Приемник частиц
Приёмник частиц — это объект, расположенный на вершине солнечной башни , на поверхности которого концентрируется солнечная энергия посредством солнечного поля, состоящего из большого количества зеркал, называемых гелиостатами . Целью является преобразование солнечной энергии в тепловую энергию , которую можно использовать в тепловом процессе, термохимическом процессе или в тепловом двигателе для производства электроэнергии на солнечной электростанции . Для этого необходимо ввести в приемник определенный материал, называемый теплоносителем, который затем нагревается, прямо или косвенно, концентрированной солнечной энергией, прежде чем покинуть приемник с более высокой температурой. В отличие от приемников, используемых в традиционных концентрированных солнечных электростанциях (CSP), электростанциях, которые используют расплавленные соли в качестве теплоносителя, который нагревается косвенно, протекая через металлические трубы, подвергающиеся воздействию концентрированной солнечной энергии, приемники частиц принимают твердые частицы, которые затем могут нагреваться прямо или косвенно, в зависимости от рассматриваемой технологии. [1] [2]
Одним из основных преимуществ использования частиц в качестве теплоносителя является возможность прямого нагрева, при котором частицы подвергаются непосредственному воздействию падающего солнечного излучения, что позволяет избежать проблем, связанных с неравномерным нагревом приемных трубок. [3] Также возможность достижения температуры выше 1000 °C. [1] позволяет использовать цикл Брайтона со сверхкритическим CO 2 в качестве рабочего тела , что позволяет достичь более высокого термического КПД по сравнению с паровым циклом Ренкина , который используется на обычных электростанциях CSP, у которых максимальный температурный предел составляет 565 °C из-за проблем, связанных с с термической стабильностью расплавленных солей. [2] [4] [5]
Приемник частиц с прямым нагревом
[ редактировать ]Свободнопадающий приемник
[ редактировать ]
Эта технология основана на свободно падающей завесе из частиц внутри полости приемника, которая поглощает концентрированное солнечное излучение. Идея использования падающих твердых частиц в концентрированной солнечной электростанции для подачи высокотемпературного тепла в энергетический цикл или химический процесс была предложена в новаторской работе, проведенной Мартином и Витко в начале 1980-х годов в Национальных лабораториях Сандии . [6] [7] Однако первый шаг к демонстрации концепции в более широком масштабе был сделан в 2009 году на Национальном полигоне солнечных тепловых испытаний в Альбукерке, штат Нью-Мексико, где прототип приемника частиц был размещен на вершине солнечной башни высотой 61 метр с солнечным полем, способным обеспечить мощность 5 МВт тыс . . В результате этих испытаний тепловой КПД приемника составил около 50%, а максимальное повышение температуры частиц составило около 250 °C. [8] Более комплексные испытания были проведены в 2015 году с использованием приемника мощностью 1 МВт с апертурой размером 1 на 1 метр, через которую в полость поступает концентрированное солнечное излучение. Термический КПД ресивера колебался от 50% до 80%, а температура частиц на дне ресивера в некоторых случаях достигала 700 °C. [9]
Ограничение максимальной температуры расплавленных солей, используемых на обычных солнечных электростанциях, привело к семинару, организованному Министерством энергетики США (DOE) в августе 2016 года, на котором были определены три возможных пути создания электростанций CSP следующего поколения на основе следующего тепла: носители переноса: расплавленные соли, твердые частицы и газообразные жидкости. [2] Это в дальнейшем привело к программе финансирования концентрирующих систем солнечной энергии поколения 3, которая началась 15 мая 2018 года, когда Министерство энергетики объявило о своем намерении выделить 72 миллиона долларов на проект, в котором три команды будут соревноваться в создании системы, интегрированной с хранилищем тепловой энергии , которая способен эффективно улавливать солнечную энергию и передавать ее в рабочее тело энергетического цикла при температуре выше 700 °С. [10] 25 марта 2021 года Министерство энергетики объявило, что путь внедрения падающих твердых частиц является наиболее многообещающим для достижения целевых показателей затрат в 0,05 доллара США за кВтч к 2030 году, и выделило Sandia National Laboratories 25 миллионов долларов США на строительство, тестирование и эксплуатацию пилотной установки, использующей приемник частиц на Национальный испытательный стенд солнечной тепловой энергии, строительство которого планируется завершить к концу 2024 года. [11] [12]
