弗勞恩霍夫太陽能系統(tǒng)研究所（ISE）的研究人員正在使用一種全新的概念來提高聚光太陽能熱發(fā)電（CSP）塔式發(fā)電廠的效率。為此，他們首先改變了用于將收集的熱量從太陽輸送到存儲單元的傳熱介質(zhì)。到目前為止，這里一直使用熔鹽。缺點(diǎn)：這些只能在高達(dá)600攝氏度的溫度下使用。如果溫度高于該溫度，特殊的熱鹽就會分解。
用于更高溫度的新型傳熱介質(zhì)
但是，溫度越高，整個發(fā)電廠的效率就越高。出于這個原因，弗萊堡Fraunhofer ISE的研究人員使用了一種由固體組成的傳熱介質(zhì)，其工作溫度可以達(dá)到1攝氏度以上。
傳熱介質(zhì)通過接收器移動并直接加熱，類似于旋轉(zhuǎn)木馬。來自薩爾州蘇爾茨巴赫的存儲制造商Kraftblock為此開發(fā)了新的陶瓷接收器元件。這些是耐熱的，可以儲存大量的熱量。此外，它們由回收材料以環(huán)保的方式生產(chǎn)，與昂貴的熱鹽相比，這也降低了傳熱材料的價格。
研究人員對陶瓷材料作為傳熱介質(zhì)進(jìn)行了廣泛的測試和測量。這使他們能夠評估材料在高度集中的太陽輻射下的行為。“下一個目標(biāo)是進(jìn)一步開發(fā)接收器的材料，以便能量在體內(nèi)更深處傳導(dǎo)，”Fraunhofer ISE集中系統(tǒng)和技術(shù)組負(fù)責(zé)人Gregor Bern說。
所有組件集成在一個中
在新的接收器中，他們還將固態(tài)熱載體與太陽輻射接收器和存儲材料組合在一個組件中。這使弗萊堡的研究人員能夠降低建造此類發(fā)電廠的成本。此外，它們避免了傳統(tǒng)管狀接收器典型的傳熱損失和傳熱介質(zhì)流動的限制。因此，即使在波動的太陽輻射下也能更好地保持較高的溫度，從而降低了太陽能熱發(fā)電的成本。
減少熱損失
塔式發(fā)電廠的一個問題是輻射熱量造成的損失。這些發(fā)生在高溫和強(qiáng)烈的陽光集中下并降低了效率。這是因為接收器周圍的空氣達(dá)到 600 攝氏度以上的溫度。然而，環(huán)境空氣的溫度通常在30至40攝氏度的范圍內(nèi)。當(dāng)它流過接收器時，較冷的空氣吸收其熱量，然后損失用于發(fā)電。因此，研究人員尋找一種分離不同空氣層的方法。第一個想法是使用由石英玻璃制成的窗戶。但是，它們不存在所需的大小。
這就是為什么研究人員測試了氣墻的想法。這是由接收器開口處的強(qiáng)大噴嘴形成的，并將接收器周圍的空氣與環(huán)境空氣分開。“到目前為止，只有這種解決方案的模擬。但這項技術(shù)以前從未在發(fā)電廠領(lǐng)域得到過展示，“弗勞恩霍夫ISE項目團(tuán)隊的研究助理Moritz Bitterling解釋說。
對空氣墻進(jìn)行廣泛測量
弗萊堡的研究人員現(xiàn)在已經(jīng)改變了這種狀況。他們建立了一個真實(shí)規(guī)模的測試站，并配備了大約50個溫度傳感器。他們模擬了帶有加熱元件的 600 度熱接收器。對于該項目，工業(yè)合作伙伴Luftwandtechnik專門為高溫應(yīng)用設(shè)計了一個空氣墻系統(tǒng)，并將其安裝在測試臺上。通過這項測試，研究人員能夠測量有和沒有空氣壁的輻射損失以及達(dá)到600攝氏度所需的加熱功率。在這里，他們還能夠測試如何優(yōu)化設(shè)計操作參數(shù)，例如空氣壁噴嘴的角度和空氣的出口速度。結(jié)果：通過優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)設(shè)置，接收器因輻射而損失的熱損失可以減少30%。
測量新鏡子
弗萊堡的研究人員還支持塔式發(fā)電廠本身的進(jìn)一步發(fā)展。在這里，趨勢是更小的單元，不再配備以前的拋物面鏡，而是配備所謂的 Stellio 定日鏡。這些是五邊形的分段鏡子，它們站在柱子上并將陽光投射到太陽能塔上。與SBP Sonne一起，他們希望通過優(yōu)化塔架的設(shè)計來降低此類系統(tǒng)的成本。這是為了適應(yīng)小型塔式發(fā)電廠的要求。弗勞恩霍夫ISE在這個聯(lián)合項目中的功能是通過3D激光掃描測量定日鏡，并在現(xiàn)場測試定日鏡的快速測量程序。到目前為止，弗萊堡研究人員已經(jīng)在實(shí)驗室中使用鏡面的衰減測量來分析它們在特定載荷下的變形方式。
模擬整個系統(tǒng)
最后，研究人員從所有這些單獨(dú)的組件中開發(fā)了一個整體概念。這包括帶有固態(tài)熱載體和空氣壁的接收器以及優(yōu)化的Stellio定日鏡，它們被集成到太陽能熱電廠中。為此，他們還研究了哪種發(fā)電廠工藝最適合耦合各個新開發(fā)的組件，以及如何將熱量從固體傳遞到蒸汽輪機(jī)發(fā)電廠的基礎(chǔ)工藝。
最后，他們使用仿真工具對整個系統(tǒng)進(jìn)行建模，對其進(jìn)行檢查，然后對其進(jìn)行經(jīng)濟(jì)評估。通過這種方式，可以擴(kuò)展現(xiàn)有的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)模型，并確定具有新組件的發(fā)電廠的最佳設(shè)計和運(yùn)行。
