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以色列和法國(guó)科學(xué)家最近的研究表明，將超大規(guī)模的光伏與熔鹽儲(chǔ)槽連接起來(lái)，對(duì)于高能耗地區(qū)來(lái)說(shuō)是一種可行的能源技術(shù)解決方案。

在《可再生和可持續(xù)能源評(píng)論》(Renewable and Sustainable Energy Reviews)上發(fā)表的一項(xiàng)研究中，利用光伏和熔鹽儲(chǔ)存提供大規(guī)模電力需求，研究人員提出了一個(gè)模型，在太陽(yáng)直射光束輻射低、全球太陽(yáng)輻射水平高的地區(qū)，將公用設(shè)施規(guī)模的太陽(yáng)能發(fā)電與高溫熔鹽儲(chǔ)存相結(jié)合。

學(xué)者們提出的光伏加蓄熱(PV-TS)解決方案，由于光伏技術(shù)提供了“非常有利的經(jīng)濟(jì)性”，被稱(chēng)為“準(zhǔn)備立即實(shí)施”，代表了CSP熔鹽塔的替代品，在CSP技術(shù)被認(rèn)為不可行的地區(qū)，因?yàn)榧衅鞑荒芾寐涞奶?yáng)輻射。學(xué)者們解釋說(shuō)：“這里的目標(biāo)不是針對(duì)具體地點(diǎn)的精確答案，而是要看看光伏系統(tǒng)規(guī)模、存儲(chǔ)容量、電網(wǎng)滲透水平和成本估算的大小是否可行。”

在PV-TS裝置中，所產(chǎn)生的太陽(yáng)能的相當(dāng)一部分將被用來(lái)對(duì)熔鹽儲(chǔ)熱器進(jìn)行電阻加熱，使其溫度超過(guò)565攝氏度，而儲(chǔ)存的熱能又將被用來(lái)驅(qū)動(dòng)高效的過(guò)熱汽輪機(jī)發(fā)電。

以色列-法國(guó)小組進(jìn)行的模擬顯示，在某些地區(qū)，光伏發(fā)電的電網(wǎng)穿透率可以從不使用蓄熱時(shí)的30%左右提高到僅使用12小時(shí)蓄熱時(shí)的80%左右。該組織進(jìn)一步解釋說(shuō)：“此外，只要增加25%的太陽(yáng)能投入，就可以實(shí)現(xiàn)90%的電網(wǎng)普及率。對(duì)于日照較高的地區(qū)，比例可以保持在90%左右，額外25%的太陽(yáng)能輸入可以將電網(wǎng)穿透率提高到95%左右。”

在此類(lèi)項(xiàng)目中，光伏發(fā)電廠的規(guī)模不應(yīng)定為需要滿足特定白天高峰需求的公共設(shè)施，大部分發(fā)電應(yīng)用于熔鹽罐中的蓄熱。研究人員指出：“儲(chǔ)存的熱量不僅能滿足夜間的電力需求，而且能滿足白天次高峰日照時(shí)段的電力需求。”研究人員還補(bǔ)充說(shuō)，平均約0.64km2的土地面積對(duì)于一個(gè)太瓦時(shí)的年發(fā)電量是必要的。

根據(jù)他們的說(shuō)法，研究中提出的“非常規(guī)”解決方案也可能與屋頂光伏陣列和已經(jīng)在一些國(guó)家退役的化石燃料和核電站中運(yùn)行的大型汽輪機(jī)相結(jié)合。

研究結(jié)果僅涉及美國(guó)領(lǐng)土，但可以擴(kuò)展到氣候條件和公用事業(yè)需求概況相似的所有地區(qū)。論文指出：“對(duì)于平均日照比美國(guó)高的地區(qū)——其中一些地區(qū)的電力需求狀況恰好與太陽(yáng)能利用率有更好的關(guān)聯(lián)——每千瓦時(shí)用電量的光伏和存儲(chǔ)需求將更低。此外，向全電動(dòng)汽車(chē)的過(guò)渡可能會(huì)增加白天電力需求的比例，因?yàn)榘滋齑蟛糠值碾妱?dòng)汽車(chē)都會(huì)進(jìn)行充電。”

