Введение
В статье оценивается развитие технологии центрального приемника для концентрирования солнечной энергии (ЦСП) как с накоплением, так и без накопления тепловой энергии (ТЭС).
Во-первых, обсуждаются технические характеристики технологий центральных приемников, чтобы проиллюстрировать уникальные преимущества и проблемы.
Рассматривается совместимость приемников с силовыми циклами и технологиями TES, а также состояние их разработки. Электростанция с центральным приемником и прямым приемом расплавленной соли TES представляет собой современное решение для диспетчерской солнечной генерации и может обеспечить большую ценность, поскольку возобновляемые источники энергии переменной мощности играют все большую роль на рынках электроэнергии.
В этой статье также обобщаются существующие и будущие проблемы, с которыми сталкивается технология центральных приемников, включая разработку высокотемпературных теплоносителей и конструкций приемников, а также совместимых аккумуляторных систем и циклов питания.
Работа направлена на то, чтобы проиллюстрировать текущую стоимость и будущий потенциал технологии центрального приемника.
Выводы основаны на критическом анализе вариантов технологии центрального приемника, проведенном EPRI, на результатах всестороннего обзора литературы и предыдущих и текущих исследований в НАРЭИ.
В отчете EPRI дается обзор последних исследований в области развития технологий башенных электростанций до 2015 года. Он дополняет обзорную работу других авторов и дает дополнительную перспективу в технологическом развитии технологии энергетических вышек.
Аспекты дизайна
Технология центральных приемников разрабатывается с 1950-х годов, и были изучены различные схемы центральных приемников. Типичная электростанция центрального приемника текущего поколения включает в себя солнечное поле с потенциально тысячами гелиостатов, обслуживающих центральный приемник с опорной башней, системой аккумулирования тепла и блоком питания.
В трубопроводах, накопительных баках и теплообменниках могут использоваться до трех различных типов рабочих жидкостей: теплоноситель (HTF), используемый в ресивере, теплоноситель, используемый в накопителях тепловой энергии, и рабочая жидкость, используемая в турбине. Чаще всего-либо система хранения, либо турбина будут использовать ту же жидкость, что и в приёмнике.
Средство теплообмена
Отличительной особенностью центральных приемников является теплоноситель, которым могут быть жидкости, газы и твердые частицы.
Приемники воды/пара и расплавленной соли были установлены на существующих промышленных установках и часто используются в сочетании с паровым циклом с рабочей температурой менее 600°C.
Многие новые концепции центральных приемников, такие как объемный воздух, сверхкритический диоксид углерода (sCO2), твердые частицы и приемники жидкости и металла, находятся в стадии активных исследований и разработок (R&D). Такие новые конструкции потенциально совместимы с более высокими температурными циклами питания.
Питание
Почти все существующие коммерческие центральные приемные установки используют циклы парового ресивера. Некоторые из них приводятся в движение непосредственно насыщенным или перегретым паром, производимым приемником, в то время как другие сначала циркулируют расплавленный соль HTF из приемника (или хранилища) через парогенератор.
Цикл sCO2- Brayton или комбинированный цикл воздух-брейтон/пара-ранкин, целевые рабочие температуры обычно выше 700°C, что способствует повышению эффективности тепло- и электроснабжения.
Хотя эффективность теплового преобразования важна, оптический КПД снижается при более высоких температурах, а тепловые потери возрастают.
Эти факторы необходимо учитывать при определении оптимальной рабочей температуры системы центрального приемника. При высоких рабочих температурах доминирующее место в общей эффективности системы занимают радиационные потери.
Хранение тепловой энергии
Установки ЦТП с центральным приемником и TES обеспечивают такой уровень диспетчерской способности, который был бы существенной проблемой для возобновляемых источников энергии переменной мощности, таких как солнечные фотоэлектрические и ветровые электростанции.
Анализ конкретного примера использования калифорнийской энергосистемы показывает, что существует ограничение на количество не подлежащих распределению возобновляемых источников энергии, которые может обеспечить энергосеть, сверх которого может произойти перепроизводство, утечка и нестабильность.
Центральные приемные станции CSP с недорогими TES представляют собой потенциальное решение для размещения избыточной энергии в полдень и доставки ее в калифорнийскую сеть после захода солнца для удовлетворения пикового спроса.
В более широком смысле, CSP-TES позволяет передавать энергию и мощность в соответствии с базовой нагрузкой, нагрузкой и пиковыми нагрузками, когда это необходимо, исходя из надежности, прибыльности и других соображений.
В CSP-среде желательно широкий диапазон рабочих температур, высокая теплоемкость, химическая стабильность, низкая стоимость и экологическая безопасность.
Была рассмотрена технико-экономическая осуществимость трех чувствительных теплоносителей TES, включая коммерчески установленную жидкую нитратную соль и два перспективных варианта:высокотемпературную соль или жидкий металл и твердые частицы. Эти носители TES имеют различную совместимость с центральными приемными системами.
Поскольку солнечная соль является коммерческим продуктом, естественным направлением исследований и разработок является повышение рабочей температуры за счет оптимизации материалов.
Три эвтектических состава солевой системы KCl-NaCl-ZnCl2 были тщательно изучены и оценены на предмет их теплофизических свойств и коррозионного поведения.
Анализ фигурки материала показывает, что экспериментальные испытания показывают желаемые теплофизические свойства при температурах до 850°C.
Исследователи из Университета Аризоны недавно сообщили о низкой коррозионной активности в экспериментальных системах очистки кислорода и воды, что позволило решить одну из наиболее серьезных проблем, связанных с использованием расплавленных хлоридов.
Для продвижения новой высокотемпературной расплавленной соли, следующие шаги включают разработку погрузочно-разгрузочных устройств, теплообменника и системы трубопроводов, обеспечивающих условия, свободные от кислорода и воды.
Твердые материалы перспективны как недорогие, высокоэффективные среды CSP-TES благодаря их стабильности при температурах выше 1000°C. Интеграция двух резервуаров для хранения твердых частиц с теплообменником твердых частиц/газа, разработанным на основе обширного опыта угольной промышленности с использованием технологии вихревых пластов (FB), является перспективным направлением исследований и разработок в области промышленного применения.
В отличие от стационарных твердых сред TES, таких как бетон или графитовые блоки, твердые частицы обеспечивают эффективный контакт с газообразными рабочими жидкостями.
По сравнению с застойными частицами в режиме хранения, текучие частицы имеют более высокую скорость теплопередачи порядка величины. Это позволяет создать компактный, недорогой теплообменник FB.
Благодаря десятилетиям успешного коммерческого применения технологии FB многие критически важные компоненты, такие как газовые/твердые сепараторы, возвратные клапаны и поверхности теплопередачи, могут быть легко перенастроены для применения в центральном приемнике CSP-TES.
