來源:CSPPLAZA光熱發電網 | 0評論 | 9637查看 | 2013-04-28 11:45:00
CSPPLAZA光熱發電網報道:SkyFuel公司前CEO兼創始人(ren)Arnold Leitner日(ri)前撰文談光熱(re)發電傳(chuan)熱(re)介質(zhi)的(de)選擇(ze)和(he)應(ying)用,其(qi)從溫度、成本和(he)效率三方面(mian)評估了當前主要應(ying)用的(de)傳(chuan)熱(re)介質(zhi)和(he)面(mian)臨的(de)問題。

圖:高溫用導熱油
當前全球的商業化光熱電站中有所應用的傳熱介質大致有三種:水、導熱油、熔鹽,這三種介質的應用明顯不同。聚光太陽能集熱器所能實現的溫度范疇從環境溫度到約1000攝氏度不等,根據不同的運行溫度需求來選擇合適的傳熱介質。
水在持續增溫增壓時要經歷一個相變過程:即從水到蒸汽的發生過程,水的臨界溫度為374.5攝氏度,即超過這一溫度,水將全部以氣態的方式存在,又稱超臨界水。使用水作為傳熱介質面臨的主要問題就是系統壓力過大,壓力隨溫度的升高而升高,為了使水的溫度保持在300攝氏度,壓力需要達到87bar(相當于86個大氣壓),此時僅僅再使水溫增加25攝氏度,相當于增加4%的絕對溫度,就將使壓力增加40%達到122bar,87bar的壓力已經需要很厚的鋼制管道壁,如果要得到550攝氏度的過熱干蒸汽來驅動汽輪機發電,則需要達到的壓力為160bar。這將需要建設足夠厚的承壓系統,會增加施工難度和投資。另外,槽式集熱管中如果要保證高壓力的水不對管壁造成破壞,需要增加管壁的厚度,厚度增加又會降低熱量傳導,影響其集熱效率。儲水容器也需要建設的足更大。
應用水作為傳熱介質問題都是高壓和水的相變的問題。但重要的是,使用水作為傳熱介質和工作介質可以減少一道換熱程序,降低了換熱設備的投資,降低了熱損,使整套系統更加簡單。比如在一個槽式電站中,如果采用導熱油作為傳熱介質,需要增加導熱油和水的熱交換工序,一般還需要配置預熱器、蒸發器、過熱器的三級蒸汽發生系統。
為了(le)避(bi)免用(yong)水做(zuo)傳(chuan)熱(re)(re)(re)介(jie)(jie)質帶來(lai)的(de)(de)(de)(de)高(gao)壓和水的(de)(de)(de)(de)相變問題,光熱(re)(re)(re)電站此前(qian)的(de)(de)(de)(de)設計大多(duo)都(dou)采用(yong)導(dao)熱(re)(re)(re)油換熱(re)(re)(re),如(ru)首諾公司(si)的(de)(de)(de)(de)Theminol VP-1和陶氏化(hua)學的(de)(de)(de)(de)Dowtherm A都(dou)是應(ying)用(yong)廣泛的(de)(de)(de)(de)導(dao)熱(re)(re)(re)油品牌。Theminol VP-1的(de)(de)(de)(de)使用(yong)溫度(du)上限為400攝氏度(du),其在高(gao)于400攝氏度(du)的(de)(de)(de)(de)溫度(du)上將出現熱(re)(re)(re)裂(lie)解反應(ying),生(sheng)成易揮發及(ji)較低(di)閃點的(de)(de)(de)(de)低(di)聚(ju)物,低(di)聚(ju)物間發生(sheng)聚(ju)合反應(ying)生(sheng)成不(bu)熔不(bu)溶的(de)(de)(de)(de)高(gao)聚(ju)物,不(bu)僅阻礙油品的(de)(de)(de)(de)流動,降低(di)形(xing)同(tong)的(de)(de)(de)(de)熱(re)(re)(re)傳(chuan)導(dao)效率(lv),同(tong)時(shi)會(hui)造(zao)成管道局部過熱(re)(re)(re)變形(xing)炸裂(lie)的(de)(de)(de)(de)可能(neng)。