目前，沙特國(guó)王大學(xué)(KSU)機(jī)械工程學(xué)教授HanyAl-Ansary正聯(lián)合美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(SandiaNationalLaboratories)在該國(guó)利雅得附近開(kāi)展塔式光熱發(fā)電粒子吸熱器(PHR)的技術(shù)研究工作。
據(jù)了解，上述研究屬于新型太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)，其工作溫度可達(dá)到1000°C左右，幾乎是目前熔鹽塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)工作溫度(565°C)的兩倍，有望在提高系統(tǒng)工作效率的同時(shí)降低光熱發(fā)電成本。
冷熱罐均可安裝在集熱塔內(nèi)部
與塔式熔鹽光熱電站中的儲(chǔ)罐布置方式不同，采用粒子吸熱器的光熱電站的熱罐和冷罐可以與換熱器一起安裝在集熱塔的內(nèi)部，這樣可以減少泵的使用，從而降低相關(guān)成本。
在一座采用粒子吸熱器的裝機(jī)20MW的塔式光熱電站中，集熱塔高150米，直徑約30米，儲(chǔ)罐可垂直安裝于集熱塔內(nèi)部，冷罐的位置大約在集熱塔中部，在此情況下，只需將吸熱顆粒從塔身中間泵到頂部對(duì)其進(jìn)行加熱。
同時(shí)，桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室研究小組展開(kāi)了一項(xiàng)創(chuàng)新測(cè)試，他們通過(guò)設(shè)置一種人字形障礙物，減緩了沙粒的下降速率。如果沒(méi)有障礙物的話(huà)，即使只有1米高的落差，沙子的下降速度也會(huì)增至5m/S或6m/S。
在集熱過(guò)程中，受阻的粒子流在吸熱器的各個(gè)集熱面都會(huì)維持密集的“粒子簾”狀態(tài)，并吸收太陽(yáng)輻射。
圖：粒子吸熱器技術(shù)原理
Al-Ansary團(tuán)隊(duì)的研究人員發(fā)現(xiàn)，由于人字形障礙物的設(shè)置，在實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)下，粒子溫度達(dá)到了約1000°C，而且沒(méi)有出現(xiàn)沙粒結(jié)塊現(xiàn)象，甚至在小試裝置中也達(dá)到了700°C以上的溫度。
圖：設(shè)置人字形障礙物減緩粒子下降速率(來(lái)源：桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室)
沙子或?yàn)樽罴蚜Ｗ舆x擇
配置儲(chǔ)熱系統(tǒng)的塔式光熱電站順應(yīng)未來(lái)低碳發(fā)展的需要，并能實(shí)現(xiàn)24小時(shí)發(fā)電。粒子吸熱器技術(shù)有可能降低塔式光熱發(fā)電的成本，因?yàn)樗梢詫F(xiàn)有565°C的熔鹽工質(zhì)運(yùn)行溫度提高近一倍。
高溫意味著高效。粒子吸熱器能夠與高效率的超臨界二氧化碳和吸氣式布雷頓動(dòng)力循環(huán)相匹配，使太陽(yáng)能在高溫?zé)峄瘜W(xué)過(guò)程中取代化石燃料，比如滿(mǎn)足在800°C的溫度下分解水以提取氫氣或在1300℃下的噴氣燃料中制造碳中性太陽(yáng)能燃料。
目前，研究人員已經(jīng)研究了多種類(lèi)型的粒子，而在此過(guò)程中，沙子的低成本優(yōu)勢(shì)得以顯現(xiàn)。當(dāng)系統(tǒng)輸出功率為5MW時(shí)，這種粒子吸熱器將需要2000噸沙子進(jìn)行循環(huán)工作。
Al-Ansary指出：“我們對(duì)沙子工質(zhì)十分感興趣，因?yàn)闊o(wú)論用量多大，你都無(wú)需考慮其成本問(wèn)題。”一定程度上來(lái)說(shuō)，一些材料，特別是工程粒子可能在初始投資中占據(jù)相當(dāng)?shù)谋戎亍?ldquo;當(dāng)你需要數(shù)千噸工程粒子時(shí)，你可能需要投入較高的資金。”
沙特電力公司助力粒子吸熱器技術(shù)走向商業(yè)化
一直以來(lái)，有很多清潔能源領(lǐng)域的創(chuàng)新性研究在實(shí)驗(yàn)室研究獲得成功后，由于缺乏商業(yè)化試驗(yàn)而導(dǎo)致相關(guān)技術(shù)最終“流產(chǎn)”。然而粒子吸熱器研究小組非常幸運(yùn)，他們得到了沙特電力公司的支持，并可以積極開(kāi)展相關(guān)工作。
