目前哭练，沙特國王大學(xué)(KSU)機(jī)械工程學(xué)教授HanyAl-Ansary正聯(lián)合美國桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室(SandiaNationalLaboratories)在該國利雅得附近開展塔式光熱發(fā)電粒子吸熱器(PHR)的技術(shù)研究工作。

據(jù)了解，上述研究屬于新型太陽能熱發(fā)電技術(shù)旺坠，其工作溫度可達(dá)到1000°C左右堂淡，幾乎是目前熔鹽塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)工作溫度(565°C)的兩倍，有望在提高系統(tǒng)工作效率的同時降低光熱發(fā)電成本逊谋。

冷熱罐均可安裝在集熱塔內(nèi)部

與塔式熔鹽光熱電站中的儲罐布置方式不同擂达，采用粒子吸熱器的光熱電站的熱罐和冷罐可以與換熱器一起安裝在集熱塔的內(nèi)部，這樣可以減少泵的使用胶滋，從而降低相關(guān)成本板鬓。

在一座采用粒子吸熱器的裝機(jī)20MW的塔式光熱電站中，集熱塔高150米究恤，直徑約30米俭令，儲罐可垂直安裝于集熱塔內(nèi)部，冷罐的位置大約在集熱塔中部部宿，在此情況下抄腔，只需將吸熱顆粒從塔身中間泵到頂部對其進(jìn)行加熱。

同時窟赏，桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室研究小組展開了一項(xiàng)創(chuàng)新測試妓柜，他們通過設(shè)置一種人字形障礙物，減緩了沙粒的下降速率。如果沒有障礙物的話寸纠，即使只有1米高的落差雳雄，沙子的下降速度也會增至5m/S或6m/S。

在集熱過程中帮课，受阻的粒子流在吸熱器的各個集熱面都會維持密集的“粒子簾”狀態(tài)匙久，并吸收太陽輻射。

圖：粒子吸熱器技術(shù)原理

Al-Ansary團(tuán)隊(duì)的研究人員發(fā)現(xiàn)八泡，由于人字形障礙物的設(shè)置趾马，在實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)下，粒子溫度達(dá)到了約1000°C锚揍，而且沒有出現(xiàn)沙粒結(jié)塊現(xiàn)象毁察，甚至在小試裝置中也達(dá)到了700°C以上的溫度。

圖：設(shè)置人字形障礙物減緩粒子下降速率(來源：桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室)

沙子或?yàn)樽罴蚜Ｗ舆x擇

配置儲熱系統(tǒng)的塔式光熱電站順應(yīng)未來低碳發(fā)展的需要防养，并能實(shí)現(xiàn)24小時發(fā)電尚染。粒子吸熱器技術(shù)有可能降低塔式光熱發(fā)電的成本，因?yàn)樗梢詫F(xiàn)有565°C的熔鹽工質(zhì)運(yùn)行溫度提高近一倍按辱。

高溫意味著高效逗柴。粒子吸熱器能夠與高效率的超臨界二氧化碳和吸氣式布雷頓動力循環(huán)相匹配，使太陽能在高溫?zé)峄瘜W(xué)過程中取代化石燃料顿肺，比如滿足在800°C的溫度下分解水以提取氫氣或在1300℃下的噴氣燃料中制造碳中性太陽能燃料戏溺。

目前，研究人員已經(jīng)研究了多種類型的粒子屠尊，而在此過程中旷祸，沙子的低成本優(yōu)勢得以顯現(xiàn)。當(dāng)系統(tǒng)輸出功率為5MW時知染，這種粒子吸熱器將需要2000噸沙子進(jìn)行循環(huán)工作肋僧。

Al-Ansary指出：“我們對沙子工質(zhì)十分感興趣，因?yàn)闊o論用量多大控淡，你都無需考慮其成本問題嫌吠。”一定程度上來說，一些材料掺炭，特別是工程粒子可能在初始投資中占據(jù)相當(dāng)?shù)谋戎亍?ldquo;當(dāng)你需要數(shù)千噸工程粒子時辫诅，你可能需要投入較高的資金。”

沙特電力公司助力粒子吸熱器技術(shù)走向商業(yè)化

一直以來涧狮，有很多清潔能源領(lǐng)域的創(chuàng)新性研究在實(shí)驗(yàn)室研究獲得成功后炕矮，由于缺乏商業(yè)化試驗(yàn)而導(dǎo)致相關(guān)技術(shù)最終“流產(chǎn)”。然而粒子吸熱器研究小組非常幸運(yùn)刹越，他們得到了沙特電力公司的支持堡它，并可以積極開展相關(guān)工作殖锹。

