下一代太阳能光热电站:熔融氯盐储热技术的研发进展

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结合热能储存(TES,以下简称储热)的太阳能光热发电(concentrated solar power, CSP)技术是未来可再生能源系统中最具应用前景的发电技术之一,其可高效利用资源丰富但具间歇性的太阳能,为人们提供稳定可调度且低成本的电力。为了大幅度降低现有商业光热电站的平准化发电成本(levelized cost of electricity, LCOE),人们正在开发具有更高运行温度和发电效率的新一代CSP技术。与目前商业熔融硝酸盐储热系统相比,下一代CSP电站中的储热系统通过使用新型储热材料可在更高的温度(> 565 ℃)下运行。在本研究中,德国航空航天中心的丁文进等研究人员首先介绍了下一代CSP技术及其储热技术的研发进展,之后重点介绍了基于熔融氯盐(如MgCl2/NaCl/KCl混合盐)的先进储热技术。MgCl2/NaCl/KCl具有与商业熔融硝酸盐相似的热物性、更高的热稳定性(> 800 ℃)和更低的材料成本(< 0.35 USD∙kg–1)。在本研究中,研究人员还综述了熔融氯盐储热技术中混合氯盐的选择与优化、储热相关物性的测定,以及系统中使用的结构材料(如合金)的熔盐腐蚀控制等方面的最新研究进展。

01 前言

具有结合热能储存(TES)的太阳能光热发电(CSP)技术是未来可再生能源系统中最具应用前景的发电技术之一,其可高效利用资源丰富但具间歇性的太阳能,为人们提供稳定可调度且低成本的电力。根据国际知名可再生能源政策研究机构REN21(Renewable Energy Policy Network for the 21st Century)的研究报告,2018年全球有超过550 MW的新建CSP电站开始投入商业运营,并且大多数都配备了熔盐储热系统;2008—2018年,全球CSP装机容量从0.5 GW快速增长到5.5 GW。文章源自云智设计-https://www.cidrg.com/news/forward/19282.html

据统计,2019年运营中的CSP电站(装机容量约5.8 GW)主要分布在西班牙、美国、摩洛哥王国和南非共和国等国家和地区,而建造中的CSP电站(约2.2 GW)主要分布在中东和北非地区(MENA)以及中国。此外,欧洲、智利共和国、南非共和国和澳大利亚等国家和地区还在设计建造装机容量超过1.5 GW的CSP电站。文章源自云智设计-https://www.cidrg.com/news/forward/19282.html

如图1所示,根据不同聚光方式,CSP技术主要分为菲涅尔式、塔式、蝶式和槽式四类。其中,菲涅尔式和槽式CSP属于线性聚焦系统,而塔式和蝶式属于点聚焦系统。与线性聚焦系统相比,点聚焦CSP系统由于具有更高的聚光率,因此可产生更高温度的太阳热和实现更高的热电转化效率以及更低的电力成本。目前运营中的大多数CSP电站采用低建造和低维护成本的成熟槽式技术,而大多数在建的CSP电站则基于更先进的塔式技术。文章源自云智设计-https://www.cidrg.com/news/forward/19282.html

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图1. CSP技术的主要分类(从左到右):菲涅尔式、塔式、蝶式和槽式。文章源自云智设计-https://www.cidrg.com/news/forward/19282.html

图2为目前最先进也最具代表性的第二代CSP电站,即配备熔融硝酸盐直接储热系统(direct TES system)的商业化塔式电站。此电站主要由4个部分组成:定日镜、吸收塔、熔盐储热系统和动力循环发电系统。文章源自云智设计-https://www.cidrg.com/news/forward/19282.html

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图2. 目前技术最先进的第二代熔盐塔式CSP电站,其直接储热系统中熔融硝酸盐可同时作为TES/导热流体(HTF)材料使用。文章源自云智设计-https://www.cidrg.com/news/forward/19282.html

图3为位于西班牙的50 MW Andasol 3号CSP电站中的双罐式熔盐储热系统,其使用了约28 500 t的太阳盐,储存的热量最多可供电站满负荷发电约7.5 h。文章源自云智设计-https://www.cidrg.com/news/forward/19282.html

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图3. 西班牙50 MW Andasol 3号CSP电站中的双罐熔盐储热系统。

图4为美国国家可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory, NREL)提出的基于新型熔盐储热材料的下一代CSP技术概念图。在下一代熔盐储热CSP电站中,熔盐储热/导热系统(运行温度为520~720 ℃)与超临界二氧化碳(sCO2)布雷顿动力循环(运行温度为500~700 ℃)相结合。与热电转化效率约为40%的传统蒸汽动力循环相比,sCO2布雷顿动力循环具有超过50%的热电转化效率和更低的资本支出,其在下一代CSP电站和其他热电站(如核电站)中具有巨大的应用潜力。