俄羅斯、前蘇維埃共和國(guó)、日本、北亞和中北歐與美國(guó)一起被指出是最適合部署PV-TS項(xiàng)目的地區(qū)。

該研究團(tuán)隊(duì)由以色列本古里安內(nèi)蓋夫大學(xué)、法國(guó)艾克斯馬賽大學(xué)和法國(guó)國(guó)家太陽(yáng)能聚光系統(tǒng)研發(fā)實(shí)驗(yàn)室Promes的科學(xué)家組成。

什么是熔鹽儲(chǔ)能技術(shù)?

盡管太陽(yáng)能技術(shù)得到了廣泛使用，但它們卻受到大多數(shù)可再生技術(shù)的限制：由于天氣變化，其運(yùn)行狀況無(wú)法預(yù)測(cè)。但是，利用熔融鹽的高效特性進(jìn)行熱傳遞，一種技術(shù)可以將電力生產(chǎn)與天氣波動(dòng)隔離開(kāi)來(lái)，更重要的是，它可以根據(jù)需要分配電力而無(wú)需使用天然氣。這項(xiàng)技術(shù)是一種集中式太陽(yáng)能(CSP)技術(shù)，圍繞專(zhuān)有的中央接收塔和熔融鹽回路而構(gòu)建。

熔鹽儲(chǔ)能使用鹽作為熱能存儲(chǔ)介質(zhì)。液態(tài)鹽被泵送通過(guò)面板或電加熱器，在將其加熱到儲(chǔ)熱罐或蒸汽發(fā)生器之前，先將其加熱到570°C。在這里，它產(chǎn)生過(guò)熱的蒸汽來(lái)驅(qū)動(dòng)渦輪。液態(tài)鹽保存在絕緣的儲(chǔ)罐中，可以在其中調(diào)節(jié)體積，以提供每種應(yīng)用和位置所需的存儲(chǔ)容量。它是存儲(chǔ)可再生能源的可靠選擇，并且是對(duì)現(xiàn)有基礎(chǔ)架構(gòu)和系統(tǒng)的靈活，經(jīng)濟(jì)高效的補(bǔ)充。

蓄熱被認(rèn)為是可再生能源的未來(lái)，因?yàn)榕c許多間歇性可再生資源(例如風(fēng)能)不同，蓄熱提供了具有穩(wěn)定容量和可調(diào)度性的“零排放”技術(shù)。蓄熱系統(tǒng)提供了一個(gè)額外的好處：允許對(duì)工廠進(jìn)行設(shè)計(jì)以?xún)?yōu)化電力負(fù)荷曲線，以滿足特定的市場(chǎng)需求。例如，可以設(shè)計(jì)一個(gè)工廠以在需求高峰期最大化發(fā)電量，或者在太陽(yáng)下山后繼續(xù)發(fā)電。

圖1顯示了如何利用蓄熱系統(tǒng)將電力生產(chǎn)“轉(zhuǎn)移”到需求高峰期。當(dāng)太陽(yáng)開(kāi)始發(fā)光時(shí)會(huì)收集太陽(yáng)能，但是大約在6小時(shí)后會(huì)發(fā)電，以便在需求高峰期發(fā)電。紅線表示直接的太陽(yáng)輻射，藍(lán)線表示未保存的生產(chǎn)曲線，藍(lán)點(diǎn)虛線表示已保存6小時(shí)的生產(chǎn)曲線。

技術(shù)說(shuō)明

蓄熱技術(shù)采用太陽(yáng)能“電力塔”設(shè)計(jì)，該技術(shù)通過(guò)將能量集中在安裝在塔上的中央熱交換器或接收器上，從日光中發(fā)電。

