中國儲能網(wǎng)訊：阿聯(lián)酋馬斯達(dá)爾理工學(xué)院 (Masdar Institute）和美國太陽能控股公司（US Solar Holdings）等一些單位當(dāng)前都在推進(jìn)研發(fā)一種新型儲熱技術(shù)，即將極為常見的沙子作為光熱發(fā)電的傳熱和儲熱介質(zhì)，這種技術(shù)是否有潛力成為光熱發(fā)電高效低成本儲熱系統(tǒng)的未來之道呢？
SANDSTOCK項(xiàng)目
2013年9月，馬斯達(dá)爾理工學(xué)院的一個研究項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)開始進(jìn)行一個新的儲熱項(xiàng)目，稱之為SANDSTOCK，目標(biāo)是開發(fā)一種可持續(xù)的、低成本的、可以通過重力實(shí)現(xiàn)自動裝卸的太陽能集熱和儲熱系統(tǒng)，其采用沙子微粒作為集熱器的傳熱介質(zhì)和儲熱介質(zhì)。
馬斯達(dá)爾理工學(xué)院儲熱項(xiàng)目領(lǐng)頭人Nicolas Calvet在其發(fā)表的一篇文章中如是表示，“沙子有一些優(yōu)秀的屬性，它首先是廉價的，同時可以在1000攝氏度的高溫下使用，而熔鹽的使用溫度僅在600攝氏度。更高的溫度可以帶來更熱的蒸汽，從而帶來更高的發(fā)電效率。”
這種設(shè)計(jì)理念的靈感來自于古老的計(jì)時裝置沙漏。其系統(tǒng)構(gòu)造和常見的雙罐熔鹽儲熱類似，主要由冷罐和熱罐組成，冷罐置于上方，熱罐置于下方，冷罐的溫度大約維持在250攝氏度左右，沙子在未流入熱罐之前在冷罐中存儲，冷罐采用類空心圓柱體的設(shè)計(jì)，整體截面類似于一個內(nèi)置空心圓臺的圓柱體。熱罐與冷罐之間另外設(shè)置一個圓臺體，冷罐中的空心圓臺的底部通過一個閥門與下方的圓臺相連，形成類似于沙漏的形態(tài)。
圖：馬斯達(dá)爾理工學(xué)院的設(shè)計(jì)
打開冷罐的閥門后，沙子從冷罐中流出，經(jīng)下方的接合處流入熱罐，接合處同時是被聚光后的太陽光線的焦點(diǎn)，沙子在接合處被迅速燒熱，存儲于熱罐中，在需要時再釋放熱能。熱罐內(nèi)部嵌入一個換熱器，水經(jīng)過預(yù)熱器、蒸發(fā)器和過熱器產(chǎn)生過熱蒸汽，驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電。高溫沙子釋放能量后利用機(jī)械輸送裝置輸回至冷罐，等待進(jìn)入下一個循環(huán)。從而實(shí)現(xiàn)可持續(xù)的密閉循環(huán)工序。
但要實(shí)現(xiàn)這種儲熱系統(tǒng)的應(yīng)用，需要采用二次反射式的聚光系統(tǒng)。如上圖所示，反射鏡反射的太陽光經(jīng)二次反射鏡反射聚集至沙子流經(jīng)的接合處將其加熱。阿聯(lián)酋Masdar在2010年1月份建成全球首個基于二次反射原理的塔式光熱發(fā)電示范項(xiàng)目，裝機(jī)容量100kWth。該項(xiàng)目由馬斯達(dá)爾理工學(xué)院和日本東京工業(yè)大學(xué)等單位共同設(shè)計(jì)，并由日本三井造船株式會社建設(shè)完成。
Nicolas Calvet博士表示，“我們希望開發(fā)一種新的可持續(xù)的技術(shù)，可以采用豐富的本土儲熱材料來替代從智利進(jìn)口數(shù)千噸的熔鹽，沙子就是阿聯(lián)酋的一種很常見的低成本的儲量豐富的材料，在800攝氏度的高溫下也十分穩(wěn)定。”Calvet表示，要做好這項(xiàng)研究，首先需要選擇最合適的沙子。我們需要在阿聯(lián)酋各大沙漠和海岸地區(qū)找各種不同種類的沙子，研究各種沙子的熱學(xué)特性，通過采用先進(jìn)的顯微鏡來確定沙子微粒的形狀，找到最適合采用重力自動運(yùn)輸?shù)纳沉！?
Nicolas Calvet認(rèn)為在光熱發(fā)電系統(tǒng)中采用沙子儲熱主要的技術(shù)、運(yùn)行和成本優(yōu)勢在于可以實(shí)現(xiàn)更高的運(yùn)行溫度和更低的成本，沙子通過重力作用可以輕松實(shí)現(xiàn)從上到下的輸送。
但他也承認(rèn)在將沙子儲熱推向大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用之前，有一系列的技術(shù)以及財(cái)務(wù)方面的挑戰(zhàn)需要克服。主要的技術(shù)挑戰(zhàn)在于如何在沙子通過太陽光焦點(diǎn)輻射帶時使其迅速存儲熱能，另外還有如何提高沙子釋放熱能時的效率。
Calvet表示，“我們將首先在我們已經(jīng)建成的二次反射塔式示范項(xiàng)目上驗(yàn)證這一概念設(shè)計(jì)，然后再考慮將其規(guī)模擴(kuò)大，通過示范項(xiàng)目的成功驗(yàn)證，我們才有更確定的理由說服潛在投資商持續(xù)投資于此項(xiàng)技術(shù)的開發(fā)?！?
SandShifter項(xiàng)目
另外，美國太陽能控股公司研究的沙子傳熱儲熱系統(tǒng)不同于馬斯達(dá)爾理工學(xué)院的設(shè)計(jì)，其采用兩個筒倉作為存儲罐，稱之為“SandShifter”。該項(xiàng)目還獲得了美國能源部SunShot計(jì)劃的資金支持。其目標(biāo)是將儲熱的成本削減至15美元/kWh以下。
