创新高温储热：固体颗粒吸热器技术助力太阳能热发电站发电效率飙升

1.研究背景

大规模储能技术的应用可在很大程度上解决新能源发电的随机性和波动性问题。然而，当前电化学储能的成本仍较高，约为1500 元/kWh，单位投资成本约为储热成本的6倍（均按kWh _e 计算）。此外，与储热技术相比，电化学储能还存在使用寿命短、有爆炸风险、储能时长短、储能容量低等缺点。太阳能热发电技术具备长周期、大规模高温储热的优势，是构建以新能源为主的新型电力系统的重要组成部分。硝酸基熔融盐是目前商业化聚光太阳能热发电站中的储热介质，但该工质在超过565 °C时会发生分解，低于220 °C时会凝固，限制了吸热过程的工作温度范围，导致汽轮机发电机组蒸汽参数难以进一步提升。成本低廉且无毒无害的固体陶瓷颗粒在超过1000 °C高温下仍可维持稳定的热性能，作为聚光太阳能热发电站中的传热流体和储热介质时，具有更宽的工作温度范围，可以用于加热650 °C以上的超临界CO ₂ 实现高效的布雷顿循环。因此，固体颗粒吸热器是下一代聚光太阳能热发电站中的核心装备，具有很好的科学研究和工程应用价值。当前美国、法国、德国和中国等国正在实施以固体颗粒为传热流体和储热介质的太阳能热发电站的科研示范项目。

图1 中国科学院电工研究所团队提出的石英玻璃管束式固体颗粒吸热器

2.内容简介

近期，中国科学院电工研究所 白凤武 研究员、 王志峰 研究员团队与华中科技大学 杨荣贵 教授团队合作，系统地回顾了国内外固体颗粒吸热器技术的研究进展。通过对聚光吸热实验参数的综合对比分析，指出了各种固体颗粒吸热器技术的技术优缺点和规模化发展前景，给出了固体颗粒吸热器技术规模化发展需满足的条件：1) 较高的许用能流密度；2) 较高的颗粒流量；3) 简单的机械结构；4) 较低的额外功耗；5) 较低的颗粒损失率；6) 合适的颗粒停留时间；7) 较高的镜场光学效率。此外，作者们提出维持单位质量固体颗粒截获聚焦太阳能在100-900 kJ/kg的范围内有利于固体颗粒吸热器技术的商业化发展。同时详细阐述了改善各种固体颗粒吸热器技术热态性能的方法，包括对吸热器结构设计、颗粒流动特性、颗粒传热特性及颗粒物性等因素进行优化。文中还总结了元素组分、粒径分布、有效热导率、太阳光谱吸收率等颗粒物性的测试方法，并呈现了的一种通过调配元素组分实现可量产的低成本陶瓷颗粒制备方案。

3.总结与展望

能够实现大规模直接高温储热的固体颗粒吸热器有望较大幅度地提高太阳能热发电站的发电效率，并降低其平准化度电成本。对于直接接受高倍聚焦太阳辐照的固体颗粒吸热器，需调控颗粒流动特性以实现在太阳辐照区域内合适的固体颗粒停留时间，此外，提高固体颗粒的太阳光谱吸收率可以提升这类固体颗粒吸热器热性能。对于间接接受高倍聚焦太阳辐照的固体颗粒吸热器，维持其运行安全性是关键技术问题，解决方法是通过强化颗粒-壁面间的传热系数而提升吸热器的许用能流密度，或者通过优化吸热器的外围结构获得有效的辐射能流扩散。总之，固体颗粒吸热器技术路线繁多，各种路线均有其优缺点，需提出更多的新型设计解决其中的技术难题，促进固体颗粒吸热器技术走向工程化应用。

相关工作近期发表在 EcoMat  期刊上。中国科学院电工研究所 聂辅亮 博士为第一作者，中国科学院电工研究所 白凤武 研究员及华中科技大学 杨荣贵 教授为通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金面上项目、科技部重点研发计划和北京市科委重点专项的资助。

4.文章信息

Fuliang Nie, Fengwu Bai, Zhifeng Wang, Xiaobo Li, Ronggui Yang, Solid particle solar receivers in the next-generation concentrated solar power plant, EcoMat . 2022;e12207.

原文链接： https://doi.org/10.1002/eom2.12207

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