SkyFuel公司創(chuàng)始人談光熱發(fā)電傳熱介質(zhì)的選擇
來源：CSPPLAZA光熱發(fā)電網(wǎng) | 0評論 | 10546查看 | 2013-04-28 11:45:00
CSPPLAZA光熱發(fā)電網(wǎng)報道：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估了當(dāng)前主要應(yīng)用的傳熱介質(zhì)和面臨的問題。
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。聚光太陽能集熱器所能實現(xiàn)的溫度范疇從環(huán)境溫度到約1000攝氏度不等，根據(jù)不同的運行溫度需求來選擇合適的傳熱介質(zhì)。
水在持續(xù)增溫增壓時要經(jīng)歷一個相變過程：即從水到蒸汽的發(fā)生過程，水的臨界溫度為374.5攝氏度，即超過這一溫度，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)面臨的主要問題就是系統(tǒng)壓力過大，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個大氣壓），此時僅僅再使水溫增加25攝氏度，相當(dāng)于增加4%的絕對溫度，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攝氏度的過熱干蒸汽來驅(qū)動汽輪機發(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管壁造成破壞，需要增加管壁的厚度，厚度增加又會降低熱量傳導(dǎo)，影響其集熱效率。儲水容器也需要建設(shè)的足更大。
應(yīng)用水作為傳熱介質(zhì)問題都是高壓和水的相變的問題。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)更加簡單。比如在一個槽式電站中，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、過熱器的三級蒸汽發(fā)生系統(tǒng)。
為了避免用水做傳熱介質(zhì)帶來的高壓和水的相變問題，光熱電站此前的設(shè)計大多都采用導(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，降低形同的熱傳導(dǎo)效率，同時會造成管道局部過熱變形炸裂的可能?？偟膩砜?，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)計更為優(yōu)良和精密的集熱器，這可能會帶來成本的上升。
CSP系統(tǒng)要達(dá)到更高的運行溫度，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)的熔鹽類似于流動的紅色的蜂蜜或流動的鐵水，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，在一個同樣大小的集熱管中，傳遞相同的熱能，熔鹽的流動速度更慢。
水基本上可以視為是免費的，而導(dǎo)熱油和熔鹽都是有成本的，兩者的價格與所采用的原材料的價格緊密相關(guān)，一桶原油被提煉成為Therminol VP-1或Dowtherm A導(dǎo)熱油都會因汽油的價格波動而波動，如果汽油價格上漲，導(dǎo)熱油價格自然上漲。歸根結(jié)底是與原油價格相關(guān)，同樣，熔鹽的價格也會跟隨農(nóng)產(chǎn)品的化肥價格變動而變動。
2013年3月，Therminol?導(dǎo)熱油的價格約為1萬美元/噸，而熔鹽的到岸價（到達(dá)美國西海岸港口）僅825美元/噸。傳熱和儲熱介質(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)的同時作為儲熱介質(zhì)，這是唯一的一種在成本上可以與其它大規(guī)模儲電技術(shù)對抗的儲熱技術(shù)。
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