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SkyFuel公司創(chuàng)始人談光熱發(fā)電傳熱介質(zhì)的選擇
來(lái)源:CSPPLAZA光熱發(fā)電網(wǎng) | 0評(píng)論 | 10595查看 | 2013-04-28 11:45:00    
  CSPPLAZA光熱發(fā)電網(wǎng)報(bào)道:SkyFuel公司前CEO兼創(chuàng)始人Arnold Leitner日前撰文談光熱發(fā)電傳熱介質(zhì)的選擇和應(yīng)用,其從溫度、成本和效率三方面評(píng)估了當(dāng)前主要應(yīng)用的傳熱介質(zhì)和面臨的問(wèn)題。

圖:高溫用導(dǎo)熱油


  當(dāng)前全球的商業(yè)化光熱電站中有所應(yīng)用的傳熱介質(zhì)大致有三種:水、導(dǎo)熱油、熔鹽,這三種介質(zhì)的應(yīng)用明顯不同。聚光太陽(yáng)能集熱器所能實(shí)現(xiàn)的溫度范疇從環(huán)境溫度到約1000攝氏度不等,根據(jù)不同的運(yùn)行溫度需求來(lái)選擇合適的傳熱介質(zhì)。

  水在持續(xù)增溫增壓時(shí)要經(jīng)歷一個(gè)相變過(guò)程:即從水到蒸汽的發(fā)生過(guò)程,水的臨界溫度為374.5攝氏度,即超過(guò)這一溫度,水將全部以氣態(tài)的方式存在,又稱超臨界水。使用水作為傳熱介質(zhì)面臨的主要問(wèn)題就是系統(tǒng)壓力過(guò)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(dá)到87bar(相當(dāng)于86個(gè)大氣壓),此時(shí)僅僅再使水溫增加25攝氏度,相當(dāng)于增加4%的絕對(duì)溫度,就將使壓力增加40%達(dá)到122bar,87bar的壓力已經(jīng)需要很厚的鋼制管道壁,如果要得到550攝氏度的過(guò)熱干蒸汽來(lái)驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電,則需要達(dá)到的壓力為160bar。這將需要建設(shè)足夠厚的承壓系統(tǒng),會(huì)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(duì)管壁造成破壞,需要增加管壁的厚度,厚度增加又會(huì)降低熱量傳導(dǎo),影響其集熱效率。儲(chǔ)水容器也需要建設(shè)的足更大。 

  應(yīng)用水作為傳熱介質(zhì)問(wèn)題都是高壓和水的相變的問(wèn)題。但重要的是,使用水作為傳熱介質(zhì)和工作介質(zhì)可以減少一道換熱程序,降低了換熱設(shè)備的投資,降低了熱損,使整套系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單。比如在一個(gè)槽式電站中,如果采用導(dǎo)熱油作為傳熱介質(zhì),需要增加導(dǎo)熱油和水的熱交換工序,一般還需要配置預(yù)熱器、蒸發(fā)器、過(guò)熱器的三級(jí)蒸汽發(fā)生系統(tǒng)。

  為了避免用水做傳熱介質(zhì)帶來(lái)的高壓和水的相變問(wèn)題,光熱電站此前的設(shè)計(jì)大多都采用導(dǎo)熱油換熱,如首諾公司的Theminol VP-1和陶氏化學(xué)的Dowtherm A都是應(yīng)用廣泛的導(dǎo)熱油品牌。Theminol VP-1的使用溫度上限為400攝氏度,其在高于400攝氏度的溫度上將出現(xiàn)熱裂解反應(yīng),生成易揮發(fā)及較低閃點(diǎn)的低聚物,低聚物間發(fā)生聚合反應(yīng)生成不熔不溶的高聚物,不僅阻礙油品的流動(dòng),降低形同的熱傳導(dǎo)效率,同時(shí)會(huì)造成管道局部過(guò)熱變形炸裂的可能??偟膩?lái)看,導(dǎo)熱油是一種好的傳熱介質(zhì),但由于溫度的限定使應(yīng)用導(dǎo)熱油作傳熱介質(zhì)的光熱電站的效率難以更大程度地提高。

  在400攝氏度的溫度下,光熱發(fā)電系統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)約37.5%,增加溫度則可以更大程度上提高效率,這就需要進(jìn)一步增加傳熱介質(zhì)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(zhì)的溫度需要設(shè)計(jì)更為優(yōu)良和精密的集熱器,這可能會(huì)帶來(lái)成本的上升。

  CSP系統(tǒng)要達(dá)到更高的運(yùn)行溫度,必須尋找除水和導(dǎo)熱油之外的傳熱介質(zhì),熔鹽是一個(gè)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(jié)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(xué)的穩(wěn)定性,其可以被應(yīng)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(shù)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于點(diǎn)聚焦,因此其應(yīng)用于塔式電站更容易達(dá)到高溫工作狀態(tài)。

  熔融態(tài)的熔鹽類似于流動(dòng)的紅色的蜂蜜或流動(dòng)的鐵水,但需要在550攝氏度下才能達(dá)到這種狀態(tài),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(dǎo)熱油的粘度的10倍。

  定容狀態(tài)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(dǎo)熱油要低40%,密度要高2.5倍,由于熔鹽的粘度較高,在一個(gè)同樣大小的集熱管中,傳遞相同的熱能,熔鹽的流動(dòng)速度更慢。

  水基本上可以視為是免費(fèi)的,而導(dǎo)熱油和熔鹽都是有成本的,兩者的價(jià)格與所采用的原材料的價(jià)格緊密相關(guān),一桶原油被提煉成為Therminol VP-1或Dowtherm A導(dǎo)熱油都會(huì)因汽油的價(jià)格波動(dòng)而波動(dòng),如果汽油價(jià)格上漲,導(dǎo)熱油價(jià)格自然上漲。歸根結(jié)底是與原油價(jià)格相關(guān),同樣,熔鹽的價(jià)格也會(huì)跟隨農(nóng)產(chǎn)品的化肥價(jià)格變動(dòng)而變動(dòng)。

  2013年3月,Therminol?導(dǎo)熱油的價(jià)格約為1萬(wàn)美元/噸,而熔鹽的到岸價(jià)(到達(dá)美國(guó)西海岸港口)僅825美元/噸。傳熱和儲(chǔ)熱介質(zhì)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(zhì)的同時(shí)作為儲(chǔ)熱介質(zhì),這是唯一的一種在成本上可以與其它大規(guī)模儲(chǔ)電技術(shù)對(duì)抗的儲(chǔ)熱技術(shù)。
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