中國儲能網(wǎng)訊：光熱發(fā)電技術(shù)經(jīng)歷了水、導(dǎo)熱油、熔鹽為介質(zhì)的迭代升級。當前，槽式技術(shù)的首選導(dǎo)熱介質(zhì)為導(dǎo)熱油，塔式技術(shù)的主流則為熔鹽。
光熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展幾十年來，目前停留在以熔鹽為代表的第二代技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用層面。但要進一步降低光熱發(fā)電成本，必須加快對空氣、二氧化碳、顆粒、液態(tài)金屬等為介質(zhì)的新一代技術(shù)的研發(fā)和商業(yè)化應(yīng)用。
空氣作為傳熱介質(zhì)具有成本低、運行溫度高、系統(tǒng)效率高等優(yōu)點。早在上世紀70年代，采用熱空氣作為傳熱介質(zhì)的理念便風(fēng)行一時，但由于當時難以解決換熱、儲熱問題，相關(guān)研究一度陷入擱置狀態(tài)。
澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織CSIRO、德國DLR、德國Kraftanlagen Munchen Gmbh（KAM）等單位通過對空氣介質(zhì)的光熱發(fā)電系統(tǒng)進行的一系列研究試驗證明：空氣作為傳熱介質(zhì)，其運行溫度可達650℃以上，遠高于目前市場上平均運行溫度為565℃的熔融鹽和約400℃的導(dǎo)熱油，具有商業(yè)化的應(yīng)用潛力。
但熱空氣一直未得到商業(yè)化應(yīng)用，直接原因在于研究的不連續(xù)和缺少較大規(guī)模示范電站的實證，而根本原因在于熱空氣換熱能力不佳、儲熱難度大等弊端。由于空氣熱容小，傳熱能力差，散熱造成溫度快速下降，熱空氣的高溫難以維持。除此之外，熱空氣的高溫存儲也是技術(shù)難點之一。
CSIRO的積極努力
光熱發(fā)電領(lǐng)域?qū)峥諝獾膽?yīng)用可分為兩類：壓縮熱空氣與常壓熱空氣。壓縮熱空氣通常應(yīng)用于配置布雷頓循環(huán)系統(tǒng)的光熱電站，而常壓熱空氣則被應(yīng)用于配備朗肯循環(huán)汽輪機發(fā)電系統(tǒng)的光熱電站。如CSIRO在澳大利亞建設(shè)的示范電站即基于布雷頓循環(huán)，而此前中國的三花集團采用的以色列HelioFocus的技術(shù)即基于朗肯循環(huán)。
圖：CSIRO澳大利亞塔式示范電站
據(jù)澳大利亞CSIRO公布的數(shù)據(jù)，該組織目前已完成了輸出溫度達900℃的空氣吸熱器的試驗。該試驗吸熱器熱功率為600kW，壓強為5bar，輸入溫度為450℃，輸出溫度為900℃，表面能流達60~70kW/㎡，吸熱器表面溫度可控制在950℃以下，采光能流達700kW/㎡，吸熱效率達86%。
CSPPLAZA記者從CSIRO太陽能光熱中心負責(zé)人Jin-Soo Kim博士處了解到，該研究機構(gòu)的另一個90kW空氣吸熱器應(yīng)用了LBE（一種固體顆粒）儲熱，在解決熱空氣儲熱問題上邁進了一大步。在試驗中，在吸熱器輸出溫度為886℃的條件下，LBE輸入溫度490℃，輸出溫度可達771℃。
使用熱空氣作為傳熱介質(zhì)的吸熱器常采用孔隙狀陶瓷質(zhì)吸熱器，該材料優(yōu)點在于耐高溫、允許空氣流通、吸熱效率高。目前空氣吸熱器方面最新研究成果幾乎都出自CSIRO，而CSIRO也對CSPPLAZA記者表示，希望能在中國應(yīng)用以上經(jīng)過試驗階段驗證的空氣吸熱器，進行更大規(guī)模的技術(shù)驗證，為未來的商業(yè)化應(yīng)用積累更多數(shù)據(jù)。
圖：Jülich光熱示范電站
Jülich電站的示范
