中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：光熱發(fā)電技術(shù)經(jīng)歷了水、導(dǎo)熱油、熔鹽為介質(zhì)的迭代升級(jí)。當(dāng)前，槽式技術(shù)的首選導(dǎo)熱介質(zhì)為導(dǎo)熱油，塔式技術(shù)的主流則為熔鹽。
光熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展幾十年來(lái)，目前停留在以熔鹽為代表的第二代技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用層面。但要進(jìn)一步降低光熱發(fā)電成本，必須加快對(duì)空氣、二氧化碳、顆粒、液態(tài)金屬等為介質(zhì)的新一代技術(shù)的研發(fā)和商業(yè)化應(yīng)用。
空氣作為傳熱介質(zhì)具有成本低、運(yùn)行溫度高、系統(tǒng)效率高等優(yōu)點(diǎn)。早在上世紀(jì)70年代，采用熱空氣作為傳熱介質(zhì)的理念便風(fēng)行一時(shí)，但由于當(dāng)時(shí)難以解決換熱、儲(chǔ)熱問(wèn)題，相關(guān)研究一度陷入擱置狀態(tài)。
澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織CSIRO、德國(guó)DLR、德國(guó)Kraftanlagen Munchen Gmbh（KAM）等單位通過(guò)對(duì)空氣介質(zhì)的光熱發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行的一系列研究試驗(yàn)證明：空氣作為傳熱介質(zhì)，其運(yùn)行溫度可達(dá)650℃以上，遠(yuǎn)高于目前市場(chǎng)上平均運(yùn)行溫度為565℃的熔融鹽和約400℃的導(dǎo)熱油，具有商業(yè)化的應(yīng)用潛力。
但熱空氣一直未得到商業(yè)化應(yīng)用，直接原因在于研究的不連續(xù)和缺少較大規(guī)模示范電站的實(shí)證，而根本原因在于熱空氣換熱能力不佳、儲(chǔ)熱難度大等弊端。由于空氣熱容小，傳熱能力差，散熱造成溫度快速下降，熱空氣的高溫難以維持。除此之外，熱空氣的高溫存儲(chǔ)也是技術(shù)難點(diǎn)之一。
CSIRO的積極努力
光熱發(fā)電領(lǐng)域?qū)峥諝獾膽?yīng)用可分為兩類(lèi)：壓縮熱空氣與常壓熱空氣。壓縮熱空氣通常應(yīng)用于配置布雷頓循環(huán)系統(tǒng)的光熱電站，而常壓熱空氣則被應(yīng)用于配備朗肯循環(huán)汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的光熱電站。如CSIRO在澳大利亞建設(shè)的示范電站即基于布雷頓循環(huán)，而此前中國(guó)的三花集團(tuán)采用的以色列HelioFocus的技術(shù)即基于朗肯循環(huán)。
圖：CSIRO澳大利亞塔式示范電站
據(jù)澳大利亞CSIRO公布的數(shù)據(jù)，該組織目前已完成了輸出溫度達(dá)900℃的空氣吸熱器的試驗(yàn)。該試驗(yàn)吸熱器熱功率為600kW，壓強(qiáng)為5bar，輸入溫度為450℃，輸出溫度為900℃，表面能流達(dá)60~70kW/㎡，吸熱器表面溫度可控制在950℃以下，采光能流達(dá)700kW/㎡，吸熱效率達(dá)86%。
CSPPLAZA記者從CSIRO太陽(yáng)能光熱中心負(fù)責(zé)人Jin-Soo Kim博士處了解到，該研究機(jī)構(gòu)的另一個(gè)90kW空氣吸熱器應(yīng)用了LBE（一種固體顆粒）儲(chǔ)熱，在解決熱空氣儲(chǔ)熱問(wèn)題上邁進(jìn)了一大步。在試驗(yàn)中，在吸熱器輸出溫度為886℃的條件下，LBE輸入溫度490℃，輸出溫度可達(dá)771℃。
使用熱空氣作為傳熱介質(zhì)的吸熱器常采用孔隙狀陶瓷質(zhì)吸熱器，該材料優(yōu)點(diǎn)在于耐高溫、允許空氣流通、吸熱效率高。目前空氣吸熱器方面最新研究成果幾乎都出自CSIRO，而CSIRO也對(duì)CSPPLAZA記者表示，希望能在中國(guó)應(yīng)用以上經(jīng)過(guò)試驗(yàn)階段驗(yàn)證的空氣吸熱器，進(jìn)行更大規(guī)模的技術(shù)驗(yàn)證，為未來(lái)的商業(yè)化應(yīng)用積累更多數(shù)據(jù)。
圖：Jülich光熱示范電站
Jülich電站的示范
