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超临界CO₂布雷顿循环电厂集中太阳能发电塔的可行性评估

2022.02.24 来自:

作者:Alsagri Ali Sulaiman,Chiasson Andrew,Gadalla Mohamed.


题目:Viability Assessment of a Concentrated Solar Power Tower With a Supercritical CO₂Brayton Cycle Power Plant[J].


期刊:Journal of Solar Energy Engineering,2019,141(5):


DOI:10.1115/1.4043515


全文导读


本文对集成太阳能塔式集热装置与超临界CO₂动力循环集成的太阳能热发电系统的热经济性进行分析。研究以超临界CO₂再压缩循环为动力单元,利用熔融硝酸盐双罐热能储存装置对太阳热能进行储存,针对不同的储能时长分析超临界CO₂太阳能热发电系统的经济性进行分析。研究发现,12小时高温融盐热能储存的经济性能最佳,其发电成本相比于无储能时降低50%。


本研究的目的是,对驱动超临界CO₂再压缩布雷顿循环的太阳能热发电装置(CSP)进行热力学和经济分析。


本文的目标是,评估白天超临界CO₂发电机组在中高温太阳能可用位置的系统可行性,并调查4、8、12和16小时蓄热对增加太阳能利用率和年发电量的作用。


本文以沙特阿拉伯(利雅得)的一座城市为例,给出了系统优化与评估的案例。为了实现单位成本内最高的能源产量,本文对定日镜场设计、超临界CO₂布雷顿循环和熔盐储能(TES)调度系统以及相应的运行参数进行了优化。


太阳能热塔式发电系统(SPT)是一种CSP系统,因为其可以在相对较高的温度下运行。目前的SPT—TES场由定日镜场、太阳能塔、接收器、换热器和两个熔盐TES罐组成。主要的热经济性指标是容量系数和平准化电力成本(LCOE)。


研究结果表明,采用超临界CO₂动力循环的SPT-TES,使用熔融盐进行12小时的蓄热,这在经济上是可行的。结果还表明,在最佳LCOE为$0.1078/kW h时,将12小时蓄热装置与一个SPT集成,对60%的容量因数有很大的积极影响。


图:塔式太阳能聚光集热系统


结果讨论


本研究的主要目标是开发综合CSP模型,使用(SAM、工程方程求解器(EES)和SOLARPILOT)来研究具有超临界CO₂动力循环的SPT电厂的可行性。该模型优化了定日镜场和TES调度,并预测了TES在不同运行模式下全年连续运行的年太阳能场能量输出。


首先,与非TES—CSP相比,SPT装置(TES-CSP)中加入足够的熔盐蓄热对装置性能和经济性有着强烈的积极影响。此外,在蓄热12小时的情况下,LCOE从0.209美元/千瓦时(非TES—CSP)降至0.1078美元/千瓦时(TES-CSP),降幅为50%。因此,CSP—TES是一种实用的方法,在技术和经济上都是可行的。


第二,在沙特阿拉伯利雅得,带有超临界CO₂发电厂的CSP系统在经济上和技术上都是可行的,因为它具有较高的容量因数,并提供有竞争力的LCOE。随着接收器出口温度限制的提高,CSP—超临界CO₂每千瓦时的价格预计将进一步下降。SNL的一项研究预计,通过将硝酸盐出口温度限制提高到650°C,LCOE将减少8%。


第三,熔融盐【60%硝酸钠(NaNO₃)+40%硝酸钾(KNO₃)】适合作为HTF、还原剂冷却剂和蓄热介质,并具有技术和经济效益(即无毒、热容高、成分稳定)。但是,与熔盐接触的所有设备必须进行微量加热和隔热,以避免盐冻结(盐在230°C下冻结)。


第四,定日镜在资本成本中所占比例最高,约占系统总投资的50%,应更多地关注定日镜技术的改进,以降低SPT装置的成本。


根据动力块中的㶲分析,主加热器的热力损失最高,其次是LTR。另一方面,汽轮机和压缩机的热力损失最低。循环的高潜力改进应集中在热交换器上,尤其是主加热器和低温回热器上。


此外,沙特阿拉伯的利雅得是塔式太阳能电站的合适城市,因为它提供了关键的成功因素。首先,DNI相对较高(年平均约为7.65 kWh/m²/天),年平均风速正常(约3米/秒)。


最后,向沙特阿拉伯社区引入太阳能是“适应新的2030年沙特愿景”的一部分,该愿景是经济多元化计划的一部分,旨在促进可再生能源使用以实现国家可持续性。(图文:梁娅冉)




相关线下活动:


第十二届光热发电中国聚焦大会2022(2022年4月21-22日,中国北京)

第五届光热发电中东北非大会2022(时间待定,阿联酋迪拜)


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