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图4. 下一代熔盐储热CSP技术概念示意图。

02 新一代CSP技术

为了开发具有更高发电效率和更低发电成本的下一代CSP技术,在近10多年中,包括美国、澳大利亚、欧洲和亚洲在内的国家和地区都已经提出了不同的研发方案或启动了相关的研发项目。

例如,在2011年启动的“SunShot Initiative”框架内,美国能源部(DOE)于2018年开始资助与Gen3 CSP研究计划相关的研究课题。澳大利亚于2012年启动了ASTRI研究计划,目的是改进当前商业CSP技术和开发新一代CSP技术。自2004年以来,欧盟(EU)通过“第六框架”(FP6)、“第七框架”(FP7)和“地平线2020”(H2020)等欧盟项目资助了包含下一代CSP技术在内的多个CSP研发项目。欧盟还资助了“欧洲研究区太阳能设施”(Solar Facilities for the European Research Area, SFERA)I‒III期和“欧洲聚光型太阳能热利用技术科技联盟”(STAGE-STE)等项目,以促进欧盟内各国科研机构的联合协作,推进CSP技术的发展。还有,中国等国家也对下一代CSP技术开展了一些前期研究,例如,中国一些科研机构从2011年开始研究采用熔融氯盐和碳酸盐的下一代熔盐储热技术。2020年,中国科技部(MOST)还通过国家重点研发计划启动了“超临界CO2太阳能热发电”研究项目。

2.1 美国

2011年,美国能源部发起了为期10年的“SunShot Initiative”,提供大量经费支持太阳能技术(即光热和光伏技术)的研发,以降低太阳能的发电成本,使其与常规电站和其他可再生能源技术相比也具有成本竞争力。如图5所示,2017年,美国能源部宣布已成功地将储能12 h以上的基本负荷CSP的LCOE降到0.10 USD∙kW–1∙h–1,与2010年不具备储能功能的CSP相比,降低了50%以上。

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图5. DOE资助的“SunShot Initiative”中CSP技术进展和2030年目标。

2.2 澳大利亚

作为拥有全球最佳太阳能资源的国家之一,近年来澳大利亚投入了大量资金和精力来开发具有成本竞争力的太阳能技术。如图6所示,在ARENA的资助下,位于新南威尔士州的Vast Solar CSP测试站(储热量为6 MW,储电量为1 MW)于2014年开始建设。据报道,2019年科研人员成功以液态钠金属作为导热介质进行测试,其最高运行温度可高于800 ℃。

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图6. 位于澳大利亚新南威尔士州的Vast Solar CSP试验电站,使用液态钠金属作为导热介质,试验电站设计储电量和储热量分别为1 MW和6 MW。

2.3 欧洲

欧洲在研发CSP技术方面有悠久的历史,并取得了许多成果。据2019年的统计数据,西班牙是拥有世界上最大CSP装机容量的国家(> 2.3 GW)。自2004年以来,欧盟通过FP7和H2020计划支持了包括下一代CSP技术在内的技术研发。德国宇航中心(German Aerospace Center, DLR)科研人员已经在一个CSP中试装置(Juelich Solar Tower)中测试了固体颗粒储热技术和先进颗粒接收器,他们利用该技术在900 ℃以上的高温下实现了高效的储放热能(图7)。

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图7. DLR的CSP中试装置。(a)Juelich Solar Tower;(b)测试中的颗粒接收器CentRec。

2.4 亚洲

在亚洲(如中国和印度)有许多CSP电站正在运行、建设或开发。2016年,中国宣布了首批获得国家补贴的20个CSP示范项目(共1.35 GW),其中包括浙江中控太阳能德令哈50 MW塔式熔盐光热发电项目(Zhejiang SUPCON SOLAR Delingha 50 MW molten salt tower project)和北京首航节能敦煌100 MW塔式熔盐光热发电项目(Beijing Shouhang IHW Dunhuang 100MW molten salt tower project)。2019年,全球大多数的新CSP电站(> 1.1 GW)在中国开始建设。据统计,2018年约有550 MW的新CSP电站投入商用运营,其中,通过开始运行的中控太阳能德令哈50 MW和首航节能敦煌100 MW塔式熔盐光热电站,贡献了约200 MW电力。

