美国“第三代”聚光式太阳能及其能源成本研究

美国国家可再生能源实验室(NREL)的研究人员正在通过“第三代”聚光式太阳能发电(CSP)项目，改进其传热介质，并可能降低项目的能源成本。NREL的重点是高温流体熔盐，这个团队正在设法解决与“路径”相关的三大难题，包括寻找比替代品更纯、在加热时不大可能“降解”的新盐类。

能源部第三代聚光式太阳能发电系统

NREL正在通过整合储热技术，提高系统容量、可靠性、效率和电网稳定性，定义下一代聚光式太阳能(CSP)发电场[1]。

NREL进行了某些研究，以支持美国能源部太阳能技术办公室的“第三代”聚光式发电太阳能发电系统(Gen3CSP)倡议[2]。这个规划的目标是推进太阳能集热器领域、接收器、储热和电力循环子系统，提高性能，并实现CSP系统的成本效益目标。第三代CSP规划的中心目标是将CSP系统的成本降低到每千瓦时约0.05美元，使太阳能基荷配置的成本与美国南部阳光充足的其他可调度发电商有竞争力。

构建第三代聚光式太阳能发电研究路线图

图1. IEA技术路线图——太阳热发电(2014年版)

目前最先进的CSP电场是熔盐储热的双罐集成的动力塔。这种系统与传统的蒸汽-朗肯动力循环整合在一起，提供565 ℃的热能。降低系统成本，实现第三代CSP目标的关键是，将传递到动力循环热能的温度提高到700 ℃以上，以提高电场的效率。

NREL支持能源部的倡议，开发了第三代CSP演示路线图[3]，基于接收机热载体的形式，确定把温度提高到700℃以上的三个潜在的路径：熔盐(“熔盐”途径)，气相传热流体，如二氧化碳或空气(“气相”途径)，或微小固体颗粒下落的帷幔(“粒子”途径)。

支持第三代聚光式太阳能发电的技术研究

NREL为推进第三代CSP目标，对下列几个主题进行研究：

●先进的CSP系统部件，包括接收机设计、储热、太阳能场光学和优化，以及动力循环设计

●熔盐的腐蚀控制和材料兼容性

●场调度优化

●熔盐罐的内部隔热系统

●基于无人机的动力塔太阳能发电场检测与校准

●高效率、低成本太阳能场的动力塔

NREL“下一代”聚光式太阳能的能源成本研究[4]

图2.NREL员工在内华达州一家太阳热设施内对“定日镜”进行评价。

熔盐可以降低聚光式太阳能+储能的成本。

聚光式太阳能(CSP)作为一种可再生能源技术，一直被寄予厚望。CSP利用镜子(或称“定日镜”)，通过加热和储存廉价的介质(如沙子、岩石或熔盐)，利用太阳的能量，按需进行能源调度。

为了促进CSP行业的发展，实现5美分/kWh能源成本目标，探索几种传热介质的潜力, 美国能源部(DOE)的“第三代”CSP规划为研究提供资金。NREL的研究人员正在努力做出贡献，以解决与使用某种潜在的介质即高温流体熔盐，与能源传输和储能相关的某些难题。

竞赛开始：对CSP具有成本效益潜质的三个路径

三年前，“第三代”规划确立的三个路径，有可能达到CSP能源成本目标：流体路径(NREL主导，探索使用熔盐作为传热材料);颗粒路径(桑迪亚国家实验室主导，使用砂状颗粒作为传热材料)，第三个路径探索，使用气体作为传热材料(布雷顿能源公司主导)。

2021年3月，NREL在三条路径中落选，因为DOE进一步资助“基于粒子”的储能研究。但这也为NREL创造了机会，在未来两年进一步开发流体路径。

图3. 熔盐储热技术是高效、可靠、经济的大规模储存太阳能的方法。

NREL的流体路径研究：挑选盐

在NREL，克雷格·图尔奇(Craig Turchi )领导热能科学和技术研究。他说，熔盐是传热和储能材料的理想选择，流体很容易处理，因为可通过管道和热交换器在CSP系统中传输。不幸的是，仍有某些实际的挑战，是当前NREL研究的重点。

难题1：保温大罐设计

图4. 氯化物熔盐大罐原型将建在科罗拉多州NREL Golden园区平台顶部

熔盐虽然容易流动，但对容纳它们的储罐和管道有腐蚀性。事实上，按照图尔奇的说法，“每个人最初都认为，熔盐的腐蚀会毁掉这种努力。”其实，我们已从根本上解决了这个问题。NREL和它的合作伙伴，在熔盐化学方面做了很多大型的科学研究，如何净化，如果控制化学成分，如何使它相对不具有腐蚀性，我们在实验室里证明了这一点。”

