沙子储热光热发电储热技术的可选之道？

来源：CSPPLAZA发布时间：2014-06-26 16:13:53

索比光伏网讯:阿联酋马斯达尔理工学院(MasdarInstitute）和美国太阳能控股公司（USSolarHoldings）等一些单位当前都在推进研发一种新型储热技术，即将极为常见的沙子作为光热发电的传热和储热介质，这种技术是否有潜力成为光热发电高效低成本储热系统的未来之道呢？

SANDSTOCK项目

2013年9月，马斯达尔理工学院的一个研究项目团队开始进行一个新的储热项目，称之为SANDSTOCK，目标是开发一种可持续的、低成本的、可以通过重力实现自动装卸的太阳能集热和储热系统，其采用沙子微粒作为集热器的传热介质和储热介质。

马斯达尔理工学院储热项目领头人NicolasCalvet在其发表的一篇文章中如是表示，“沙子有一些优秀的属性，它首先是廉价的，同时可以在1000摄氏度的高温下使用，而熔盐的使用温度仅在600摄氏度。更高的温度可以带来更热的蒸汽，从而带来更高的发电效率。”

这种设计理念的灵感来自于古老的计时装置沙漏。其系统构造和常见的双罐熔盐储热类似，主要由冷罐和热罐组成，冷罐置于上方，热罐置于下方，冷罐的温度大约维持在250摄氏度左右，沙子在未流入热罐之前在冷罐中存储，冷罐采用类空心圆柱体的设计，整体截面类似于一个内置空心圆台的圆柱体。热罐与冷罐之间另外设置一个圆台体，冷罐中的空心圆台的底部通过一个阀门与下方的圆台相连，形成类似于沙漏的形态。

图：马斯达尔理工学院的设计

打开冷罐的阀门后，沙子从冷罐中流出，经下方的接合处流入热罐，接合处同时是被聚光后的太阳光线的焦点，沙子在接合处被迅速烧热，存储于热罐中，在需要时再释放热能。热罐内部嵌入一个换热器，水经过预热器、蒸发器和过热器产生过热蒸汽，驱动汽轮机发电。高温沙子释放能量后利用机械输送装置输回至冷罐，等待进入下一个循环。从而实现可持续的密闭循环工序。

但要实现这种储热系统的应用，需要采用二次反射式的聚光系统。如上图所示，反射镜反射的太阳光经二次反射镜反射聚集至沙子流经的接合处将其加热。阿联酋Masdar在2010年1月份建成全球首个基于二次反射原理的塔式光热发电示范项目，装机容量100kWth。该项目由马斯达尔理工学院和日本东京工业大学等单位共同设计，并由日本三井造船株式会社建设完成。

NicolasCalvet博士表示，“我们希望开发一种新的可持续的技术，可以采用丰富的本土储热材料来替代从智利进口数千吨的熔盐，沙子就是阿联酋的一种很常见的低成本的储量丰富的材料，在800摄氏度的高温下也十分稳定。”Calvet表示，要做好这项研究，首先需要选择最合适的沙子。我们需要在阿联酋各大沙漠和海岸地区找各种不同种类的沙子，研究各种沙子的热学特性，通过采用先进的显微镜来确定沙子微粒的形状，找到最适合采用重力自动运输的沙粒。

NicolasCalvet认为在光热发电系统中采用沙子储热主要的技术、运行和成本优势在于可以实现更高的运行温度和更低的成本，沙子通过重力作用可以轻松实现从上到下的输送。

但他也承认在将沙子储热推向大规模商业化应用之前，有一系列的技术以及财务方面的挑战需要克服。主要的技术挑战在于如何在沙子通过太阳光焦点辐射带时使其迅速存储热能，另外还有如何提高沙子释放热能时的效率。

Calvet表示，“我们将首先在我们已经建成的二次反射塔式示范项目上验证这一概念设计，然后再考虑将其规模扩大，通过示范项目的成功验证，我们才有更确定的理由说服潜在投资商持续投资于此项技术的开发。”

SandShifter项目

另外，美国太阳能控股公司研究的沙子传热储热系统不同于马斯达尔理工学院的设计，其采用两个筒仓作为存储罐，称之为“SandShifter”。该项目还获得了美国能源部SunShot计划的资金支持。其目标是将储热的成本削减至15美元/kWh以下。