Засоренный приемник потока
[ редактировать ]Идея препятствования потоку частиц при сохранении концепции прямого нагрева мотивируется тем, что замедлив поток частиц, можно повысить тепловую эффективность приемника за счет увеличения непрозрачности завесы частиц и уменьшить их потери. через отверстие. Первые испытания этой концепции проводились в Сандии в 1980-х годах, но до 2010-х годов не было опубликовано ни аналитических, ни экспериментальных исследований. Эксперименты, проведенные в Сандиа в 2015 году с использованием пористых структур шевронной формы, позволили улучшить нагрев частиц и снизить их потери через апертуру приемника. Однако возникли проблемы, связанные с прямым воздействием на нержавеющую сталь 316, использованную для изготовления этих пористых структур, концентрированного солнечного излучения и ее износом из-за потока частиц по ней. [1] [9] Другая конструкция предлагает использовать спиральную рампу, по которой частицы движутся за счет комбинированного эффекта гравитационной силы и механически вызванных вибраций . Испытания показали, что можно достичь температуры частиц 650 °C и термического КПД около 60%. Однако эта конструкция требует оптики с направленным вниз лучом, что приведет к дополнительным оптическим потерям, и с использованием предлагаемой конструкции может быть трудно получить значительный поток частиц. [13]
Центробежный ресивер
[ редактировать ]
Эта концепция основана на вращающейся цилиндрической полости, которая может быть наклонена относительно горизонтального направления. За счет вращения полости частицы образуют тонкий, но непрозрачный слой на внутренней поверхности полости. Эти частицы затем нагреваются концентрированным солнечным излучением и медленно опускаются в осевом направлении полости под действием гравитационной силы. [14] Первоначально концепция была предложена Фламантом в конце 1970-х и начале 1980-х годов, но дальнейших разработок не было, пока DLR не начала работать над этой концепцией в начале 2010-х годов, когда они начали испытания прототипов в лабораторных масштабах. [15] Для проверки концепции 15 кВт центробежный ресивер мощностью был спроектирован, изготовлен и испытан на предприятии DLR в Кельне , и результаты показали, что можно достичь температуры частиц на выходе более 900 °C. Однако из-за проблем с измерением массового расхода частиц определить тепловой КПД приемника не удалось. [14] В ходе дальнейших экспериментальных кампаний был получен тепловой КПД 75% при температуре частиц на выходе, равной 900 °C, с падающим тепловым потоком 670 кВт/м. 2 . [16] С 2018 года эта концепция приемника установлена на испытательном стенде Solar Tower в Юлихе . [17]
псевдоожиженный ресивер
[ редактировать ]Этот приемник может работать по двум возможным принципам работы. Первый из них был предложен Фламантом одновременно с центробежным ресивером и основан на прозрачной кварцевой стенке, через которую проходит концентрированная солнечная энергия и нагревает твердые частицы, взвешенные с помощью сжатого воздуха . Целью было нагреть взвешенные частицы, чтобы осуществить декарбонизацию CaCO 3 и, следовательно, преобразование солнечной энергии в термохимическую. Проведенные испытания показали, что можно достичь температуры частиц выше 1200 °C. [18] Второй принцип работы был предложен Хантом в конце 1970-х годов и основан на впрыскивании очень мелких частиц в поток сжатого воздуха, которые поглощают концентрированную солнечную энергию и благодаря большой площади поверхности немедленно передают это тепло окружающему воздуху. Нагрев смеси производится до испарения частиц, а затем воздух направляется в цикл Брайтона для производства электрической энергии. [19]
Приемник частиц с непрямым нагревом
[ редактировать ]Гравитационный поток частиц через корпуса
[ редактировать ]Эта концепция приемника состоит из корпуса с горизонтальными трубками, внешняя сторона которых находится внутри корпуса, а внутренняя сторона облучается концентрированной солнечной энергией. Идея состоит в том, что частицы будут стекать внутрь корпуса под действием гравитационной силы и вокруг расположенных в шахматном порядке трубок при нагревании. Испытания показали, что теплообмен между частицами и трубками снижается в тех областях, где частицы теряют контакт с трубками, однако никаких данных о температурах и термической эффективности не сообщалось. Преимущества этой концепции включают отсутствие потерь частиц из-за наличия корпуса, однако могут возникнуть проблемы, связанные с термическими нагрузками на корпус из-за непрямого нагрева частиц. [1]
