据外媒报道，为提高塔式光热电站的整体效率和降低成本，来自弗劳恩霍夫太阳能系统研究所(Fraunhofer ISE)的科学家们近期提出了一种全新的塔式光热发电技术方案——由新型传热介质、空气墙、新型定日镜组成的新型聚光集热系统。
突破传统熔盐600℃运行温度上限
一般来说，光热发电系统的工作温度越高，电站工作效率也越高。
目前塔式光热电站常用的传热介质是熔盐，但使用熔盐作为传热介质的缺点是其只能在600℃以下的温度使用，如果温度升高到600℃以上熔盐就会分解。
为此，Fraunhofer ISE位于弗莱堡的研究人员使用了一种由固体组成的传热介质，其工作温度可以达到1000℃以上。
如上图，太阳能接收器像转盘一样移动的同时把搜集到的热量传递给上述固体传热介质——由来自萨尔州Sulzbach的储能制造商Kraftblock开发的新型陶瓷接收器元件。
这种元件具有耐热性，并可储存大量的热量。此外，它们是用回收材料以环保的方式生产的，成本相比熔盐将大幅降低。
据悉，为了充分掌握材料在高太阳辐射条件下的特性，研究人员已对该陶瓷材料进行了大量的测试。Fraunhofer ISE聚光系统&技术负责人Gregor Bern表示：“下一个目标是进一步开发可匹配新型传热介质的接收器的材料，使能量在系统内可以传导得更深。”
空气墙技术可降低接收器30%辐射热损失
研究人员的另一个重要创新是针对塔式光热电站的辐射热损失问题引入了空气墙技术。
在高温以及阳光辐射能比较集中的情况下，吸热塔效率往往会降低。因为接收器周围的空气温度可达600℃以上，而吸热器周围的空气温度通常在30-40℃的范围内。当较冷的空气经过接收器时会带走一部分热量，这部分热量就是不能用于发电的损失热能。
为此研究人员想办法分离不同的空气层。首先考虑的是使用石英玻璃制成的窗户来分隔空气层，但是尺寸方面很难匹配。
随后，研究人员开始了空气墙测试——通过在接收器开口处配置强大的喷嘴来形成空气墙，以使接收器周围的空气与环境空气实现分离。
来自Fraunhofer ISE项目团队的研究助理Moritz Bitterling对此表示，该技术以前从未在发电厂领域得到过论证。
但弗赖堡的研究人员改变了这一现状。他们建立了一个具有一定规模的测试站，并为其配备了大约50个温度传感器，同时他们使用配置加热元件的600℃高温接收器进行了模拟测试。
针对该项目，Fraunhofer ISE工业合作伙伴Luftwandtechnik专门设计了一种可用于高温应用的空气墙系统，并将其安装在了试验台上。
通过这项测试，研究人员能够测量出有无空气墙两种不同状态下的辐射损失以及达到600℃所需的加热功率。此外，在测试站还能够测试如何优化设计空气壁喷嘴的角度和空气的出口速度等操作参数。
测试结果显示：通过优化相关操作参数设置之后，接收器因热辐射而产生的热损失可以减少30%左右。
采用Stellio五边形定日镜
除了上述创新，弗赖堡的研究人员还与SBP Sonne一起对Stellio定日镜进行进一步测试，希望通过优化塔架设计来降低定日镜系统的成本。
图：Stellio巨蜥式定日镜【注：Stellio定日镜采用独特的五边形设计，其由SBP Sonn（主导），Ingemetal Solar和Masermic Mechatronics三家单位联合开发，目前已成功应用于中国哈密50MW塔式光热电站等商业化项目。】
图：哈密50兆瓦熔盐塔式光热电站
Fraunhofer ISE在该联合项目中将通过3D激光扫描测量定日镜，并在现场测试定日镜的快速测量程序。到目前为止，弗赖堡的研究人员已经在实验室中对镜面进行了偏转测量，以分析它们在特定载荷下是如何变形的。
按照研究人员的设想，未来固态热载体、太阳能辐射接收器和存储材料以及优化的Stellio定日镜将被组合成一个整体并可以集成在光热发电系统中，以便降低建造此类发电站的成本。如此设计之后，系统可有效避免传统管状接收器典型的传热损失和传热介质流动的限制，即使在太阳辐射出现波动的情况下也能保持较高温度，从而降低发电成本。
此外，为了模拟整个系统，Fraunhofer ISE研究人员还研究了哪种发电厂工艺最适合耦合单个新开发的部件，以及如何将热量从固体传热介质传递到汽轮机发电系统等基础工艺。
