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(chǔ)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(huì)分解。
用于更高溫度的新型傳熱介質(zhì)
但是，溫度越高，整個(gè)發(fā)電廠的效率就越高。出于這個(gè)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(dòng)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(chǔ)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(chǔ)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(jià)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(píng)估材料在高度集中的太陽輻射下的行為。“下一個(gè)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(gè)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(chǔ)材料組合在一個(gè)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(dòng)的限制。因此，即使在波動(dòng)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(gè)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?yàn)榻邮掌髦車目諝膺_(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(shí)，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(gè)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(xiàng)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(xiàng)目團(tuán)隊(duì)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(gè)真實(shí)規(guī)模的測試站，并配備了大約50個(gè)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(xiàng)目，工業(yè)合作伙伴Luftwandtechnik專門為高溫應(yīng)用設(shè)計(jì)了一個(gè)空氣墻系統(tǒng)，并將其安裝在測試臺(tái)上。通過這項(xiàng)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(jì)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(jì)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(gè)聯(lián)合項(xiàng)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(yàn)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(gè)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(gè)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(gè)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(gè)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(píng)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(jì)和運(yùn)行。
