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Terrafore创新型胶囊式相变熔盐储热技术加速商业化进程

2017-9-12 19:13| 发布者: cecilia| 查看: 682| 评论: 0|原作者: 本网记者Cecilia|来自: CSPPLAZA光热发电网

  CSPPLAZA光热发电网讯:据悉,美国能源部(DOE)拟通过Small Business Vouchers(SBV)计划拨给阿贡国家实验室一笔经费,用以支持其对Terrafore公司所研究的创新型胶囊式相变熔盐储热技术进行进一步大规模独立测试。利用该创新型储热技术可实现储热和换热两过程在一个单独储罐中完成,而且系统运行温度可超过800°C。

 

  据悉,当了解到有望获得能源部的资金支持后,阿贡国家实验室的科学家们目前已与Terrafore公司首席执行官Anoop Mathur接洽并提出实验申请。事实上,早在2008年9月美国能源部就曾拨付给Terrafore180万美元经费,用于支持其研究混合熔盐流动和传热特性,以及评估熔盐相变蓄热的潜力。

 

  Mathur表示:“我们之前在美国西南研究院已经证明了胶囊式相变熔盐在370°C条件下的可靠性,而阿贡国家实验室的独立测试则将进一步证明,这些熔盐胶囊表面的特殊涂层能够承受试验设备所施加的高温和高压考验。”

 

  相比传统双罐储热系统单位体积热容高出50%

 

  Mathur进一步补充说:“我们的胶囊式相变熔盐储热技术已经具备了商业化实力,我们有信心将该技术应用于分布式规模的迷你塔式、碟式光热电站以及使用超临界二氧化碳循环技术的新一代光热电站。”

 

  Mathur将其设计的密封式熔盐胶囊命名为TerraCaps,若采用该技术储热装置将无须采用目前常规的双罐设计(热罐与冷罐),仅使用单罐即可。据悉,单个罐体即可同时实现储热和传热,而且相比目前光热电站常见的双罐熔盐储热系统,这种胶囊式相变熔盐储热系统单位体积的热容量可以高出50%。而得以实现单罐完成传储热技术的关键是胶囊要在其内部熔盐融化膨胀时为其提供充足的内部空间。

 

  Mathur指出,正是胶囊内部的熔盐以及充足的空间保证了单位体积储热容量的大幅提升,部分熔盐熔化后体积可变大25%左右。由于导热性较低,熔盐在换热方面效率不高且换热时需要足够大的接触面积,而将熔盐装在小胶囊中则可增大比表面积,帮助维持发电系统所需的高传热效率。

 

 

  胶囊内的空间如何形成?

 

  据Mathur介绍,在直径几乎不到1英寸的胶囊中制造空间的过程十分有趣。首先会在高温条件下把一种变成气态的聚合物包裹在熔盐颗粒【采用流化床造粒装置制取】表面形成涂层,然后将被涂层包裹的盐压缩成像黏土一样并形成胶囊状,接着再利用化学气相沉积法为胶囊“穿上”一个镍基金属“外套”——耐高温涂层。需要注意的是,根据应用温度不同要选择不同的耐高温复合涂层。

 

  接着加热胶囊,这时熔盐表面附着的聚合物将再次变成气体并通过气孔逸出,同时也使胶囊内部留下了一些孔隙,为盐在加热和冷却时的膨胀和收缩创造空间条件。最后再将一种特殊的涂层附着在胶囊表面以密封气孔并使其牢固。【详细过程见下列组图】

 

  Step1

 

 

  Step2

 

 

  Step3

 


  Step4

 

 

  阿贡国家实验室的进一步测试有望将该技术推向大规模商业化应用阶段。

 

  Mathur表示:“现在我们已经证明了这项技术的可行性并做好了商业化应用的准备,这是一项巨大的技术突破。此前虽然有许多研究人员一再尝试通过使用盐的相变原理来达到增加储能密度的目的,许多公司也在尝试利用熔盐相变,但都在换热与传热方面遇到了一些技术难题。”

 

  胶囊式相变熔盐储热技术如何实现单罐传储热?