德國DLR于2008年在德國西北部的Jülich建成的光熱示范電站采用熱空氣作為傳熱介質(zhì)。這個1.5MW的Jülich高溫空氣集熱光熱示范項目主要由四個部分組成：吸熱系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、儲熱模塊、冷卻系統(tǒng)。其中安裝的一個新型空氣吸熱器由KAM供應(yīng)。
超過2000塊定日鏡將陽光集中到蜂巢狀、孔隙結(jié)構(gòu)的陶質(zhì)開放式吸熱器上。這種開放的孔隙結(jié)構(gòu)使得空氣能自由流通，并使熱量能深入到吸熱器內(nèi)部，加熱位于內(nèi)部的空氣，使得換熱更加均勻。
該吸熱器表面溫度可達1000℃以上，空氣輸入溫度180℃，輸出溫度約680℃。高溫?zé)峥諝鈸Q熱后產(chǎn)生水蒸氣，帶動汽輪機發(fā)電。水蒸氣經(jīng)過冷卻系統(tǒng)后回收到蒸汽發(fā)生器中，同時熱空氣溫度下降到180℃左右，經(jīng)由空氣循環(huán)回收至吸熱塔。
這個1.5MW的Jülich光熱示范項目采用固態(tài)儲熱，可將發(fā)電時間延長一倍。儲熱時，熱空氣從固態(tài)儲熱模塊的頂部進入，通過大量蜂巢狀陶制結(jié)構(gòu)完成換熱，之后從儲熱設(shè)施底部回到空氣循環(huán)系統(tǒng)中，放熱時空氣的流通方向則相反。由于儲放熱都在常壓狀態(tài)下進行，儲熱裝置并不需要造價高昂的耐高壓外壁。
HelioFocus的失敗
雖然有多家機構(gòu)在致力于空氣介質(zhì)光熱發(fā)電技術(shù)的研發(fā)應(yīng)用，但這種創(chuàng)新型技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用之路看起來并不好走。致力于空氣介質(zhì)光熱發(fā)電技術(shù)商業(yè)化之路的以色列HelioFocus在推動數(shù)年之后，目前已幾乎銷聲匿跡。
Heliofocus成立于2007年，其碟式光熱發(fā)電系統(tǒng)主要包括聚光碟、接收器以及熱力管路。聚光溫度高達1000攝氏度，每個碟的面積大約500平方米，把太陽能反射到一個能產(chǎn)生高溫空氣的腔式接收器上，隨后將高溫空氣傳至一個中央熱交換器中以產(chǎn)生蒸汽，蒸汽驅(qū)動汽輪發(fā)電機發(fā)電。
圖：三花內(nèi)蒙古1MW示范電站
2010年，中國的三花集團首次投資了Heliofocus，此后通過多輪增資持股超過30%。并開始在中國布局光熱項目的開發(fā)。
2013年10月29日，三花綠色太陽城項目一期1MW空氣介質(zhì)碟式光熱示范電站在內(nèi)蒙古阿拉善經(jīng)濟開發(fā)區(qū)建成，在落成儀式上，三花控股子公司內(nèi)蒙古太清光熱能源有限公司還與HelioFocus公司共同簽署了200MW光熱輔助火力發(fā)電項目的合作備忘錄，基本確定了項目后續(xù)的建設(shè)計劃
但在該項目的實際驗證之后，后續(xù)更大的項目規(guī)劃并未獲得實施。三花于2016年終止了與HelioFocus公司的合作，三花控股集團總裁張亞波在2016年10月舉辦的集團科技創(chuàng)新大會上公開表示，三花對以色列太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)的投資和開發(fā)未能實現(xiàn)預(yù)定技術(shù)和經(jīng)濟目標，果斷決定中止投入，結(jié)束該項目。
此后至今，HelioFocus在中國和全球市場逐漸淡去身影。
HelioFocus的失敗案例證明，空氣介質(zhì)光熱發(fā)電技術(shù)的商業(yè)化之路絕非坦途，要打開其商業(yè)化應(yīng)用之門尚需努力。
