熔盐提升太阳能热电效率


  太阳能热电站产生的蒸汽越热,就可以捕捉更多的太阳能。这就是为什么西门子公司(Siemens)正在研究升级太阳能热利用技术,推动其温度极限160℃,使它高于目前的设计。这一想法是要扩大利用熔盐(molten salts),许多电厂已经用熔盐来储存余热。如果这一想法证明可行,那就会提升电厂的蒸汽温度,达到540℃,这是蒸汽涡轮机可以采用的最高温度。

  西门子的新式太阳能热电厂的设计,就像所有大型太阳能热电厂一样,目前的经营中,捕捉太阳能热量,都是采用成列的槽状抛物面反射镜(parabolic mirror),把阳光聚集到钢制集热管上。这种设计的致命弱点是合成机油,因为机油要流经钢管,把捕获到的热量传送到电站中心发电机:合成机油在390℃以上就会分解,这就限制了电站的设计温度。

  一些新创公司,如亮源公司(BrightSource),伊太阳能公司(eSolar),以及太阳能储备公司(SolarReserve)提出,可回避合成油的温度上限,建立所谓的电力塔站,利用场地的镜子,把阳光聚集到中央塔。但是,西门子希望升级槽形设计,更换为具有热稳定性的熔盐,收集槽中热量。由此产生的设计不仅应该更有效,胜过今天现有的槽式电站,而且建造也相对低廉。“合乎逻辑的下一步,就是更换油,采用盐,”彼得?莫劳(Peter Mürau)说,他是西门子熔盐技术项目经理。

  这家德国工程巨头实际上是第二家实施者,试图推动熔盐用于太阳能集热管。去年夏天,意大利公用事业公司意大利国家电力公司(Enel)开始运用熔盐,采用的广场大约3万平方米,布满槽式镜子,靠近天然气燃料发电厂,就在西西里岛(Sicily)锡拉丘兹(Syracuse)附近。熔盐出流5.4公里长的集热管,温度为565℃,提高电厂发电量5%。

  意大利国家电力公司使用的集热管来自意大利阿基米德太阳能公司(Archimede Solar Energy),这家公司是唯一的生产商,它的集热管可以处理熔盐。他们的集热管采用一种耐热金属陶瓷(metalloceramic)涂层,最大限度地提高热量吸收,又采用较厚的钛稳定(titanium-stabilized)钢管,抵御高温弯曲。保罗?马提尼(Paolo Martini)是阿基米德公司业务发展总监,他说,电厂运行良好。意大利国家电力公司计划在西西里岛建立一座30兆瓦的电厂。

  2009年以来,西门子已积累了阿基米德公司45%的股份,但它选择回头搞试验规模的工厂,以优化熔融盐理念,之后提供商业规模的工厂,推向全球客户。“我们相信,这项技术本身是可行的。但是有很多工作需要做,要优化经济性,”莫劳说。

  西门子正在建立一座熔融盐试验工厂,是根据葡萄牙埃武拉大学(University of Evora)建造的。该工厂的运作应该在明年年初。该工厂属于德国研究联合会的一部分,这个联合会包括盐和化工巨头K+ S西门子公司(K+S AG)和德国航空航天中心(German Aerospace Center),这一示范厂将用于降低能源损耗,这种能源损耗涉及的最高和最低温度都是商业化工厂将会遇到的。

  在高端,损耗来自热量,这些热量被集热管所捕获,然后会散发,之后才被传递到工厂的涡轮机。“热损失是一个指数曲线(exponential curve),它骤然爬升,是在较高温度下,”莫劳解释说。西门子将寻求实现尽可能高的温度,但不会如此高,以致于这些损耗超过从较热蒸汽获得的收益。

  低端挑战来自熔融盐的凝固点高。混合熔融的钾(potassium)和硝酸钠(sodium nitrate),用于储热系统和意大利国家电力公司的示范厂时,它们凝固是在降温到低于220°C的时候。这种凝结在储存罐中很容易预防,但又带来了严重的危险,就在数公里长延伸的集热管中。为了对付凝固的威胁,意大利国家电力公司的电厂使熔盐在管中保持在290℃以上,这会使用大量的热,这些热本来可以用来发电。莫劳说,西门子正在寻找一种盐配方,具有150°C或更低的凝固点,这将意味着,它们不得不使用更少的热量来防止管盐凝固。

  如果西门子的努力取得成功,槽式电厂加热熔盐就可降低发电成本10%,这是对比燃油电厂,莫劳说。(据估计,当前太阳能热利用成本变化范围是每千瓦小时13至20美分,这仍大大高于化石燃料发电)。成本降低是因为发电量增加了几百分点,原因是涡轮机运行有了更热的蒸汽,也是因为建造成本较低。

  然而,一些专家认为,凝固的风险可能仍然是一个致命弱点,对于以熔盐为基础的商业化电厂而言就是这样。托马斯?曼奇尼(Thomas Mancini)是桑迪亚国家实验室(Sandia National Laboratory)聚光太阳能发电计划的项目经理,他说,他仍然“怀疑” 集热管中使用熔盐,原因是内在的凝固威胁。曼奇尼说,即使在100°C(沸水的温度),也会有相当大的凝固风险。

  但是,在同行业中其他人都看好熔盐的潜力。例如,今年一月,科罗拉多州(Colorado)的天燃公司(SkyFuel)推出了一项430万美元的研发项目,这是由美国能源部支持的,为的是升级金属片薄膜为基础的槽式镜子,以用于高温集热管。