總的(de)(de)(de)(de)來(lai)看(kan),導(dao)熱(re)(re)(re)油是一(yi)種好的(de)(de)(de)(de)傳(chuan)熱(re)(re)(re)介(jie)(jie)質,但由于溫度(du)的(de)(de)(de)(de)限定使應(ying)用(yong)導(dao)熱(re)(re)(re)油作(zuo)傳(chuan)熱(re)(re)(re)介(jie)(jie)質的(de)(de)(de)(de)光熱(re)(re)(re)電站的(de)(de)(de)(de)效率(lv)難以(yi)更大程度(du)地提高(gao)。
在400攝氏度的溫度下,光熱發電系統的熱電轉換效率可達約37.5%,增加溫度則可以更大程度上提高效率,這就需要進一步增加傳熱介質的工作溫度,而在槽式光熱電站中,增加集熱管中的傳熱介質的溫度需要設計更為優良和精密的集熱器,這可能會帶來成本的上升。
CSP系統要達到更高的運行溫度,必須尋找除水和導熱油之外的傳熱介質,熔鹽是一個方向。常用的熔鹽是在230攝氏度的溫度下將60%硝酸鈉和40%硝酸鉀混合熔化組成的新的結晶物,這種共晶混合物可以在最高600攝氏度的高溫下保持熱化學的穩定性,其可以被應用于槽式和塔式等多種類型的光熱電站中,線聚焦的聚光倍數要遠遠低于點聚焦,因此其應用于塔式電站更容易達到高溫工作狀態。
熔融態的熔鹽類似于流動的紅色的蜂蜜或流動的鐵水,但需要在550攝氏度下才能達到這種狀態,其粘度在此溫度下為1.19毫帕斯卡·秒,約為50攝氏度的水的粘度的兩倍,為400攝氏度下的Therminol VP-1導熱油的粘度的10倍。
定容狀態下,Therminol VP-1和熔鹽的比熱容分別為2.62kJ/kg·℃和1.54kJ/kg·℃,其密度分別為696kg/m3(溫度400攝氏度下)和1730kg/m3(溫度550攝氏度下),熔鹽的比熱容比導熱油要低40%,密度要高2.5倍,由于熔鹽的粘度較高,在一個同樣大小的集熱管中,傳遞相同的熱能,熔鹽的流動速度更慢。
水基本(ben)上可以視為(wei)是(shi)免費(fei)的,而導(dao)熱(re)(re)油(you)和(he)熔(rong)鹽都是(shi)有(you)成本(ben)的,兩者的價(jia)(jia)格(ge)(ge)(ge)與所采用的原材料的價(jia)(jia)格(ge)(ge)(ge)緊密相(xiang)關(guan),一桶原油(you)被提(ti)煉成為(wei)Therminol VP-1或Dowtherm A導(dao)熱(re)(re)油(you)都會(hui)(hui)因汽(qi)油(you)的價(jia)(jia)格(ge)(ge)(ge)波動而波動,如果(guo)汽(qi)油(you)價(jia)(jia)格(ge)(ge)(ge)上漲,導(dao)熱(re)(re)油(you)價(jia)(jia)格(ge)(ge)(ge)自然上漲。歸根結底是(shi)與原油(you)價(jia)(jia)格(ge)(ge)(ge)相(xiang)關(guan),同(tong)樣,熔(rong)鹽的價(jia)(jia)格(ge)(ge)(ge)也會(hui)(hui)跟隨農產品的化(hua)肥價(jia)(jia)格(ge)(ge)(ge)變(bian)動而變(bian)動。
2013年3月,Therminol?導熱油的價格約為1萬美元/噸,而熔鹽的到岸價(到達美國西海岸港口)僅825美元/噸。傳熱和儲熱介質的成本是光熱電站總投資中較大的一部分,熔鹽可以在作為傳熱介質的同時作為儲熱介質,這是唯一的一種在成本上可以與其它大規模儲電技術對抗的儲熱技術。