目前，沙特電力公司正在資助和協(xié)助研究小組利用紅砂作為吸熱介質(zhì)開展研究工作衍醒，并致力于推動該項(xiàng)目于2018年進(jìn)入商業(yè)化測試階段席磕，這對該技術(shù)的推廣至關(guān)重要。

與熔鹽儲熱類似父驮，沙子每天損失的能量不到其儲存能量的1%照窥，但是其溫度幾乎可以達(dá)到熔鹽工質(zhì)的兩倍。Al-Ansary表示涎瓜，這是其對粒子吸熱器感興趣的主要原因羹李，同時他本人擁有15項(xiàng)專利，相關(guān)研究成果還在一些行業(yè)期刊上獲得發(fā)布慈宾。

“熔鹽工作溫度限制在565°C左右猖驹。”他說，“但是救鲤，采用不同種類的粒子作為吸熱介質(zhì)久窟，可以獲得更高的溫度秩冈，甚至高達(dá)1000°C本缠。我們小組采用不同的圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使用簡單的砌筑材料和隔熱性能良好的箱體入问，能夠?qū)崿F(xiàn)每天的熱損失降低到1%以下丹锹。”

全球首臺商業(yè)化粒子吸熱器擬于2018年年中開始制造

據(jù)了解，沙特電力公司將制造世界上第一臺商業(yè)化粒子吸熱器芬失，并計(jì)劃在1月和2月完成最后的原型測試后楣黍，于2018年年中付諸實(shí)施。

“沙特電力公司表示棱烂，他們正在準(zhǔn)備下一個階段租漂，大概輸出功率約5MW，并希望能成功發(fā)電以出售電力颊糜。”他說哩治。

“一旦我們完成了對KSU小型100kW電力設(shè)施的測試，且測試結(jié)果得到確認(rèn)衬鱼，沙特電力公司便可以開展他們的工作了扫矾。”

“事實(shí)上，沙特電力公司的部分工程師每天會和我們一起開展研究工作序机，并進(jìn)行一定程度地調(diào)整勘浇。在我們的共同努力下，我們可以確保粒子吸熱器的設(shè)計(jì)是成熟的寥只。當(dāng)我們進(jìn)入第三階段的工作時劈咕，其將完全實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。”

另外，桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室建設(shè)的光熱發(fā)電系統(tǒng)鏡場面積更大柏困，這對早期測試起著非常重要的作用烦盛。雖然位于利雅得的測試設(shè)備較小，但是其可以作為完整的發(fā)電系統(tǒng)(含換熱器和燃?xì)廨啓C(jī)系統(tǒng))進(jìn)行全流程演示肚轴。

缺乏電力的沙特偏遠(yuǎn)地區(qū)市場潛力巨大

事實(shí)上紧邑，除利雅得外，沙特阿拉伯的部分缺乏電力的偏遠(yuǎn)地區(qū)太陽能資源也十分豐富(DNI值約為2600kwh/㎡/y)稠还，適宜開發(fā)光熱電站伞缺。

Al-Ansary說：“沙特國家電網(wǎng)事業(yè)部對這個想法十分感興趣，因?yàn)槲覈S多偏遠(yuǎn)地區(qū)都缺乏電力叁丧，這些地區(qū)至多建設(shè)裝機(jī)5MW或者10MW的燃?xì)怆娬尽?ldquo;他們告訴我啤誊，這些地區(qū)大約需要1GW的裝機(jī)量，因此他們可以建造約200座大小的電站拥娄。”

與熔鹽塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)不同蚊锹，燃?xì)怆娬纠脽釅嚎s空氣進(jìn)行發(fā)電，目前裝機(jī)5MW的燃?xì)怆娬疽褜?shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用稚瘾。這種渦輪機(jī)已通過歐盟直接燃?xì)饧訜峤邮掌鞯臏y試牡昆。這種經(jīng)過驗(yàn)證的設(shè)計(jì)與光熱發(fā)電的粒子吸熱器的設(shè)計(jì)概念相契合，只需在設(shè)計(jì)上進(jìn)行些許更改摊欠。

正如Al-Ansary所述丢烘，這項(xiàng)研究從實(shí)驗(yàn)室規(guī)模到走向商業(yè)化是一個不尋常的過程，需要冷靜與信心些椒。盡管創(chuàng)新的清潔技術(shù)對于創(chuàng)造一個宜居的環(huán)境至關(guān)重要播瞳，但是要實(shí)現(xiàn)輕松的跨越絕非易事。“但是免糕，幸運(yùn)的是赢乓，我們獲得了支持。”Al-Ansary補(bǔ)充道堵沈。