Поток псевдоожиженных частиц через трубы
[ редактировать ]Эта концепция аналогична концепции псевдоожиженного приемника с прямым нагревом, с той лишь разницей, что теперь трубки не прозрачны, а частицы нагреваются косвенно с помощью металлических трубок. Фламант предложил и продемонстрировал эту концепцию и получил температуру суспензии до 750 ° C, однако он не сообщил о тепловой эффективности. Возможные проблемы, связанные с этой идеей, включают потребление электроэнергии для псевдоожижения частиц в приемнике, а также возможные горячие точки и высокие температуры поверхности, которые могут увеличить потери радиации в окружающую среду. [1]
Выбор частиц
[ редактировать ]
Важным фактором при оценке тепловых характеристик приемника частиц и экономической эффективности всей установки является тип используемых частиц. Желаемые свойства включают низкую стоимость, высокую термическую стабильность, а в случае приемников с прямым нагревом - оптические свойства . Природные материалы рассматриваются из-за их низкой цены, однако следует также обратить внимание на композиционные материалы, которые можно синтезировать для улучшения желаемых свойств, даже если они имеют более высокую цену. Поскольку в приемниках с прямым нагревом твердые частицы служат поглотителями солнечного света , их оптические свойства становятся решающими при оценке характеристик приемника. Было показано, что увеличение поглощения солнечной энергии более важно, чем уменьшение теплового излучения , а это означает, что частицы с высокой излучательной способностью все еще могут рассматриваться как хорошие кандидаты, если они имеют высокую поглощающую способность, но частицы с низкой поглощающей способностью не могут рассматриваться как хорошие кандидаты, даже если у них низкая излучательная способность. [20] Спеченные частицы боксита обладают высоким коэффициентом поглощения солнечной энергии, и было показано, что, несмотря на некоторую деградацию из-за длительного нагрева, они способны поддерживать его выше 90%. [21] Также было показано, что они являются наиболее прочными среди других частиц-кандидатов. [22] Поэтому был сделан вывод, что они являются лучшими кандидатами для использования в приемниках частиц с прямым нагревом, и, в частности, литейная среда промежуточной плотности «Accucast» была использована в Национальном испытательном стенде солнечной температуры в Сандии. [23]
См. также
[ редактировать ]- Концентрированная солнечная энергия
- Солнечная энергетическая башня
- Солнечный тепловой коллектор
- Солнечная тепловая энергия
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и Хо, Клиффорд К. (25 октября 2016 г.). «Обзор приёмников высокотемпературных частиц для концентрации солнечной энергии» . Прикладная теплотехника . Специальный выпуск: Научно-исследовательский институт солнечной энергии Индии и США (SERIIUS) – Концентрированная солнечная энергия. 109 : 958–969. doi : 10.1016/j.applthermaleng.2016.04.103 . ISSN 1359-4311 .
- ^ Jump up to: а б с Мехос, Марк; Турчи, Крейг; Видаль, Джудит; Вагнер, Майкл; Ма, Живэнь; Хо, Клиффорд; Колб, Уильям; Андрака, Чарльз; Круизенга, Алан (1 января 2017 г.). «Демонстрационная дорожная карта концентрации солнечной энергии Gen3» . дои : 10.2172/1338899 . ОСТИ 1338899 .
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ Маруган-Крус, К.; Флорес, О.; Сантана, Д.; Гарсиа-Вильяльба, М. (01 мая 2016 г.). «Теплоперенос и термические напряжения в круглой трубке с неоднородным тепловым потоком» . Международный журнал тепломассообмена . 96 : 256–266. doi : 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.01.035 . hdl : 10016/32068 . ISSN 0017-9310 .
- ^ Лю, Мин; Стивен Тэй, Нью-Хэмпшир; Белл, Стюарт; Белуско, Мартин; Джейкоб, Рис; Уилл, Джеффри; Саман, Васим; Бруно, Франк (01 января 2016 г.). «Обзор концентрации солнечных электростанций и новых разработок в области технологий хранения высокотемпературной тепловой энергии» . Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 53 : 1411–1432. дои : 10.1016/j.rser.2015.09.026 . ISSN 1364-0321 .