德國(guó)DLR于2008年在德國(guó)西北部的Jülich建成的光熱示范電站采用熱空氣作為傳熱介質(zhì)。這個(gè)1.5MW的Jülich高溫空氣集熱光熱示范項(xiàng)目主要由四個(gè)部分組成：吸熱系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、儲(chǔ)熱模塊、冷卻系統(tǒng)。其中安裝的一個(gè)新型空氣吸熱器由KAM供應(yīng)。
超過(guò)2000塊定日鏡將陽(yáng)光集中到蜂巢狀、孔隙結(jié)構(gòu)的陶質(zhì)開(kāi)放式吸熱器上。這種開(kāi)放的孔隙結(jié)構(gòu)使得空氣能自由流通，并使熱量能深入到吸熱器內(nèi)部，加熱位于內(nèi)部的空氣，使得換熱更加均勻。
該吸熱器表面溫度可達(dá)1000℃以上，空氣輸入溫度180℃，輸出溫度約680℃。高溫?zé)峥諝鈸Q熱后產(chǎn)生水蒸氣，帶動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。水蒸氣經(jīng)過(guò)冷卻系統(tǒng)后回收到蒸汽發(fā)生器中，同時(shí)熱空氣溫度下降到180℃左右，經(jīng)由空氣循環(huán)回收至吸熱塔。
這個(gè)1.5MW的Jülich光熱示范項(xiàng)目采用固態(tài)儲(chǔ)熱，可將發(fā)電時(shí)間延長(zhǎng)一倍。儲(chǔ)熱時(shí)，熱空氣從固態(tài)儲(chǔ)熱模塊的頂部進(jìn)入，通過(guò)大量蜂巢狀陶制結(jié)構(gòu)完成換熱，之后從儲(chǔ)熱設(shè)施底部回到空氣循環(huán)系統(tǒng)中，放熱時(shí)空氣的流通方向則相反。由于儲(chǔ)放熱都在常壓狀態(tài)下進(jìn)行，儲(chǔ)熱裝置并不需要造價(jià)高昂的耐高壓外壁。
HelioFocus的失敗
雖然有多家機(jī)構(gòu)在致力于空氣介質(zhì)光熱發(fā)電技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用，但這種創(chuàng)新型技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用之路看起來(lái)并不好走。致力于空氣介質(zhì)光熱發(fā)電技術(shù)商業(yè)化之路的以色列HelioFocus在推動(dòng)數(shù)年之后，目前已幾乎銷(xiāo)聲匿跡。
Heliofocus成立于2007年，其碟式光熱發(fā)電系統(tǒng)主要包括聚光碟、接收器以及熱力管路。聚光溫度高達(dá)1000攝氏度，每個(gè)碟的面積大約500平方米，把太陽(yáng)能反射到一個(gè)能產(chǎn)生高溫空氣的腔式接收器上，隨后將高溫空氣傳至一個(gè)中央熱交換器中以產(chǎn)生蒸汽，蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。
圖：三花內(nèi)蒙古1MW示范電站
2010年，中國(guó)的三花集團(tuán)首次投資了Heliofocus，此后通過(guò)多輪增資持股超過(guò)30%。并開(kāi)始在中國(guó)布局光熱項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)。
2013年10月29日，三花綠色太陽(yáng)城項(xiàng)目一期1MW空氣介質(zhì)碟式光熱示范電站在內(nèi)蒙古阿拉善經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)區(qū)建成，在落成儀式上，三花控股子公司內(nèi)蒙古太清光熱能源有限公司還與HelioFocus公司共同簽署了200MW光熱輔助火力發(fā)電項(xiàng)目的合作備忘錄，基本確定了項(xiàng)目后續(xù)的建設(shè)計(jì)劃
但在該項(xiàng)目的實(shí)際驗(yàn)證之后，后續(xù)更大的項(xiàng)目規(guī)劃并未獲得實(shí)施。三花于2016年終止了與HelioFocus公司的合作，三花控股集團(tuán)總裁張亞波在2016年10月舉辦的集團(tuán)科技創(chuàng)新大會(huì)上公開(kāi)表示，三花對(duì)以色列太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統(tǒng)的投資和開(kāi)發(fā)未能實(shí)現(xiàn)預(yù)定技術(shù)和經(jīng)濟(jì)目標(biāo)，果斷決定中止投入，結(jié)束該項(xiàng)目。
此后至今，HelioFocus在中國(guó)和全球市場(chǎng)逐漸淡去身影。
HelioFocus的失敗案例證明，空氣介質(zhì)光熱發(fā)電技術(shù)的商業(yè)化之路絕非坦途，要打開(kāi)其商業(yè)化應(yīng)用之門(mén)尚需努力。
