颗粒塔式光热发电系统将如何提升重达数吨热沙？

美国Sandia实验室最近发表一篇论文，关于在塔式太阳能热（CSP）发电技术中，使用铝土矿等沙子颗粒作为传热介质在高达1500°C的温度下传递热量的传热成本分析。

该课题是首批全面研究集成组件系统（如用于运输沙子的起重器和输送机）的研究之一。研究发现，移动大量的热颗粒是可行的，只是需要多个提升机或数条输送线，而且整个系统平准化度电成本可能高达1美分/千瓦时。

约3吨的热沙在任何时候都会自由落体约5秒钟，以每秒60米的速度撞击下面的反应堆。IMAGE@Sandia

研究人员对100 MWe太阳能热发电项目中的高温颗粒输送组件的设计和技术经济分析，建议系统设计人员尽可能使用基于重力的方法，以满足美国能源部设定的到2030年5美分/千瓦时的LCOE总体目标。

为什么要采用沙子等颗粒作为传热介质？

就新一代塔式光热发电技术而言，研究用于收集和传递太阳热量的沙粒介质很重要。由于大多数陶瓷颗粒都可以承受高达1500°C以及更高的温度，这不仅使电力生产更加高效，而且在难以脱碳的工业中还可以直接替代化石燃料。如在水泥和钢铁生产通常需要高温，这使得这项技术对于实现整体二氧化碳排放目标具有独特的重要性。

在这项技术中，沙粒在塔顶被太阳场中数千面镜子反射的集中阳光加热后，从开放式吸热器上落下，利用重力，沙粒从吸热器下落到储热罐，通过热交换器落到底部的冷罐里，然后返回塔上进行再加热以恢复循环。

然而，携带如此多的沙粒也带来了工程上的挑战，不仅要将塔架抬高到吸热塔项部260米处，还要将其水平输送到可以掉落的地方。因此，其中一个关键考虑因素是如何移动如此多的沙粒。如果将这种沙粒作为传储热介质的太阳能技术用于在商业项目，取代化石燃料热量，其规模约为100 - 150 MWe，这将涉及超过50000吨的连续循环沙粒。而几乎3吨的沙粒在任何时候都会自由落体约5秒，以每秒60米的速度撞击下面的反应堆。

向采矿业借款

在这项新研究中，Sandia研究人员利用采矿提升机的经验，确定了适用于基于颗粒的光热发电技术，在商用颗粒处理和输送组件的技术准备水平、性能限制、资本和运营成本，以及预期热损失。

“我们研究了水平输送，”主要作者Jeremy Sment指出。“将沙粒水平移动到下一个组件的成本是多少？在这个温度下容纳5000万公斤的颗粒，并将它们提升到250米高的塔顶，到底要花多少钱。我曾与起重机专家、输送机制造商和筒仓设计工程师合作，我们得出的结论是，这完全有可能的符合SETO的电力成本目标。

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他补充说：“我们还研究了通过重力移动颗粒的塔式集成系统，绕过组件之间移动颗粒所需的输送机械。我们开发了一个塔式集成存储模型，该模型表明了塔壁中需要多少材料来支撑这些颗粒。粗略估计，这可能需要900万到1300万美元用于垂直集成系统的额外混凝土、额外钢筋等材料费用。”

当然，这种设计有望降低LCOE。然而，以前从未建造过具有大量存储空间的太阳能塔，这需要更多的工作来量化额外的加固，以支撑塔中所含颗粒的全部重量。

工作进展

虽然简单的溜槽在直觉上似乎是卸载沙子的最便宜的选择，因为它们只是依靠重力便可以输送沙粒。但Sment发现，如果需要增加塔的额外高度来支撑从箕斗到吸热器的斜槽，那么额外建造塔的成本实际上，并不是好的选择。

论文表示，颗粒系统的吸热塔可能需要更高，以适应跳跃的倾覆半径，排放箱，吸热器的倾斜管道系统，以及颗粒堆的额外高度，足以覆盖吸热器的宽度。

“你必须把塔顶抬高到足以在吸热器顶部安装一个料斗，该料斗可以将颗粒流入吸热器，”Sment说。“这是昂贵的钢铁工程。因此，一旦这些倾斜度变得如此之高，以至于塔壁必须延伸，机械输送机就开始成为颗粒处理的低成本选择。

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“早期的论文的结果有点令人沮丧，”他承认。“我们不得不用一些不同的想法重新计算，这些想法并不依赖于增加塔的高度，我认为这更适合6美分到5美分的目标。

更好的方法可能是在塔内跳跃，将其装载的颗粒直接倾倒到吸热器上方的盒子中。

他解释：“如果在塔内不需要水平输送，因为跳跃可以设计为直接排放到吸热器中。但我不知道是否要使用滑槽或者使用输送机。这些都需要充分了解吸热塔的成本，才能真正做出这一决定。”

对商业化选择的由调研表明，热储存罐必须在热交换器上方。

“我们已经考虑将储能提升到热交换器上方，”Sment说。“因为现在天气太热了，无法移动800至1000°C的颗粒。如果没有昂贵的金属合金，任何超过640°C的东西都可能令人望而却步，因为我们不希望输送机冷却系统或露天通风从颗粒中吸收热量，因此它们受到钢的软化点的限制。通过抬高储料箱，可以将其直接排放到热交换器中，从而将加热的颗粒降低到约500°C，在那里它们可以安全地移动到颗粒输送机中。

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为了在颗粒冷却后在塔底进行这种水平输送，意大利的一家公司Magaldi拥有专利权的Eco Belt技术，将能够处理约640°C的颗粒，产能高达每小时1800吨。

“我们会同时对它们进行编号，以获得我们需要的能力。对于大约700万美元的设备，我们可以使用2台输送机将1000公斤/秒的颗粒从热交换器下方移动到冷罐中。“他指出。

Sment强调，这种对现实世界成本的技术经济比较是一项正在进行的工作。例如，使用两个跳跃式提升机来提升沙子将超过美国能源部的成本目标。但是，一台跳跃式提升机将接近采矿业先例的重量限制。

除了对输送系统进行编号外，还有一些系统设计因素会影响流速;这包括粒子类型、粒子温度和热能储存能力。这些变化可能会影响接收器或热交换器的选择，或者可能会在相关组件中产生工程返工，这可能会影响最佳性能，因此需要更多的系统分析。

存在许多不确定性，需要更多的研究和开发，但这让基于粒子的CSP开发人员了解粒子循环系统的成本和局限性。