因此，腐蚀性并不是使用熔盐的最大问题。相反，挑战在于实现高效发电场所需的极高温度。盐的能量密度需要相对大型、因而昂贵的储罐，而且必须防止熔盐在管道中冻结(虽然这些盐作为流体热稳定到非常高的温度，但会在不那么寒冷的400 ℃冻结)。

图尔奇说，这与系统如何保温有关。“我们已经进行了试验，以证明哪些材料可以正常工作，但实际上还没有建造个大罐，证明它确实可以工作。我们的设计是个钢罐，但是目前的罐体外部是隔热的，我们建议在罐体内部隔热，以保护钢体。”

美国能源部给NREL 拨款200万美元，用于建造大罐原型，以评估它装满熔盐时的完整性。这个大罐目前正在建造中，将安放在科罗拉多州NREL的Golden科技园区台地上。

难题2：寻找合适的熔盐来改变局面

熔盐不止一种，所以NREL开发第三代CSP流体路径的工作，还包括选择和试验新的盐。商业熔盐系统使用硝酸盐;然而，一旦系统达到一定温度，这种盐就开始“降解”。NREL团队希望达到更高的温度，以实现高效发电装置更有效的能源转换，因此他们探索了氯化物熔盐的替代方案。

Youyang Zhao是NREL的研究员，三年来一直为第三代流体路径项目研究盐化学。Zhao说，他一开始就想办法降低工业盐的杂质含量。此外，Zhao还说，“我们正在优化盐的成分，以降低盐的熔点。熔点越低，处理这种材料的时间就越长。”

这个新的机会是他们努力的重要延续。Zhao解释说，我们正在“在高水平上”“把基础科学与未来的工程联系起来。我没有创建组件设计，而是试图找出最基本的东西，如化学和材料知识，提供信息，以便人们能把系统设计得更好。

难题3：电化学方法，支持第三代流体路径研究

Kerry Rippy是NREL无机化学方面的专家，还支持第三代CSP流体路径的多种能力。在这个实验室，她的团队探索并证实电化学方法，能去除氯盐中的腐蚀性杂质。现在，他们与威斯康辛大学继续这项研究，以证明纯净的氯化物熔盐，流过模拟工业系统“放大原型”时的可靠性。

Rippy还支持台地顶部大罐的试验项目。这个密闭容器的成本很高，因此这个团队正在研究储盐的新材料，盐的温度在变化，储盐容积大，每次最长达10小时。Rippy正在帮助开发罐内的电化学传感器，在实验期间监测盐的纯度。

多样化令人振奋：熔盐用途广泛

Rippy说，氯化物熔盐路径值得进一步探索，以造福CSP和其他技术：“这项研究有很多潜在的价值：有利于太阳能燃料合成;可启动高温燃料电池;而核工业对这项研究也很感兴趣。”

Turchi说，“核工业正在开发自己的多个‘第四代’反应堆，其中有些使用氯化物熔盐。”即将到来的大罐试验结果，可能会降低许多能源行业箱体的成本。

图5. 直接储存盐的熔盐动力塔。目前和先进的熔盐设计在概念上相似，但未来的设计设想盐温更高与co2 -布雷顿动力循环。

启示与见解

“第三代”或“下一代”CSP的提法与研究，国内少见。美国DOE首次提出，有明确的目标，值得重视。

第三代CSP的价值在于提供“可调度”能源，成为电网的“后备”电源。它类似转供电力(Wheeling Power)或过网转供(Wheeling-through)发电机，可增加电网的弹性。

最关键的是能源成本目标 $0.05/kWh，值得为之奋斗;相对电池储能的能源成本，更值得为之振奋，如能每次提供后备能源的“转供”时间范围可达10小时，意义更大。

我国东部沿海地区发展CSP经济意义重大，比从西北地区(甘肃、青海、宁夏、新疆)调度可再生能源(主要是风能与太阳能)，至少可节约网路传输成本。

图6. 截至2016年，各国CSP累计运营能力

资料与注释

1 NREL, Generation 3 Concentrating Solar Power Systems,

https://www.nrel.gov/csp/generation-3-concentrating-solar-power-systems.html

2 DOE, Solar Energy Technologies Office, Generation 3 Concentrating Solar Power Systems (Gen3 CSP), Office of ENERGY EFFICIENCY & RENEWABLE ENERGY,

https://www.energy.gov/eere/solar/generation-3-concentrating-solar-power-systems-gen3-csp

3 NREL, Concentrating Solar Power Gen3 Demonstration Roadmap, NREL/TP-5500-67464, January 2017;

https://www.nrel.gov/docs/fy17osti/67464.pdf

4 NREL, Next-Gen Concentrating Solar Power Research Heats Up at NREL, National Renewable Energy Laboratory, Feb. 9, 2022