美國國家可再生能源實驗室(NREL)的研究人員正在通過“第三代”聚光式太陽能發(fā)電(CSP)項目，改進其傳熱介質(zhì)，并可能降低項目的能源成本。NREL的重點是高溫流體熔鹽，這個團隊正在設(shè)法解決與“路徑”相關(guān)的三大難題，包括尋找比替代品更純、在加熱時不大可能“降解”的新鹽類。

能源部第三代聚光式太陽能發(fā)電系統(tǒng)

NREL正在通過整合儲熱技術(shù)，提高系統(tǒng)容量、可靠性、效率和電網(wǎng)穩(wěn)定性，定義下一代聚光式太陽能(CSP)發(fā)電場[1]。

NREL進行了某些研究，以支持美國能源部太陽能技術(shù)辦公室的“第三代”聚光式發(fā)電太陽能發(fā)電系統(tǒng)(Gen3CSP)倡議[2]。這個規(guī)劃的目標是推進太陽能集熱器領(lǐng)域、接收器、儲熱和電力循環(huán)子系統(tǒng)，提高性能，并實現(xiàn)CSP系統(tǒng)的成本效益目標。第三代CSP規(guī)劃的中心目標是將CSP系統(tǒng)的成本降低到每千瓦時約0.05美元，使太陽能基荷配置的成本與美國南部陽光充足的其他可調(diào)度發(fā)電商有競爭力。

構(gòu)建第三代聚光式太陽能發(fā)電研究路線圖

圖1. IEA技術(shù)路線圖——太陽熱發(fā)電(2014年版)

目前最先進的CSP電場是熔鹽儲熱的雙罐集成的動力塔。這種系統(tǒng)與傳統(tǒng)的蒸汽-朗肯動力循環(huán)整合在一起，提供565 ℃的熱能。降低系統(tǒng)成本，實現(xiàn)第三代CSP目標的關(guān)鍵是，將傳遞到動力循環(huán)熱能的溫度提高到700 ℃以上，以提高電場的效率。

NREL支持能源部的倡議，開發(fā)了第三代CSP演示路線圖[3]，基于接收機熱載體的形式，確定把溫度提高到700℃以上的三個潛在的路徑：熔鹽(“熔鹽”途徑)，氣相傳熱流體，如二氧化碳或空氣(“氣相”途徑)，或微小固體顆粒下落的帷幔(“粒子”途徑)。

支持第三代聚光式太陽能發(fā)電的技術(shù)研究

NREL為推進第三代CSP目標，對下列幾個主題進行研究：

●先進的CSP系統(tǒng)部件，包括接收機設(shè)計、儲熱、太陽能場光學(xué)和優(yōu)化，以及動力循環(huán)設(shè)計

●熔鹽的腐蝕控制和材料兼容性

●場調(diào)度優(yōu)化

●熔鹽罐的內(nèi)部隔熱系統(tǒng)

●基于無人機的動力塔太陽能發(fā)電場檢測與校準

●高效率、低成本太陽能場的動力塔

NREL“下一代”聚光式太陽能的能源成本研究[4]

圖2.NREL員工在內(nèi)華達州一家太陽熱設(shè)施內(nèi)對“定日鏡”進行評價。

熔鹽可以降低聚光式太陽能+儲能的成本。

聚光式太陽能(CSP)作為一種可再生能源技術(shù)，一直被寄予厚望。CSP利用鏡子(或稱“定日鏡”)，通過加熱和儲存廉價的介質(zhì)(如沙子、巖石或熔鹽)，利用太陽的能量，按需進行能源調(diào)度。

為了促進CSP行業(yè)的發(fā)展，實現(xiàn)5美分/kWh能源成本目標，探索幾種傳熱介質(zhì)的潛力, 美國能源部(DOE)的“第三代”CSP規(guī)劃為研究提供資金。NREL的研究人員正在努力做出貢獻，以解決與使用某種潛在的介質(zhì)即高溫流體熔鹽，與能源傳輸和儲能相關(guān)的某些難題。