目前，沙特電力公司正在資助和協(xié)助研究小組利用紅砂作為吸熱介質(zhì)開(kāi)展研究工作，并致力于推動(dòng)該項(xiàng)目于2018年進(jìn)入商業(yè)化測(cè)試階段，這對(duì)該技術(shù)的推廣至關(guān)重要。
與熔鹽儲(chǔ)熱類(lèi)似，沙子每天損失的能量不到其儲(chǔ)存能量的1%，但是其溫度幾乎可以達(dá)到熔鹽工質(zhì)的兩倍。Al-Ansary表示，這是其對(duì)粒子吸熱器感興趣的主要原因，同時(shí)他本人擁有15項(xiàng)專(zhuān)利，相關(guān)研究成果還在一些行業(yè)期刊上獲得發(fā)布。
“熔鹽工作溫度限制在565°C左右。”他說(shuō)，“但是，采用不同種類(lèi)的粒子作為吸熱介質(zhì)，可以獲得更高的溫度，甚至高達(dá)1000°C。我們小組采用不同的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使用簡(jiǎn)單的砌筑材料和隔熱性能良好的箱體，能夠?qū)崿F(xiàn)每天的熱損失降低到1%以下。”
全球首臺(tái)商業(yè)化粒子吸熱器擬于2018年年中開(kāi)始制造
據(jù)了解，沙特電力公司將制造世界上第一臺(tái)商業(yè)化粒子吸熱器，并計(jì)劃在1月和2月完成最后的原型測(cè)試后，于2018年年中付諸實(shí)施。
“沙特電力公司表示，他們正在準(zhǔn)備下一個(gè)階段，大概輸出功率約5MW，并希望能成功發(fā)電以出售電力。”他說(shuō)。
“一旦我們完成了對(duì)KSU小型100kW電力設(shè)施的測(cè)試，且測(cè)試結(jié)果得到確認(rèn)，沙特電力公司便可以開(kāi)展他們的工作了。”
“事實(shí)上，沙特電力公司的部分工程師每天會(huì)和我們一起開(kāi)展研究工作，并進(jìn)行一定程度地調(diào)整。在我們的共同努力下，我們可以確保粒子吸熱器的設(shè)計(jì)是成熟的。當(dāng)我們進(jìn)入第三階段的工作時(shí)，其將完全實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。”
另外，桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的光熱發(fā)電系統(tǒng)鏡場(chǎng)面積更大，這對(duì)早期測(cè)試起著非常重要的作用。雖然位于利雅得的測(cè)試設(shè)備較小，但是其可以作為完整的發(fā)電系統(tǒng)(含換熱器和燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng))進(jìn)行全流程演示。
缺乏電力的沙特偏遠(yuǎn)地區(qū)市場(chǎng)潛力巨大
事實(shí)上，除利雅得外，沙特阿拉伯的部分缺乏電力的偏遠(yuǎn)地區(qū)太陽(yáng)能資源也十分豐富(DNI值約為2600kwh/㎡/y)，適宜開(kāi)發(fā)光熱電站。
Al-Ansary說(shuō)：“沙特國(guó)家電網(wǎng)事業(yè)部對(duì)這個(gè)想法十分感興趣，因?yàn)槲覈?guó)許多偏遠(yuǎn)地區(qū)都缺乏電力，這些地區(qū)至多建設(shè)裝機(jī)5MW或者10MW的燃?xì)怆娬尽?ldquo;他們告訴我，這些地區(qū)大約需要1GW的裝機(jī)量，因此他們可以建造約200座大小的電站。”
與熔鹽塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)不同，燃?xì)怆娬纠脽釅嚎s空氣進(jìn)行發(fā)電，目前裝機(jī)5MW的燃?xì)怆娬疽褜?shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。這種渦輪機(jī)已通過(guò)歐盟直接燃?xì)饧訜峤邮掌鞯臏y(cè)試。這種經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的設(shè)計(jì)與光熱發(fā)電的粒子吸熱器的設(shè)計(jì)概念相契合，只需在設(shè)計(jì)上進(jìn)行些許更改。
正如Al-Ansary所述，這項(xiàng)研究從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模到走向商業(yè)化是一個(gè)不尋常的過(guò)程，需要冷靜與信心。盡管創(chuàng)新的清潔技術(shù)對(duì)于創(chuàng)造一個(gè)宜居的環(huán)境至關(guān)重要，但是要實(shí)現(xiàn)輕松的跨越絕非易事。“但是，幸運(yùn)的是，我們獲得了支持。”Al-Ansary補(bǔ)充道。