- ^ Бауэр, Томас; Пфлегер, Николь; Лэнг, Доэрте; Штайнманн, Вольф-Дитер; Эк, Маркус; Кеше, Стефани (01 января 2013 г.), Лантельме, Фредерик; Гроулт, Анри (ред.), «20 - высокотемпературные расплавленные соли для применения в солнечной энергетике» , «Химия расплавленных солей » , Оксфорд: Elsevier, стр. 415–438, doi : 10.1016/b978-0-12-398538-5.00020- 2 , ISBN 978-0-12-398538-5 , получено 4 июля 2023 г.
- ^ Мартин, Дж.; Младший, Витко Ю. (1 января 1982 г.). «ASCUAS: солнечный центральный приемник, использующий твердый теплоноситель» . дои : 10.2172/5663779 . ОСТИ 5663779 .
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ Тан, Тайде; Чен, Итун (1 января 2010 г.). «Обзор исследований твердотельных солнечных приемников» . Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 14 (1): 265–276. дои : 10.1016/j.rser.2009.05.012 . ISSN 1364-0321 .
- ^ Сигел, Натан П.; Хо, Клиффорд К.; Хальса, Сири С.; Колб, Грегори Дж. (01 мая 2010 г.). «Разработка и оценка прототипа приемника твердых частиц: испытания на солнце и проверка модели» . Журнал солнечной энергетики . 132 (2). дои : 10.1115/1.4001146 . ISSN 0199-6231 .
- ^ Jump up to: а б Хо, Клиффорд; Кристиан, Джошуа; Желтоволосый, Джулиус; Армихо, Кеннет; Колб, Уильям; Джетер, Шелдон; Голоб, Мэтью; Нгуен, Клейтон (2016). «Оценка работоспособности приемника высокотемпературных падающих частиц» . Том 1: Биотопливо, водород, синтез-газ и альтернативные виды топлива; ТЭЦ и гибридные энергетические и энергетические системы; Концентрация солнечной энергии; Хранение энергии; Экологические, экономические и политические аспекты передовых энергетических систем; Геотермальные, океанические и новые энергетические технологии; Фотовольтаика; Плакаты; Солнечная химия; Устойчивые энергетические системы зданий; Устойчивая инфраструктура и транспорт; Термодинамический анализ энергетических систем; Ветроэнергетические системы и технологии . дои : 10.1115/es2016-59238 . ISBN 978-0-7918-5022-0 .
- ^ «Концентрирующие солнечные энергетические системы третьего поколения (CSP Gen3)» . Energy.gov.ru . Проверено 4 июля 2023 г.
- ^ «Выбор проекта фазы 3 концентрирующих солнечных энергетических систем поколения 3 (CSP Gen3)» . Energy.gov.ru . Проверено 4 июля 2023 г.
- ^ Кремер, Сьюзен (18 февраля 2023 г.). «Sandia начинает работу над демонстрацией технологии CSP Gen-3 на основе частиц» . СоларПАСЕС . Проверено 4 июля 2023 г.
- ^ Сяо, Банда; Го, Кайкай; Ни, Минцзян; Ло, Чжунъян; Цен, Кефа (01 ноября 2014 г.). «Оптические и тепловые характеристики высокотемпературного спирального приемника солнечных частиц» . Солнечная энергия . 109 : 200–213. Бибкод : 2014SoEn..109..200X . дои : 10.1016/j.solener.2014.08.037 . ISSN 0038-092X .
- ^ Jump up to: а б Ву, В.; Амсбек, Л.; Бак, Р.; Улиг, Р.; Ритц-Паал, Р. (2014). «Проверочное испытание концепции центробежного приемника частиц» . Энергетическая процедура . 49 : 560–568. дои : 10.1016/j.egypro.2014.03.060 .
- ^ Фламан, Жиль; Эрнандес, Дэниел; Боне, Клод; Траверс, Жан-Пьер (1 января 1980 г.). «Экспериментальные аспекты термохимического преобразования солнечной энергии; Декарбонизация CaCO3» . Солнечная энергия . 24 (4): 385–395. Бибкод : 1980SoEn...24..385F . дои : 10.1016/0038-092X(80)90301-1 . ISSN 0038-092X .
- ^ Ву, Вэй; Требинг, Дэвид; Амсбек, Ларс; Бак, Райнер; Питц-Паал, Роберт (01 августа 2015 г.). «Испытание прототипа центробежного приемника частиц для высокотемпературных концентрирующих солнечных приложений» . Журнал солнечной энергетики . 137 (4). дои : 10.1115/1.4030657 . ISSN 0199-6231 .