競賽開始：對CSP具有成本效益潛質(zhì)的三個路徑

三年前，“第三代”規(guī)劃確立的三個路徑，有可能達到CSP能源成本目標：流體路徑(NREL主導(dǎo)，探索使用熔鹽作為傳熱材料);顆粒路徑(桑迪亞國家實驗室主導(dǎo)，使用砂狀顆粒作為傳熱材料)，第三個路徑探索，使用氣體作為傳熱材料(布雷頓能源公司主導(dǎo))。

2021年3月，NREL在三條路徑中落選，因為DOE進一步資助“基于粒子”的儲能研究。但這也為NREL創(chuàng)造了機會，在未來兩年進一步開發(fā)流體路徑。

圖3. 熔鹽儲熱技術(shù)是高效、可靠、經(jīng)濟的大規(guī)模儲存太陽能的方法。

NREL的流體路徑研究：挑選鹽

在NREL，克雷格·圖爾奇(Craig Turchi )領(lǐng)導(dǎo)熱能科學(xué)和技術(shù)研究。他說，熔鹽是傳熱和儲能材料的理想選擇，流體很容易處理，因為可通過管道和熱交換器在CSP系統(tǒng)中傳輸。不幸的是，仍有某些實際的挑戰(zhàn)，是當前NREL研究的重點。

難題1：保溫大罐設(shè)計

圖4. 氯化物熔鹽大罐原型將建在科羅拉多州NREL Golden園區(qū)平臺頂部

熔鹽雖然容易流動，但對容納它們的儲罐和管道有腐蝕性。事實上，按照圖爾奇的說法，“每個人最初都認為，熔鹽的腐蝕會毀掉這種努力。”其實，我們已從根本上解決了這個問題。NREL和它的合作伙伴，在熔鹽化學(xué)方面做了很多大型的科學(xué)研究，如何凈化，如果控制化學(xué)成分，如何使它相對不具有腐蝕性，我們在實驗室里證明了這一點。”

因此，腐蝕性并不是使用熔鹽的最大問題。相反，挑戰(zhàn)在于實現(xiàn)高效發(fā)電場所需的極高溫度。鹽的能量密度需要相對大型、因而昂貴的儲罐，而且必須防止熔鹽在管道中凍結(jié)(雖然這些鹽作為流體熱穩(wěn)定到非常高的溫度，但會在不那么寒冷的400 ℃凍結(jié))。

圖爾奇說，這與系統(tǒng)如何保溫有關(guān)。“我們已經(jīng)進行了試驗，以證明哪些材料可以正常工作，但實際上還沒有建造個大罐，證明它確實可以工作。我們的設(shè)計是個鋼罐，但是目前的罐體外部是隔熱的，我們建議在罐體內(nèi)部隔熱，以保護鋼體。”

美國能源部給NREL 撥款200萬美元，用于建造大罐原型，以評估它裝滿熔鹽時的完整性。這個大罐目前正在建造中，將安放在科羅拉多州NREL的Golden科技園區(qū)臺地上。

難題2：尋找合適的熔鹽來改變局面

熔鹽不止一種，所以NREL開發(fā)第三代CSP流體路徑的工作，還包括選擇和試驗新的鹽。商業(yè)熔鹽系統(tǒng)使用硝酸鹽;然而，一旦系統(tǒng)達到一定溫度，這種鹽就開始“降解”。NREL團隊希望達到更高的溫度，以實現(xiàn)高效發(fā)電裝置更有效的能源轉(zhuǎn)換，因此他們探索了氯化物熔鹽的替代方案。

Youyang Zhao是NREL的研究員，三年來一直為第三代流體路徑項目研究鹽化學(xué)。Zhao說，他一開始就想辦法降低工業(yè)鹽的雜質(zhì)含量。此外，Zhao還說，“我們正在優(yōu)化鹽的成分，以降低鹽的熔點。熔點越低，處理這種材料的時間就越長。”

