聚光太阳能电站中蒸汽积累和固体热能储存的热经济分析

　　研究背景
　　蒸汽积累是直接蒸汽生成(DSG)最简单的热能储存(TES)技术，因为蒸汽以加压饱和水的形式直接储存在一个储存压力容器中，即蒸汽蓄能器(SA)。SA的排放通常发生在容器的顶部，因为容器在饱和压力下充满了饱和蒸汽。蒸汽积累的一个主要缺点是与DSG电厂高达550℃的运行温度相比，其出口饱和蒸汽的温度相对较低(最高温度为374℃)。达到374°C的最高温度并不是一个具有成本效益的选择，因为在饱和条件下达到这个温度也意味着达到水的临界压力(22.1 MPa)，而设计一个能够承受这种高压的压力容器需要昂贵的材料以及相对更大和更厚的压力容器。低蒸汽温度降低了循环热效率，增加了部分负荷工况下汽轮机损坏的风险。因此，蒸汽积累的TES系统通常与过热器耦合，以在进入汽轮机之前提高排出的饱和蒸汽的温度(即高于饱和温度)。
　　在蒸汽蓄能器-感应TES系统中，有许多固态感应TES可考虑。这包括混凝土，铸铁，铸钢和硅砖。目前，混凝土已经通过测试证明了其高温储热能力(高达550°C)，其承受大量充放电循环的能力，以及其相对较低的成本。然而，大多数研究均未对DSG CSP电厂运行两种集汽方案的热力学性能和经济效益进行比较。因此，英国伦敦帝国学院的Christos N. Markides团队对现有DSG CSP电厂(南非Khi Solar One)在充电和排放期间的两种蒸汽积累方案(即有和没有混凝土存储)进行全面的热经济分析和比较。
　　相关成果以＂Thermo-economic analysis of steam accumulation and solid thermal energy storage in direct steam generation concentrated solar power plants＂为题发表在《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》（IF= 11.533，JCR一区，中科院一区TOP）上。
　　研究结果
　　研究人员以南非Khi Solar One电厂为例，对直接蒸汽发电（DSG）聚光太阳能（CSP）电厂的两种蒸汽积累式热能储存（TES）方案进行了比较。所比较的TES方案是 (1) Khi Solar One现有的TES系统，包括两组蒸汽蓄热器（SAs）和一个过热器；以及(2) 扩展的TES系统，包括一组SAs和用于更高温度储存的混凝土块。使用相同的现有太阳能塔和Khi Solar One中相同的发电循环组件，对这两种配置进行了热力学和经济分析。研究发现，初始WFR为0.75的基础SAs可提供最低的平准化电力成本（LCOE），即256美元/MWh。此外，使用瞬态热能和质量能量平衡计算模型对不同数量的混凝土块进行了热力学研究，并采用相同的经济假设进行经济比较。
　　结果显示，与现有配置相比，扩展方案有5个10米长、方形截面的混凝土块，每个混凝土块有3600个等间距的管子，由于利用了太阳能接收器中的大部分可用热能，因此提供了177兆瓦时的额外TES容量。此外，在TES放电模式下，扩展方案提供了58%的电力，热效率提高了13%。预计额外投资为420万美元，采用扩展的TES方案，Khi Solar One的存储和电力的平准成本分别比采用现有TES方案低29%和6%。采用扩展的TES方案，在平均电价为280美元/兆瓦时，Khi Solar One的预计净现值增加了73%，从4100万美元增加到7100万美元。
　　研究数据
　　图1. Khi Solar One与现有TES系统配置（两组蒸汽蓄能器）的示意图。
　　图2. Khi Solar One的示意图与扩展TES系统配置（混凝土块和蒸汽蓄能器）。
　　图3. 带有在线管束布置的混凝土存储块的简化示意图。
　　图4. 电池能量和质量平衡分析的示意图，以及充电和放电模式下的热流方向。
　　图 5. 南非Upington全年每小时平均DNI数据的平均值和标准偏差。
　　图6. 不同基础SA初始WFR的影响。
　　图7. Khi Solar One在现有TES系统配置下的昼夜（24小时）性能。
　　图8. (a)TES系统中储存的热量，(b)TES系统排出的电力，(c)平均涡轮机进口温度，以及(d)放电模式运行期间的平均循环热效率。
　　原文链接
　　https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0196890422009992
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