- ^ Центр (DLR), Институт солнечных исследований немецкой аэрокосмической промышленности. «DLR – Институт солнечных исследований – инновация DLR CentRec® предлагает новые возможности снижения затрат» . www.dlr.de. Проверено 4 июля 2023 г.
- ^ Фламан, Жиль; Эрнандес, Дэниел; Боне, Клод; Траверс, Жан-Пьер (1980). «Экспериментальные аспекты термохимического преобразования солнечной энергии; Декарбонизация CaCO3» . Солнечная энергия . 24 (4): 385–395. Бибкод : 1980SoEn...24..385F . дои : 10.1016/0038-092X(80)90301-1 .
- ^ Хант, Эй Джей (1 апреля 1979 г.). «Новый солнечный тепловой приемник с теплообменником мелких частиц» . ОСТИ 5980027 .
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ Кальдерон, Алехандро; Барренеш, Камила; Паласиос, Анабель; Сегарра, Мерсе; Прието, Кристина; Родригес-Санчес, Альфонсо; Фернандес, Ана Инес (2019). «Обзор материалов твердых частиц для теплоносителя и хранения тепловой энергии на солнечных теплоэлектростанциях» . Хранение энергии . 1 (4). дои : 10.1002/est2.63 . hdl : 2445/175822 . ISSN 2578-4862 . S2CID 181863403 .
- ^ Сигел, Натан П.; Гросс, Майкл Д.; Кури, Роберт (01 августа 2015 г.). «Разработка средств прямого поглощения и хранения для центральных солнечных приемников падающих частиц» . Журнал солнечной энергетики . 137 (4). дои : 10.1115/1.4030069 . ISSN 0199-6231 . S2CID 110006586 .
- ^ Нотт, RC; Садовский, Д.Л.; Джетер, С.М.; Абдель-Халик, С.И.; Аль-Ансари, штат Ха; Эль-Лити, Абдельрахман (30 июня 2014 г.). Высокотемпературная стойкость твердых частиц для использования в солнечных энергетических системах с концентраторами нагрева частиц . Американское общество инженеров-механиков. дои : 10.1115/ES2014-6586 . ISBN 978-0-7918-4586-8 .
- ^ Хо, СК; Кристиан, Дж.; Желтоволосый, Дж.; Джетер, С.; Голоб, М.; Нгуен, К.; Реполе, К.; Абдель-Халик, С.; Сигел, Н.; Аль-Ансари, Х.; Эль-Лети, А.; Гоберайт, Б. (2017). «Основные моменты проекта приемника высокотемпературных падающих частиц: 2012 – 2016 гг.» . Solarpaces 2016: Международная конференция по концентрации солнечной энергии и химическим энергетическим системам . Материалы конференции AIP. 1850 (1): 030027. Бибкод : 2017AIPC.1850c0027H . дои : 10.1063/1.4984370 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Миллс, Брантли; Хо, Клиффорд; Шредер, Натаниэль; Шеффер, Рид; Лаубшер, Хендрик; Альбрехт, Кевин (2022). «Оценка проекта приемника высокотемпературных частиц нового поколения для концентрирующих солнечных тепловых приложений» . Энергии . 15 (5). MDPI: 1657. doi : 10.3390/en15051657 .
- Гонсалес-Портильо, Луис; Альбрехт, Кевин; Хо, Клиффорд (2021). «Технико-экономическая оптимизация установок ЦСП с приемниками свободнопадающих частиц» . Энтропия . 23 (1). MDPI: 76. Бибкод : 2021Entrp..23...76G . дои : 10.3390/e23010076 . ПМЦ 7825578 . ПМИД 33419200 .
- Рёгер, Марк; Амсбек, Ларс; Гоберайт, Биргит; Бак, Райнер (2011). «Приемник твердых частиц лицевой стороной вниз с использованием рециркуляции» . Журнал солнечной энергетики . 133 (3). АСМЭ. дои : 10.1115/1.4004269 .
- Бак, Райнер; Смент, Джереми (2023). «Технико-экономический анализ многобашенных солнечных электростанций» . Солнечная энергия . 254 . Эльзевир: 112–122. Бибкод : 2023SoEn..254..112B . doi : 10.1016/j.solener.2023.02.045 . S2CID 257592663 .