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固态混凝土储热将引领储热技术革新?

作者:中国储能网新闻中心 来源:CSPPLAZA 发布时间:2015-12-29 浏览:
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光热发电相对光伏的核心竞争优势即其可通过储热系统实现可调电力输出,而在电力存储技术迅速发展的当下,光热储热技术也亟需迎来变革,特别是在成本经济性上要获得更大程度的发展,方能保持光热发电技术的长期竞争力。

目前最为成熟和应用最为广泛的储热技术即熔盐储热。该项技术早于1995年在美国的Solar Two塔式示范电站上进行了示范应用,并在2009年西班牙装机50MW的Andasol1槽式电站上进行了首次成功的商业化应用,自此开启了熔盐储热的商业化之门。

TSK Flagsol的技术和创新总监Mark Schmitz表示,“目前采用熔盐储热技术的光热电站在全球已有10多座建成在运行,其中多为槽式电站,另包括Gemasolar这座塔式熔盐光热电站。粗略估计,这些电站的总储热能力每天晚上足够满足输出5700MWh的太阳能电力。”

Mark Schmitz认为,“熔盐储热技术是已被验证的、具有较好银行可融资性的技术,目前有很多研究认为直接采用熔盐作为吸热传热工质是熔盐技术的应用趋势,这可以为熔盐技术带来更好的应用优势,如提高了熔盐的工作温度,有利于光热电站整体经济性的提升。”

熔盐技术在光热发电行业的应用和发展至今已有数十年的时间,虽然其技术仍在发展之中,但熔盐技术固有的缺陷看起来比较难以克服,如有成熟应用的二元太阳盐的凝固点过高,导致其寄生性能源消耗过高;熔盐的腐蚀性对熔盐系统的设备材料要求较高,导致系统投资成本较高等。

目前,熔盐技术的拥趸们正从两个方面发力来寻求更大的突破,一方面即革新熔盐的成分配比,采用低熔点熔盐等,另一方面即推进熔盐工质直接吸热传热技术的研发。目前在这两个层面的推进工作都较为艰难。

事实上,热量的存储有多种技术路线,熔盐储热技术只是目前为止最具商业化实用价值的技术,如混凝土储热、沙子储热等技术也表现出了一定的应用潜力。

挪威NEST能源公司认为其开发的Heatcrete专利混凝土储热技术就比其它储热技术包括目前已十分成熟的熔盐储热技术更具竞争力。Juan Barragan是NEST公司的储热系统高级工程师,拥有理学工程学位,在特种化学工程领域有专业研究。他表示,“在NEST公司,我们开发了一种新的低成本高效储热技术,这种多功能固态储热系统适用于光热发电和其它应用领域。这种储热介质是与海德堡水泥集团(Heidelberg Cement)合作开发的,储热系统由数量不等的独立单元联接而成。”

图:常规导热油传热槽式电站中应用NEST储热技术

图:DSG电站中应用NEST储热技术(PCM为相变储热材料)


水或其它传热介质吸收太阳能热量后在Heatcrete储热系统单元中流动,传递大部分热能存储起来并在放能时间段内释放。这是一种高效低成本的、简单的、完全模块化的、可规模化扩展的系统,适于商业化应用级别的规模范围从几MWHth到数GWHth不等。相较于目前已广泛应用的成熟的熔盐储热技术,NEST储热技术具有更好的成本经济效益,特别是对于MWHth规模的应用而言更为适用。

其适用的储热工作温度范围从零下到零上600多摄氏度,如此广的温度区间使得传热工质的选择更为多样,如采用水蒸气或其它新型工质均可。同时有助于其实现更多附加增益,如增大系统发电效率,降低寄生性能源消耗,工质无凝固风险,系统整体运行更为稳定可靠等。

在成本经济效益方面,NEST储热技术相对熔盐储热技术的系统投资成本即CAPEX更低,这主要得益于其简单化和模块化的设计。基本上,一个个相同的储热单元可以在经过联接后达到预期的储热能力,避免了过多的外部循环,可由此节约一大部分投资额。基于其固体储热工质,无防凝必要,NEST解决方案所采用的电伴热或辅助加热系统也微不足道,相对熔盐储热可节约大量投资。

同样建设一个储热系统,NEST储热方案相对其它储热方案也更具竞争力,这是因为NEST储热系统采用的大部分的储热系统设备和组件均可本土采购,绝大部分是钢材和混凝土材料,这在全球绝大多数地区都十分常见易取。

另外,NEST储热系统有更低的运维成本即OPEX,因为来自于寄生性负载的消耗更低,自耗电很低。基于这个原因,在待机模式下,其寄生消耗几乎可以忽略不计。同样值得指出的是,储热系统建设几乎所有的组件在建设太阳能热发电站时都会用到,如建筑材料、基础设施和阀门等,这也大大降低了备件库存厂房的建设和运维团队的培训投资。

Heatcrete储热工质在研发时就定位于免维护。这种特殊的混凝土材料已经被证明是一种可靠的材料,在建筑行业可以经受数百万次的应力循环。在储热领域,Heatcrete系统在其30余年的运行期内一般每天进行一次循环,总计将经受超过一万次热应力循环,事实上相对其自身属性,这种热循环疲劳程度是较轻的,因此其理论上的使用寿命要比光热电站一般的30年寿命更长。该储热系统所需的焊接钢材在维护方面也十分简便,系统维护的焦点集中于储热系统和太阳岛的联接环节。这与其它常规的储热系统有很大不同,在维护方面要简便很多。

运行该系统的方法类似于运行常规太阳能电站其它附属系统,所有的设备和组件在运行期的管理维护都与电站安装的其它设备和组件类似。因此,能够运行常规太阳能电站的技术人员可以在经过简单培训后即可正式上岗,需要区别的是其工质的传输会有所不同。

Heatcrete储热系统的设计十分灵活和强大,这种储热系统的关停所需的时间也是很少的,相对而言,熔盐储热系统在关停时所耗费的时间较长,这也是由于其系统较为复杂,熔盐工质的流动工况也较为复杂,如熔盐的腐蚀、泄露等问题需要重点考虑。

NEST系统的安装调试及初次启动比熔盐系统更为简单,工质的预热在额外的预热单元中进行,这是十分重要的流程,对任何储热系统而言都是如此,但相对熔盐系统的预热,熔盐的化盐过程的操作难度会更大一些。

对于储热系统的运行,NEST储热解决方案与熔盐储热技术相较有不同的运行性能表现,主要的不同在于Heatcrete储热系统在放热时的出口温度将会减小,在吸热时的进口温度将会增加,而熔盐储热系统的进出口温度都是基本恒定的常量。这一固有的属性使得采用NEST储热系统的汽轮机电力输出要小于熔盐储热系统,但如果考虑光热电站总的净电力输出,即减去寄生性电力消耗的话,NEST储热系统会有更好的表现。同时,由于NEST储热系统变化性的汽轮机输出曲线,在一定时间段内其汽轮机运行表现要好于熔盐储热系统,因此可以在放热时的前几个小时内,在PPA分时电价较高的时间段内输出,以对项目的整体经济性进行优化。

NEST对一个储热量为100MWhth的槽式导热油系统的模拟分析表明,采用NEST储热系统,预计年增加电力输出5GWhe。但考量哪种储热技术才是最优的储热技术是一项较为复杂的工作,需要从多个不同的层面予以分析,但Juan Barragan认为,综合来看,NEST的储热技术是最具竞争性的替代性储热技术。

关键字:储热系统

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