如上圖所示，一個(gè)稱(chēng)為定日鏡的太陽(yáng)跟蹤鏡用于將太陽(yáng)輻射反射并聚集到接收器上(步驟1)。在Solar Reserve的太陽(yáng)能二號(hào)設(shè)施，熔融鹽通過(guò)接收器中的管道循環(huán)，收集從太陽(yáng)收集的能量(步驟2)。然后將熱的熔融鹽輸送到隔熱的熱儲(chǔ)罐，在其中可以以最小的能量損失存儲(chǔ)能量(步驟3)。當(dāng)要發(fā)電時(shí)，熱的熔融鹽被送至熱交換器(或蒸汽發(fā)生器)，并用于產(chǎn)生高溫高壓的蒸汽。然后，將蒸汽用于為常規(guī)蒸汽輪機(jī)提供動(dòng)力，以發(fā)電(步驟4)。離開(kāi)蒸汽發(fā)生器后，將熔融鹽送入冷鹽儲(chǔ)熱罐(步驟5)并重復(fù)該循環(huán)。

該鹽是硝酸鈉和硝酸鉀的混合物，熔點(diǎn)為460°F。在液態(tài)下，熔融鹽的粘度和外觀類(lèi)似于水。“在太陽(yáng)能應(yīng)用中，出于多種實(shí)際原因使用熔融鹽，”SolarReserve首席執(zhí)行官Terry Murphy說(shuō)，他與其他人一起幫助Rocketdyne開(kāi)發(fā)了熔融鹽技術(shù)。熔融鹽是一種儲(chǔ)熱介質(zhì)，可以隨著時(shí)間的推移非常有效地保留熱能，并且可以在高于1000°F的溫度下運(yùn)行，與最高效的蒸汽輪機(jī)非常匹配。其次，它在工廠的整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中保持液態(tài)，這將改善長(zhǎng)期可靠性并降低運(yùn)維成本。第三，它是完全“綠色”的熔融鹽，是一種無(wú)毒，易于獲得的材料，

熔融鹽中央接收器技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是可以將熔融鹽加熱到1050°F，從而可以在公用事業(yè)標(biāo)準(zhǔn)溫度(最低1650 psi，1025°F)下生成高能蒸汽，從而實(shí)現(xiàn)高熱力循環(huán)效率在現(xiàn)代蒸汽輪機(jī)系統(tǒng)中約占40%。在保持這種高循環(huán)效率的同時(shí)，還允許使用干式冷卻塔，這在具有最佳太陽(yáng)能潛力的干旱國(guó)家中很重要。通過(guò)接收器的熔融鹽傳熱回路與主蒸汽溫度和壓力隔離，從而通過(guò)使用低壓鹽管道節(jié)省了成本。最后，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目的是將熔融鹽回路的長(zhǎng)度最小化到小于2500英尺，并對(duì)其進(jìn)行熱跟蹤以防止“凍結(jié)”。

已經(jīng)確定了使用熔融鹽的蓄熱系統(tǒng)可與其他太陽(yáng)能技術(shù)一起使用，例如拋物線槽系統(tǒng)，這是迄今為止安裝的主要太陽(yáng)能熱技術(shù)。槽式工廠將需要一個(gè)附加的熱交換器，以將能量從工作流體傳遞到存儲(chǔ)裝置，并將存儲(chǔ)的能量傳遞回蒸汽系統(tǒng)。據(jù)估計(jì)，槽式設(shè)備所需的附加熱交換器導(dǎo)致循環(huán)效率損失高達(dá)7%。另外，槽式設(shè)備只能達(dá)到700°F的高溫工作流體溫度，因此，作為集成式蓄熱系統(tǒng)(蓄能溫度為1050°F)，需要大約3倍的蓄熱量才能產(chǎn)生給定的電量。