目前，沙特國王大學(KSU)機械工程學教授HanyAl-Ansary正聯(lián)合美國桑迪亞國家實驗室(SandiaNationalLaboratories)在該國利雅得附近開展塔式光熱發(fā)電粒子吸熱器(PHR)的技術研究工作。
據(jù)了解，上述研究屬于新型太陽能熱發(fā)電技術，其工作溫度可達到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)工作效率的同時降低光熱發(fā)電成本。
冷熱罐均可安裝在集熱塔內部
與塔式熔鹽光熱電站中的儲罐布置方式不同，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部，這樣可以減少泵的使用，從而降低相關成本。
在一座采用粒子吸熱器的裝機20MW的塔式光熱電站中，集熱塔高150米，直徑約30米，儲罐可垂直安裝于集熱塔內部，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其進行加熱。
同時，桑迪亞國家實驗室研究小組展開了一項創(chuàng)新測試，他們通過設置一種人字形障礙物，減緩了沙粒的下降速率。如果沒有障礙物的話，即使只有1米高的落差，沙子的下降速度也會增至5m/S或6m/S。
在集熱過程中，受阻的粒子流在吸熱器的各個集熱面都會維持密集的“粒子簾”狀態(tài)，并吸收太陽輻射。
圖：粒子吸熱器技術原理
Al-Ansary團隊的研究人員發(fā)現(xiàn)，由于人字形障礙物的設置，在實驗室狀態(tài)下，粒子溫度達到了約1000°C，而且沒有出現(xiàn)沙粒結塊現(xiàn)象，甚至在小試裝置中也達到了700°C以上的溫度。
圖：設置人字形障礙物減緩粒子下降速率(來源：桑迪亞國家實驗室)
沙子或為最佳粒子選擇
配置儲熱系統(tǒng)的塔式光熱電站順應未來低碳發(fā)展的需要，并能實現(xiàn)24小時發(fā)電。粒子吸熱器技術有可能降低塔式光熱發(fā)電的成本，因為它可以將現(xiàn)有565°C的熔鹽工質運行溫度提高近一倍。
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力循環(huán)相匹配，使太陽能在高溫熱化學過程中取代化石燃料，比如滿足在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能燃料。
目前，研究人員已經研究了多種類型的粒子，而在此過程中，沙子的低成本優(yōu)勢得以顯現(xiàn)。當系統(tǒng)輸出功率為5MW時，這種粒子吸熱器將需要2000噸沙子進行循環(huán)工作。
Al-Ansary指出：“我們對沙子工質十分感興趣，因為無論用量多大，你都無需考慮其成本問題。”一定程度上來說，一些材料，特別是工程粒子可能在初始投資中占據(jù)相當?shù)谋戎亍?ldquo;當你需要數(shù)千噸工程粒子時，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走向商業(yè)化
一直以來，有很多清潔能源領域的創(chuàng)新性研究在實驗室研究獲得成功后，由于缺乏商業(yè)化試驗而導致相關技術最終“流產”。然而粒子吸熱器研究小組非常幸運，他們得到了沙特電力公司的支持，并可以積極開展相關工作。
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開展研究工作，并致力于推動該項目于2018年進入商業(yè)化測試階段，這對該技術的推廣至關重要。
與熔鹽儲熱類似，沙子每天損失的能量不到其儲存能量的1%，但是其溫度幾乎可以達到熔鹽工質的兩倍。Al-Ansary表示，這是其對粒子吸熱器感興趣的主要原因，同時他本人擁有15項專利，相關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，“但是，采用不同種類的粒子作為吸熱介質，可以獲得更高的溫度，甚至高達1000°C。我們小組采用不同的圍護結構設計，使用簡單的砌筑材料和隔熱性能良好的箱體，能夠實現(xiàn)每天的熱損失降低到1%以下。”
全球首臺商業(yè)化粒子吸熱器擬于2018年年中開始制造
據(jù)了解，沙特電力公司將制造世界上第一臺商業(yè)化粒子吸熱器，并計劃在1月和2月完成最后的原型測試后，于2018年年中付諸實施。
“沙特電力公司表示，他們正在準備下一個階段，大概輸出功率約5MW，并希望能成功發(fā)電以出售電力。”他說。
“一旦我們完成了對KSU小型100kW電力設施的測試，且測試結果得到確認，沙特電力公司便可以開展他們的工作了。”
“事實上，沙特電力公司的部分工程師每天會和我們一起開展研究工作，并進行一定程度地調整。在我們的共同努力下，我們可以確保粒子吸熱器的設計是成熟的。當我們進入第三階段的工作時，其將完全實現(xiàn)商業(yè)化。”
另外，桑迪亞國家實驗室建設的光熱發(fā)電系統(tǒng)鏡場面積更大，這對早期測試起著非常重要的作用。雖然位于利雅得的測試設備較小，但是其可以作為完整的發(fā)電系統(tǒng)(含換熱器和燃氣輪機系統(tǒng))進行全流程演示。
缺乏電力的沙特偏遠地區(qū)市場潛力巨大
事實上，除利雅得外，沙特阿拉伯的部分缺乏電力的偏遠地區(qū)太陽能資源也十分豐富(DNI值約為2600kwh/㎡/y)，適宜開發(fā)光熱電站。
Al-Ansary說：“沙特國家電網(wǎng)事業(yè)部對這個想法十分感興趣，因為我國許多偏遠地區(qū)都缺乏電力，這些地區(qū)至多建設裝機5MW或者10MW的燃氣電站。“他們告訴我，這些地區(qū)大約需要1GW的裝機量，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，燃氣電站利用熱壓縮空氣進行發(fā)電，目前裝機5MW的燃氣電站已實現(xiàn)商業(yè)化應用。這種渦輪機已通過歐盟直接燃氣加熱接收器的測試。這種經過驗證的設計與光熱發(fā)電的粒子吸熱器的設計概念相契合，只需在設計上進行些許更改。
正如Al-Ansary所述，這項研究從實驗室規(guī)模到走向商業(yè)化是一個不尋常的過程，需要冷靜與信心。盡管創(chuàng)新的清潔技術對于創(chuàng)造一個宜居的環(huán)境至關重要，但是要實現(xiàn)輕松的跨越絕非易事。“但是，幸運的是，我們獲得了支持。”Al-Ansary補充道。
