美國桑迪亞實驗室即將進行首次顆粒吸熱器sCO?回路測試

時間:2020-07-21 13:32來源:國家光熱聯盟
  美國桑迪亞國家實驗室(SNL)下轄的美國國家太陽能熱利用測試中心(NSTTF)將在2020年夏天實現多項突破性進展,其中包括首次對顆粒吸熱器和sCO?系統之間的熱交換器進行測試,以及首次將顆粒吸熱器連接到sCO?系統的回路測試。
  SNL聚光太陽能項目經理Paul Gauche表示:“SNL已經建造和試驗sCO?循環系統大約10年了,在Brayton實驗室已經建成了多個sCO?循環回路,其中包括可為客戶提供測試和研究服務的三個sCO?循環系統。”
  2015年,SNL向美國能源部太陽能技術辦公室提出申請,請求其繼續資助一個SunShot項目(SuNLaMP)。該項目是規模更大的第3代粒子中試裝置(G3P3)光熱發電研究項目的前身,其目標是建立一個帶有集成sCO?循環系統回路的下落顆粒吸熱器系統,以證明使用聚光集熱系統加熱的顆粒介質可以使sCO?循環系統工作溫度達到700℃以上。上述研究和測試是SuNLaMP項目的延續。
  資深科學家Cliff Ho博士是負責這些項目的主要研究員。據他介紹,集成測試系統將包括以下組件:下降型粒子接收器、顆粒介質到sCO?熱交換器系統、sCO?回路、sCO?回路的間接空氣冷卻系統。
  Cliff Ho表示:“這個集成系統是獨一無二的,它將利用陽光將粒子加熱到約800°C,然后通過一級熱交換器將熱量傳遞到工作流體中。這種換熱器在全球首次實現了可以在設計溫度大于700°C、壓力大于20兆帕的情況下,將熱量從移動填充床中的顆粒傳遞給超臨界二氧化碳介質。”
  按照美國能源部的計劃,sCO?循環技術將應用于下一代光熱發電技術,以進一步提升系統效率,并最終降低光熱發電成本。目前相關的測試正在NSTTF進行,使用的是1978年建造的美國第一座聚光太陽能塔。該塔80萬磅重的電梯承載能力允許研究人員建造大型實驗裝備并將其提升到塔頂。
圖:安裝在顆粒接收器組件中的熱交換器
  研究背景:
  下降粒子接收器(Falling particle receiver)技術之所以吸引了研究者的關注,是因為其可以在較高溫度下高效集熱并存儲熱能,而不會發生任何分解。這解決了傳統熔鹽吸熱儲熱在高溫下運行會升華為氣體而散失的一大弊端。
  這種熱量接收器的實驗型樣機在Sandia實驗室開發完成,像沙子一樣的陶瓷顆粒通過一束被聚焦的太陽強光照射后就能獲取和存儲太陽熱能,這些粒子吸熱后被存儲至下部的一個保溫絕熱箱內進行儲熱和發電。該技術的運行溫度可達將近1000 ℃,如此高的運行溫度將有效提升集熱效率,降低儲熱成本。因為同樣的儲熱量,溫度越高則需求的儲熱介質越少。
  塔式光熱電站目前一般采用水或熔鹽作為工質,運行溫度不會高于550℃,熱電轉化效率不會高于40%。而這種下降型粒子接收器的高溫運行優勢十分明顯,采用上述吸熱儲熱技術可顯著提升塔式光熱電站的熱電轉換效率至50%甚至更高。

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