在印度,太阳能技术的研发主要由印度国家太阳能研究所(National Institute of Solar Energy, NISE)负责。据介绍,与光伏技术相比,印度目前在CSP技术的研发方面面临着各种挑战,如缺乏有经验的劳动力以及本土制造业不足等。因此,尽管印度的法向直接日射辐照度(direct normal irradiance, DNI)较高,用于开发太阳能的面积也较大,但印度对下一代CSP技术的研发进展却很缓慢。

而日本和韩国等其他亚洲国家的DNI较小,用于开发CSP的地面空间也较小,因此,与下一代CSP技术相比,它们更偏好研发可在海外(如澳大利亚)生产氢气的太阳能技术。产生的氢气可以通过存储和运输,在国内用于发电、供热或合成化学物质。例如,日本建立了一个聚光测试装置,测试了使用二氧化铈的两步式水分解工艺(800~1400 ℃),用于太阳热生产氢气。

2.5 小结

据上所述,可用于下一代CSP电站的储热/导热技术(温度高于565 ℃)主要包括以下几种:

• 以新型熔盐作为储热/导热材料,如熔融碳酸盐和氯盐,由于低廉的成本目前主要将后者作为研究对象;

• 以固体颗粒作为储热/导热材料,该技术已在美国、欧洲和中国进行了一些示范;

• 利用气体(如氦气)进行导热,使用其他材料(如固体材料,PCM)间接储热,科研人员计划在美国、欧洲和中国进行示范;

• 将液态金属作为导热材料,使用其他材料(如液态金属本身、固体材料或PCM)间接储热,在澳大利亚和欧洲对该技术进行示范。

03 下一代CSP电站中的熔融氯盐技术

熔融氯盐具有热稳定性高且成本低的优势,是下一代熔盐技术中最有发展潜力的储热/导热材料之一。与碳酸盐混合盐(如Li2CO3/Na2CO3/K2CO3,1.3~2.5 USD∙kg–1)和硝酸盐混合盐(如太阳盐,0.5~0.8 USD∙kg–1)相比,氯盐混合盐(如MgCl2/KCl/NaCl,低于0.35 USD∙kg–1)具有较高的热稳定性(> 800 ℃)和合适的热物理性质,同时价格也低很多。然而,与商业熔融硝酸盐技术不同,熔融氯盐技术面临着另一项主要挑战,即在高温下对金属结构材料有强烈的腐蚀性。因此高效且价格合理的腐蚀控制技术对于熔融氯盐技术至关重要。

文章重点综述了熔融氯盐储热技术中混合氯盐的选择与优化、储热相关物性的测定,以及系统中使用的结构材料(如合金)的熔盐腐蚀控制等方面的最新研究进展。熔融氯盐储热/导热技术的研发进展总结如下:

(1)MgCl2/KCl/NaCl已被确定为最有发展前景的熔融氯盐储热/导热材料;

(2)熔融氯盐的物性参数对熔融氯盐技术的工程设计至关重要,其重要物性的测量方法和推荐值(即最低熔点、蒸气压、比热容、密度、导热系数、黏度和腐蚀性等)还需进一步确认;

(3)结构材料(如合金)在熔融氯盐中的腐蚀机理已被广泛研究,基于腐蚀机理,科研人员也找到了一些有发展前景的腐蚀控制方法。

04 研究建议

在回顾和总结最新研究进展的基础上,本研究也给出一些未来研究建议,以促进熔融氯盐储热/导热技术的成熟和实现其在下一代CSP电站中的应用:

(1)研究如何合理整合盐纯化和减缓腐蚀的方法,开发经济有效的控制熔融氯盐腐蚀性的技术;

(2)研究经济有效的腐蚀控制方法及系统;

(3)考虑耐久性以及熔融氯盐的腐蚀性,确定值得在实验室水平试验的结构材料;

(4)开发熔盐回路中所需的所有关键部件,如熔融氯盐储罐、热交换器、管道、泵和阀门,并在高温下进行熔融氯盐回路试点示范;

(5)确定整个技术放大策略,包括考虑实际应用中所需的材料和工艺。

关键词:太阳能;太阳能光热发电(CSP);热能储存(TES);导热流体(HTF);超临界二氧化碳动力循环;腐蚀控制

本文选自中国工程院院刊《Engineering》2021年第3期,原文出自:Progress in Research and Development of Molten Chloride Salt Technology for Next Generation Concentrated Solar Power Plants(下一代太阳能光热电站中熔融氯盐技术研发进展)

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大V快跑
  • 本文由 大V快跑 发表于 2023年8月24日08:17:14
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匿名

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