 

  据了解,这种独创性的类似弹珠形状的胶囊可以帮助人们轻松实现单罐传储热。胶囊内通过封装三种不同成分的无机盐可以赋予它们不同的熔点。

 

  三种不同的胶囊需要分层放置,熔点最低的胶囊置于罐体底部,熔点最高的胶囊则置于顶部,从顶部到底部形成热串联。太阳能吸热器收集的热量通过传热介质从上至下流至罐中与胶囊换热后冷却。反之,需要使用胶囊中储存的热量时,传热介质则采用从下到上的换热路线。最终通过此技术可以实现单罐体取代双罐以及换热器,从而实现降低成本与提高效率的目的。

 

  另一方面,由于单位体积熔盐的表面积增大,因此换热面积也得到扩大,这也是该技术实现成本下降和效率提高的原因之一。Mathur透露:“三种盐的混合使用可使超过93%的相变热被有效储存并保持恒定的温度为发电系统供能。”

 

  或与超临界CO2等热气体介质联合测试

 

  据悉,在阿贡国家实验室将要进行的测试中,将采用热空气介质而非蒸汽,并且将只使用一种盐:氯化钠(食盐)或氯化镁。同时,科学家还会利用空气或氦气驱动的斯特林发动机和布雷顿循环系统进行试验,运行温度可达800°C以上,这个温度将远远高于目前一般商业化光热电站的运行温度。

 

  因为测试条件为超高温高压,因此该测试也将适用于超临界二氧化碳技术。

 

  Mathur表示:“使用热空气的好处是,如果热空气在测试中行的通,那么超二氧化碳也会行的通。超临界二氧化碳是一种类似空气的气体,但承压程度有别于空气。如果这些涂层足以抵抗热空气的外力,那么它们也应该能够承受住超临界二氧化碳的压力。”

 

  斯特林光热发电技术的福音?

 

  目前,采用斯特林发动机和布雷顿循环技术的光热电站并非主流,因为从发电效率角度看其与塔式电站相比优势不明显,从稳定性角度看则跟槽式存在一定差距。

 

  但是,碟式斯特林光热发电系统或布雷顿循环微型塔式电站可以以较低的成本实现高达32%的光电转化效率。与光伏一样,它们也可以实现分布式和模块化,并在较小规模范围内产生成本效益。但相比槽式和塔式电站,其主要缺陷是目前还没有非常可行并具有较高经济性的配套储能方案。

 

  但是,通过采用Terrafore公司上述胶囊式相变熔盐储热技术的单罐储热系统或可改变这种不利局面。

 

  与光伏类似,碟式斯特林发电系统可以直接发电,比较适合模块化应用。目前,Mathur正在研究单机15KW的斯特林发电系统结合胶囊式相变熔盐单罐储热系统的综合系统应用于岛屿和农村的小型高效模块化离网系统的市场前景,这种极具经济性的胶囊式相变熔盐单罐储热系统将可使整体系统实现稳定电力输出。

 

  据Mathur透露,目前该司已成功将工作温度在370℃至800℃甚至更高一些的熔盐产品应用于其创新型胶囊相变熔盐储热技术。

 

  而且,这种创新型胶囊相变熔盐储热技术将不仅仅适用于超临界二氧化碳系统或斯特林发电系统。Mathur表示,这种新技术也可以适用于槽式光热电站并能有效降低投资成本并提高发电效率。对此Mathur解释道:“不同种类的盐都适用我们的技术,采用熔点为650°C左右的盐可以用于使用超临界CO2循环系统的新一代光热电站,而熔点低一些的盐则可以用于目前主流的塔式和槽式电站,而且该技术的应用可以让单罐设计取代常规的双罐储热系统。”


附:英文原文链接:US Department of Energy funds Terrafore’s Phase Change Energy Storage Test designed to operate in temperatures to greater than 800°C

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