超临界CO₂布雷顿循环电厂集中太阳能发电塔的可行性评估

作者：Alsagri Ali Sulaiman,Chiasson Andrew,Gadalla Mohamed.

题目：Viability Assessment of a Concentrated Solar Power Tower With a Supercritical CO₂Brayton Cycle Power Plant[J].

期刊：Journal of Solar Energy Engineering,2019,141(5):

DOI:10.1115/1.4043515

全文导读

本文对集成太阳能塔式集热装置与超临界CO₂动力循环集成的太阳能热发电系统的热经济性进行分析。研究以超临界CO₂再压缩循环为动力单元，利用熔融硝酸盐双罐热能储存装置对太阳热能进行储存，针对不同的储能时长分析超临界CO₂太阳能热发电系统的经济性进行分析。研究发现，12小时高温融盐热能储存的经济性能最佳，其发电成本相比于无储能时降低50%。

本研究的目的是，对驱动超临界CO₂再压缩布雷顿循环的太阳能热发电装置（CSP）进行热力学和经济分析。

本文的目标是，评估白天超临界CO₂发电机组在中高温太阳能可用位置的系统可行性，并调查4、8、12和16小时蓄热对增加太阳能利用率和年发电量的作用。

本文以沙特阿拉伯（利雅得）的一座城市为例，给出了系统优化与评估的案例。为了实现单位成本内最高的能源产量，本文对定日镜场设计、超临界CO₂布雷顿循环和熔盐储能（TES）调度系统以及相应的运行参数进行了优化。

太阳能热塔式发电系统（SPT）是一种CSP系统，因为其可以在相对较高的温度下运行。目前的SPT—TES场由定日镜场、太阳能塔、接收器、换热器和两个熔盐TES罐组成。主要的热经济性指标是容量系数和平准化电力成本（LCOE）。

研究结果表明，采用超临界CO₂动力循环的SPT-TES，使用熔融盐进行12小时的蓄热，这在经济上是可行的。结果还表明，在最佳LCOE为$0.1078/kW h时，将12小时蓄热装置与一个SPT集成，对60%的容量因数有很大的积极影响。

图：塔式太阳能聚光集热系统

结果讨论

本研究的主要目标是开发综合CSP模型，使用（SAM、工程方程求解器（EES）和SOLARPILOT）来研究具有超临界CO₂动力循环的SPT电厂的可行性。该模型优化了定日镜场和TES调度，并预测了TES在不同运行模式下全年连续运行的年太阳能场能量输出。

首先，与非TES—CSP相比，SPT装置（TES-CSP）中加入足够的熔盐蓄热对装置性能和经济性有着强烈的积极影响。此外，在蓄热12小时的情况下，LCOE从0.209美元/千瓦时（非TES—CSP）降至0.1078美元/千瓦时（TES-CSP），降幅为50%。因此，CSP—TES是一种实用的方法，在技术和经济上都是可行的。

第二，在沙特阿拉伯利雅得，带有超临界CO₂发电厂的CSP系统在经济上和技术上都是可行的，因为它具有较高的容量因数，并提供有竞争力的LCOE。随着接收器出口温度限制的提高，CSP—超临界CO₂每千瓦时的价格预计将进一步下降。SNL的一项研究预计，通过将硝酸盐出口温度限制提高到650°C，LCOE将减少8%。

第三，熔融盐【60%硝酸钠（NaNO₃）+40%硝酸钾（KNO₃）】适合作为HTF、还原剂冷却剂和蓄热介质，并具有技术和经济效益（即无毒、热容高、成分稳定）。但是，与熔盐接触的所有设备必须进行微量加热和隔热，以避免盐冻结（盐在230°C下冻结）。

第四，定日镜在资本成本中所占比例最高，约占系统总投资的50%，应更多地关注定日镜技术的改进，以降低SPT装置的成本。

根据动力块中的㶲分析，主加热器的热力损失最高，其次是LTR。另一方面，汽轮机和压缩机的热力损失最低。循环的高潜力改进应集中在热交换器上，尤其是主加热器和低温回热器上。

此外，沙特阿拉伯的利雅得是塔式太阳能电站的合适城市，因为它提供了关键的成功因素。首先，DNI相对较高（年平均约为7.65 kWh/m²/天），年平均风速正常(约3米/秒）。

最后，向沙特阿拉伯社区引入太阳能是“适应新的2030年沙特愿景”的一部分，该愿景是经济多元化计划的一部分，旨在促进可再生能源使用以实现国家可持续性。（图文：梁娅冉）