這個新的機會是他們努力的重要延續(xù)。Zhao解釋說，我們正在“在高水平上”“把基礎(chǔ)科學(xué)與未來的工程聯(lián)系起來。我沒有創(chuàng)建組件設(shè)計，而是試圖找出最基本的東西，如化學(xué)和材料知識，提供信息，以便人們能把系統(tǒng)設(shè)計得更好。

難題3：電化學(xué)方法，支持第三代流體路徑研究

Kerry Rippy是NREL無機化學(xué)方面的專家，還支持第三代CSP流體路徑的多種能力。在這個實驗室，她的團隊探索并證實電化學(xué)方法，能去除氯鹽中的腐蝕性雜質(zhì)。現(xiàn)在，他們與威斯康辛大學(xué)繼續(xù)這項研究，以證明純凈的氯化物熔鹽，流過模擬工業(yè)系統(tǒng)“放大原型”時的可靠性。

Rippy還支持臺地頂部大罐的試驗項目。這個密閉容器的成本很高，因此這個團隊正在研究儲鹽的新材料，鹽的溫度在變化，儲鹽容積大，每次最長達10小時。Rippy正在幫助開發(fā)罐內(nèi)的電化學(xué)傳感器，在實驗期間監(jiān)測鹽的純度。

多樣化令人振奮：熔鹽用途廣泛

Rippy說，氯化物熔鹽路徑值得進一步探索，以造福CSP和其他技術(shù)：“這項研究有很多潛在的價值：有利于太陽能燃料合成;可啟動高溫燃料電池;而核工業(yè)對這項研究也很感興趣。”

Turchi說，“核工業(yè)正在開發(fā)自己的多個‘第四代’反應(yīng)堆，其中有些使用氯化物熔鹽。”即將到來的大罐試驗結(jié)果，可能會降低許多能源行業(yè)箱體的成本。

圖5. 直接儲存鹽的熔鹽動力塔。目前和先進的熔鹽設(shè)計在概念上相似，但未來的設(shè)計設(shè)想鹽溫更高與co2 -布雷頓動力循環(huán)。

啟示與見解

“第三代”或“下一代”CSP的提法與研究，國內(nèi)少見。美國DOE首次提出，有明確的目標，值得重視。

第三代CSP的價值在于提供“可調(diào)度”能源，成為電網(wǎng)的“后備”電源。它類似轉(zhuǎn)供電力(Wheeling Power)或過網(wǎng)轉(zhuǎn)供(Wheeling-through)發(fā)電機，可增加電網(wǎng)的彈性。

最關(guān)鍵的是能源成本目標 $0.05/kWh，值得為之奮斗;相對電池儲能的能源成本，更值得為之振奮，如能每次提供后備能源的“轉(zhuǎn)供”時間范圍可達10小時，意義更大。

我國東部沿海地區(qū)發(fā)展CSP經(jīng)濟意義重大，比從西北地區(qū)(甘肅、青海、寧夏、新疆)調(diào)度可再生能源(主要是風能與太陽能)，至少可節(jié)約網(wǎng)路傳輸成本。

圖6. 截至2016年，各國CSP累計運營能力

資料與注釋

1 NREL, Generation 3 Concentrating Solar Power Systems,

https://www.nrel.gov/csp/generation-3-concentrating-solar-power-systems.html

2 DOE, Solar Energy Technologies Office, Generation 3 Concentrating Solar Power Systems (Gen3 CSP), Office of ENERGY EFFICIENCY & RENEWABLE ENERGY,

https://www.energy.gov/eere/solar/generation-3-concentrating-solar-power-systems-gen3-csp

3 NREL, Concentrating Solar Power Gen3 Demonstration Roadmap, NREL/TP-5500-67464, January 2017;

https://www.nrel.gov/docs/fy17osti/67464.pdf

4 NREL, Next-Gen Concentrating Solar Power Research Heats Up at NREL, National Renewable Energy Laboratory, Feb. 9, 2022