存相同的熱量,使用熔鹽的儲罐體積比使用導熱油的儲罐體積可以減少65%以上。使用導熱油的槽式光熱電站設計限制了可以吸收光資源的最高水平。換句話說,從光資源角度來講光場可以按900或者1000W每平米的輻照來設計,但因為介質問題只能設計為700或者800W每平米。這樣做主要是出于經濟方面的考慮,因為要吸收更多太陽能,必須增大導熱油用量來避免導熱油過熱碳化變質。同時,導熱油量增多將導致系統必須采用更多和更大的輔助設備,包括鹽/油換熱器,管道,蒸汽發生系統及所有與光場相關聯的高壓裝置。

 

  熔鹽可以在560℃以上穩定運行,甚至直接在大氣中曝光也不會改變特性。因此,熔鹽系統無須使用運維成本高昂的氮封系統。

 

  總結來說,用熔鹽作為主要的傳熱工質,具有以下特點:工作溫度更高,可達550℃以上;熱-電轉換效率更高;相比導熱油工質無毒和不易燃;無須擔心傳熱工質膨脹問題,系統運維更加簡單;儲熱容量相同時儲罐體積更小;無須使用鹽/油換熱器;系統自耗電量更少。

 

  開發熔鹽槽式光熱電站將面臨的挑戰

 

  不過,把熔鹽作為傳熱工質也要承擔一些風險和挑戰,這些問題需要在工程系統中考慮和解決。

 

  建立性能模型

 

  針對光熱電站的特點創建一個合適的性能模型對電站所有利益相關方都是至關重要的:業主需要針對他們的商業計劃得出一個可靠的輸出預測報告;EPC承包商需要設備選型和預測相關數據;運營商則需要計算出實際運營階段需要達到的額定功率數據。

 

  理想狀態下,性能模型需要通過對比計算機模擬結果和實際運營數據來進行驗證。但由于目前熔鹽槽式光熱電站非常少,所以可用于驗證結果的電站實操數據非常少。這就給建立可靠的性能模型帶來了困難。

 

  熔鹽防凝問題

 

  目前,全球許多研發項目都希望找到一種在600℃以上的高溫情況下也能保持穩定運行的流體工質,同時該工質的凝固溫度也很低,可以滿足冬天光熱電站的運行需要。但是到目前為止,這一研究課題還沒有取得突破性進展。目前,我們可以通過配置熱能存儲系統或者備用加熱器來解決防凍難題,在一些試驗設施和工業應用項目上上述防凍保護管理措施已經被證明是可行的。因此,防凍管理技術將成為一項專門的技術,而且在熔鹽槽式光熱電站等應用領域,上述已經比較先進的防凍技術還有很大的提升空間。

 

  雖然有上述安全措施作為保障,但熔鹽仍有發生凝固的可能,這時我們可以利用集膚效應原理,用電來加熱吸收器管道。在其他一些示范性項目中,這一解凍技術已被意大利Priolo Gargallo的ISCC電站證明是可行的,而且不會對設備造成任何損壞。管道電阻抗加熱是可以應用在熔鹽槽式光熱電站的一項專業技術。

 

  材料方面的挑戰

 

  在400℃以上的運營溫度下需要使用不銹鋼或特殊合金鋼。對熔鹽槽式光熱發電系統來說,這意味著在高溫情況下,要求相關系統組件的級別更高,自然成本也會更昂貴,質量控制也需要更加嚴格。但與導熱油系統相比,熔鹽槽式光熱系統的管道總需求量、傳熱介質需求量以及相關支持系統需求量明顯減少,因此使用高合金鋼所帶來的額外成本就得到了一定的補償。

 

  熔鹽槽式光熱發電系統和導熱油槽式光熱發電系統的性能和商業化對比

 

  一般性對比

 

  從基本原理來看,熔鹽被選為傳熱介質,因為它能實現更高的效率和能源密度。工作溫度可以達到550℃以上,較高的系統溫度使整個系統所需熱工質的總量大大減少。例如,采用運行溫度范圍在290℃到550℃的熱工質槽式光熱發電系統與采用運行溫度范圍在290℃到390℃的熱工質(以導熱油為傳熱工質的常規槽式光熱電站)相比,熱工質存儲儲罐的體積可以縮小60%左右。

 

  其實從運行工作溫度角度來說,采用熔鹽為傳熱工質的光熱系統和采用導熱油為傳熱工質的光熱系統在本質上是兩種技術思路完全不同的光熱系統。

 

  針對上述不同的光熱發電設計進行技術優化之后便形成了不同規模的電廠。因為建設一個大規模存儲系統所帶來的巨大成本,以及在釋放熱量時系統整體凈效率較低,所以采用導熱油做傳熱工質的光熱電站所配置的儲熱系統的儲熱時長一般不會超過8小時。反之,采用熔鹽做傳熱工質的光熱系統儲熱成本較低,為了盡可能降低發電成本,根據地域不同儲熱系統的儲熱時長最高可以達到14個小時以上。這意味著配置長時間儲熱系統的光熱電站可預見性的成為幾周或者幾個月的基礎電力負荷。

 

  集熱器的規格和聚光比對比

 

  事實上,比較技術是非常復雜的。首先要了解不同技術適合不同的集熱器。因為熔鹽系統的運行溫度更高,顯而易見,它的熱損失也要高得多。因此,一般來說使用熔鹽做傳熱工質時系統集熱效率較低。但是,系統工作溫度越高,郎肯循環的效率更高,因此發電效率也會更高。

 

  綜合來看,采用熔鹽為傳熱工質的系統整體效率會更高。為了使整體效率最大化,收集太陽能的效率應盡可能高,這可以通過提高聚光比來實現。下面用一個試驗來描述,下圖記錄了應用標準的直徑為70毫米的集熱管和其它不同直徑大小的集熱管時,分別采用熔鹽和導熱油時系統運行的不同溫度。導熱油的運行溫度上限一般是390℃左右,而熔鹽的運行溫度上限溫度一般是550℃左右。從圖中可以看出,系統的整體效率(綜合汽輪機效率和集熱器效率)隨著集熱管的直徑增大而增加,并且熔鹽系統比導熱油系統效率增加的更明顯。


 

圖:不同熔鹽系統和導熱油系統的集熱效率和系統整體效率


本文網址:http://www.darkmiyou.com/news/421.html

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