以色列和法國科學(xué)家最近的研究表明，將超大規(guī)模的光伏與熔鹽儲槽連接起來，對于高能耗地區(qū)來說是一種可行的能源技術(shù)解決方案。
在《可再生和可持續(xù)能源評論》(Renewable and Sustainable Energy Reviews)上發(fā)表的一項研究中，利用光伏和熔鹽儲存提供大規(guī)模電力需求，研究人員提出了一個模型，在太陽直射光束輻射低、全球太陽輻射水平高的地區(qū)，將公用設(shè)施規(guī)模的太陽能發(fā)電與高溫熔鹽儲存相結(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)濟性”，被稱為“準備立即實施”，代表了CSP熔鹽塔的替代品，在CSP技術(shù)被認為不可行的地區(qū)，因為集中器不能利用漫射的太陽輻射。學(xué)者們解釋說：“這里的目標不是針對具體地點的精確答案，而是要看看光伏系統(tǒng)規(guī)模、存儲容量、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)生的太陽能的相當(dāng)一部分將被用來對熔鹽儲熱器進行電阻加熱，使其溫度超過565攝氏度，而儲存的熱能又將被用來驅(qū)動高效的過熱汽輪機發(fā)電。
以色列-法國小組進行的模擬顯示，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的30%左右提高到僅使用12小時蓄熱時的80%左右。該組織進一步解釋說：“此外，只要增加25%的太陽能投入，就可以實現(xiàn)90%的電網(wǎng)普及率。對于日照較高的地區(qū)，比例可以保持在90%左右，額外25%的太陽能輸入可以將電網(wǎng)穿透率提高到95%左右。”
在此類項目中，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段的電力需求。”研究人員還補充說，平均約0.64km2的土地面積對于一個太瓦時的年發(fā)電量是必要的。
根據(jù)他們的說法，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)在一些國家退役的化石燃料和核電站中運行的大型汽輪機相結(jié)合。
研究結(jié)果僅涉及美國領(lǐng)土，但可以擴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：“對于平均日照比美國高的地區(qū)——其中一些地區(qū)的電力需求狀況恰好與太陽能利用率有更好的關(guān)聯(lián)——每千瓦時用電量的光伏和存儲需求將更低。此外，向全電動汽車的過渡可能會增加白天電力需求的比例，因為白天大部分的電動汽車都會進行充電。”
俄羅斯、前蘇維埃共和國、日本、北亞和中北歐與美國一起被指出是最適合部署PV-TS項目的地區(qū)。
該研究團隊由以色列本古里安內(nèi)蓋夫大學(xué)、法國艾克斯馬賽大學(xué)和法國國家太陽能聚光系統(tǒng)研發(fā)實驗室Promes的科學(xué)家組成。
什么是熔鹽儲能技術(shù)?
盡管太陽能技術(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，其運行狀況無法預(yù)測。但是，利用熔融鹽的高效特性進行熱傳遞，一種技術(shù)可以將電力生產(chǎn)與天氣波動隔離開來，更重要的是，它可以根據(jù)需要分配電力而無需使用天然氣。這項技術(shù)是一種集中式太陽能(CSP)技術(shù)，圍繞專有的中央接收塔和熔融鹽回路而構(gòu)建。
熔鹽儲能使用鹽作為熱能存儲介質(zhì)。液態(tài)鹽被泵送通過面板或電加熱器，在將其加熱到儲熱罐或蒸汽發(fā)生器之前，先將其加熱到570°C。在這里，它產(chǎn)生過熱的蒸汽來驅(qū)動渦輪。液態(tài)鹽保存在絕緣的儲罐中，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容量。它是存儲可再生能源的可靠選擇，并且是對現(xiàn)有基礎(chǔ)架構(gòu)和系統(tǒng)的靈活，經(jīng)濟高效的補充。
蓄熱被認為是可再生能源的未來，因為與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)提供了一個額外的好處：允許對工廠進行設(shè)計以優(yōu)化電力負荷曲線，以滿足特定的市場需求。例如，可以設(shè)計一個工廠以在需求高峰期最大化發(fā)電量，或者在太陽下山后繼續(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)太陽開始發(fā)光時會收集太陽能，但是大約在6小時后會發(fā)電，以便在需求高峰期發(fā)電。紅線表示直接的太陽輻射，藍線表示未保存的生產(chǎn)曲線，藍點虛線表示已保存6小時的生產(chǎn)曲線。
技術(shù)說明
蓄熱技術(shù)采用太陽能“電力塔”設(shè)計，該技術(shù)通過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，一個稱為定日鏡的太陽跟蹤鏡用于將太陽輻射反射并聚集到接收器上(步驟1)。在Solar Reserve的太陽能二號設(shè)施，熔融鹽通過接收器中的管道循環(huán)，收集從太陽收集的能量(步驟2)。然后將熱的熔融鹽輸送到隔熱的熱儲罐，在其中可以以最小的能量損失存儲能量(步驟3)。當(dāng)要發(fā)電時，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)蒸汽輪機提供動力，以發(fā)電(步驟4)。離開蒸汽發(fā)生器后，將熔融鹽送入冷鹽儲熱罐(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，熔點為460°F。在液態(tài)下，熔融鹽的粘度和外觀類似于水。“在太陽能應(yīng)用中，出于多種實際原因使用熔融鹽，”SolarReserve首席執(zhí)行官Terry Murphy說，他與其他人一起幫助Rocketdyne開發(fā)了熔融鹽技術(shù)。熔融鹽是一種儲熱介質(zhì)，可以隨著時間的推移非常有效地保留熱能，并且可以在高于1000°F的溫度下運行，與最高效的蒸汽輪機非常匹配。其次，它在工廠的整個運行過程中保持液態(tài)，這將改善長期可靠性并降低運維成本。第三，它是完全“綠色”的熔融鹽，是一種無毒，易于獲得的材料，
熔融鹽中央接收器技術(shù)的主要優(yōu)點是可以將熔融鹽加熱到1050°F，從而可以在公用事業(yè)標準溫度(最低1650 psi，1025°F)下生成高能蒸汽，從而實現(xiàn)高熱力循環(huán)效率在現(xiàn)代蒸汽輪機系統(tǒng)中約占40%。在保持這種高循環(huán)效率的同時，還允許使用干式冷卻塔，這在具有最佳太陽能潛力的干旱國家中很重要。通過接收器的熔融鹽傳熱回路與主蒸汽溫度和壓力隔離，從而通過使用低壓鹽管道節(jié)省了成本。最后，該系統(tǒng)的設(shè)計目的是將熔融鹽回路的長度最小化到小于2500英尺，并對其進行熱跟蹤以防止“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能熱技術(shù)。槽式工廠將需要一個附加的熱交換器，以將能量從工作流體傳遞到存儲裝置，并將存儲的能量傳遞回蒸汽系統(tǒng)。據(jù)估計，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7%。另外，槽式設(shè)備只能達到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。
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