美國Sandia實驗室最近發表一篇論文，關於在塔式太陽能熱（CSP）發電技術中，使用鋁土礦等沙子顆粒作為傳熱介質在高達1500°C的溫度下傳遞熱量的傳熱成本分析。
該課題是首批全面研究集成組件系統（如用於運輸沙子的起重器和輸送機）的研究之一。研究發現，移動大量的熱顆粒是可行的，只是需要多個提升機或數條輸送線，而且整個系統平準化度電成本可能高達1美分/千瓦時。
研究人員對100 MWe太陽能熱發電項目中的高溫顆粒輸送組件的設計和技術經濟分析，建議系統設計人員儘可能使用基於重力的方法，以滿足美國能源部設定的到2030年5美分/千瓦時的LCOE總體目標。
為什麼要採用沙子等顆粒作為傳熱介質？
就新一代塔式光熱發電技術而言，研究用於收集和傳遞太陽熱量的沙粒介質很重要。由於大多數陶瓷顆粒都可以承受高達1500°C以及更高的溫度，這不僅使電力生產更加高效，而且在難以脫碳的工業中還可以直接替代化石燃料。如在水泥和鋼鐵生產通常需要高溫，這使得這項技術對於實現整體二氧化碳排放目標具有獨特的重要性。
在這項技術中，沙粒在塔頂被太陽場中數千面鏡子反射的集中陽光加熱後，從開放式吸熱器上落下，利用重力，沙粒從吸熱器下落到儲熱罐，通過熱交換器落到底部的冷罐里，然後返回塔上進行再加熱以恢復循環。
然而，攜帶如此多的沙粒也帶來了工程上的挑戰，不僅要將塔架抬高到吸熱塔項部260米處，還要將其水平輸送到可以掉落的地方。因此，其中一個關鍵考慮因素是如何移動如此多的沙粒。如果將這種沙粒作為傳儲熱介質的太陽能技術用於在商業項目，取代化石燃料熱量，其規模約為100 - 150 MWe，這將涉及超過50000噸的連續循環沙粒。而幾乎3噸的沙粒在任何時候都會自由落體約5秒，以每秒60米的速度撞擊下面的反應堆。
向採礦業借款
在這項新研究中，Sandia研究人員利用採礦提升機的經驗，確定了適用於基於顆粒的光熱發電技術，在商用顆粒處理和輸送組件的技術準備水平、性能限制、資本和運營成本，以及預期熱損失。
「我們研究了水平輸送，」主要作者Jeremy Sment指出。「將沙粒水平移動到下一個組件的成本是多少？在這個溫度下容納5000萬公斤的顆粒，並將它們提升到250米高的塔頂，到底要花多少錢。我曾與起重機專家、輸送機製造商和筒倉設計工程師合作，我們得出的結論是，這完全有可能的符合SETO的電力成本目標。
他補充說：「我們還研究了通過重力移動顆粒的塔式集成系統，繞過組件之間移動顆粒所需的輸送機械。我們開發了一個塔式集成存儲模型，該模型表明了塔壁中需要多少材料來支撐這些顆粒。粗略估計，這可能需要900萬到1300萬美元用於垂直集成系統的額外混凝土、額外鋼筋等材料費用。」
當然，這種設計有望降低LCOE。然而，以前從未建造過具有大量存儲空間的太陽能塔，這需要更多的工作來量化額外的加固，以支撐塔中所含顆粒的全部重量。
工作進展
雖然簡單的溜槽在直覺上似乎是卸載沙子的最便宜的選擇，因為它們只是依靠重力便可以輸送沙粒。但Sment發現，如果需要增加塔的額外高度來支撐從箕斗到吸熱器的斜槽，那麼額外建造塔的成本實際上，並不是好的選擇。
論文表示，顆粒系統的吸熱塔可能需要更高，以適應跳躍的傾覆半徑，排放箱，吸熱器的傾斜管道系統，以及顆粒堆的額外高度，足以覆蓋吸熱器的寬度。
「你必須把塔頂抬高到足以在吸熱器頂部安裝一個料斗，該料斗可以將顆粒流入吸熱器，」Sment說。「這是昂貴的鋼鐵工程。因此，一旦這些傾斜度變得如此之高，以至於塔壁必須延伸，機械輸送機就開始成為顆粒處理的低成本選擇。
「早期的論文的結果有點令人沮喪，」他承認。「我們不得不用一些不同的想法重新計算，這些想法並不依賴於增加塔的高度，我認為這更適合6美分到5美分的目標。
更好的方法可能是在塔內跳躍，將其裝載的顆粒直接傾倒到吸熱器上方的盒子中。
他解釋：「如果在塔內不需要水平輸送，因為跳躍可以設計為直接排放到吸熱器中。但我不知道是否要使用滑槽或者使用輸送機。這些都需要充分了解吸熱塔的成本，才能真正做出這一決定。」
對商業化選擇的由調研表明，熱儲存罐必須在熱交換器上方。
「我們已經考慮將儲能提升到熱交換器上方，」Sment說。「因為現在天氣太熱了，無法移動800至1000°C的顆粒。如果沒有昂貴的金屬合金，任何超過640°C的東西都可能令人望而卻步，因為我們不希望輸送機冷卻系統或露天通風從顆粒中吸收熱量，因此它們受到鋼的軟化點的限制。通過抬高儲料箱，可以將其直接排放到熱交換器中，從而將加熱的顆粒降低到約500°C，在那裡它們可以安全地移動到顆粒輸送機中。
為了在顆粒冷卻後在塔底進行這種水平輸送，義大利的一家公司Magaldi擁有專利權的Eco Belt技術，將能夠處理約640°C的顆粒，產能高達每小時1800噸。
「我們會同時對它們進行編號，以獲得我們需要的能力。對於大約700萬美元的設備，我們可以使用2台輸送機將1000公斤/秒的顆粒從熱交換器下方移動到冷罐中。「他指出。
Sment強調，這種對現實世界成本的技術經濟比較是一項正在進行的工作。例如，使用兩個跳躍式提升機來提升沙子將超過美國能源部的成本目標。但是，一台跳躍式提升機將接近採礦業先例的重量限制。
除了對輸送系統進行編號外，還有一些系統設計因素會影響流速;這包括粒子類型、粒子溫度和熱能儲存能力。這些變化可能會影響接收器或熱交換器的選擇，或者可能會在相關組件中產生工程返工，這可能會影響最佳性能，因此需要更多的系統分析。
存在許多不確定性，需要更多的研究和開發，但這讓基於粒子的CSP開發人員了解粒子循環系統的成本和局限性。