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

題目：Viability Assessment of a Concentrated Solar Power Tower With a Supercritical CO?Brayton Cycle Power Plant[J].

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

DOI:10.1115/1.4043515

全文導讀

本文對集成太陽能塔式集熱裝置與超臨界CO?動力循環集成的太陽能熱發電系統的熱經濟性進行分析。研究以超臨界CO?再壓縮循環為動力單元，利用熔融硝酸鹽雙罐熱能儲存裝置對太陽熱能進行儲存，針對不同的儲能時長分析超臨界CO?太陽能熱發電系統的經濟性進行分析。研究發現，12小時高溫融鹽熱能儲存的經濟性能最佳，其發電成本相比于無儲能時降低50%。

本研究的目的是，對驅動超臨界CO?再壓縮布雷頓循環的太陽能熱發電裝置（CSP）進行熱力學和經濟分析。

本文的目標是，評估白天超臨界CO?發電機組在中高溫太陽能可用位置的系統可行性，并調查4、8、12和16小時蓄熱對增加太陽能利用率和年發電量的作用。

本文以沙特阿拉伯（利雅得）的一座城市為例，給出了系統優化與評估的案例。為了實現單位成本內最高的能源產量，本文對定日鏡場設計、超臨界CO?布雷頓循環和熔鹽儲能（TES）調度系統以及相應的運行參數進行了優化。

太陽能熱塔式發電系統（SPT）是一種CSP系統，因為其可以在相對較高的溫度下運行。目前的SPT—TES場由定日鏡場、太陽能塔、接收器、換熱器和兩個熔鹽TES罐組成。主要的熱經濟性指標是容量系數和平準化電力成本（LCOE）。

研究結果表明，采用超臨界CO?動力循環的SPT-TES，使用熔融鹽進行12小時的蓄熱，這在經濟上是可行的。結果還表明，在最佳LCOE為$0.1078/kW h時，將12小時蓄熱裝置與一個SPT集成，對60%的容量因數有很大的積極影響。

圖：塔式太陽能聚光集熱系統

結果討論

本研究的主要目標是開發綜合CSP模型，使用（SAM、工程方程求解器（EES）和SOLARPILOT）來研究具有超臨界CO?動力循環的SPT電廠的可行性。該模型優化了定日鏡場和TES調度，并預測了TES在不同運行模式下全年連續運行的年太陽能場能量輸出。

首先，與非TES—CSP相比，SPT裝置（TES-CSP）中加入足夠的熔鹽蓄熱對裝置性能和經濟性有著強烈的積極影響。此外，在蓄熱12小時的情況下，LCOE從0.209美元/千瓦時（非TES—CSP）降至0.1078美元/千瓦時（TES-CSP），降幅為50%。因此，CSP—TES是一種實用的方法，在技術和經濟上都是可行的。

第二，在沙特阿拉伯利雅得，帶有超臨界CO?發電廠的CSP系統在經濟上和技術上都是可行的，因為它具有較高的容量因數，并提供有競爭力的LCOE。隨著接收器出口溫度限制的提高，CSP—超臨界CO?每千瓦時的價格預計將進一步下降。SNL的一項研究預計，通過將硝酸鹽出口溫度限制提高到650°C，LCOE將減少8%。

第三，熔融鹽【60%硝酸鈉（NaNO?）+40%硝酸鉀（KNO?）】適合作為HTF、還原劑冷卻劑和蓄熱介質，并具有技術和經濟效益（即無毒、熱容高、成分穩定）。但是，與熔鹽接觸的所有設備必須進行微量加熱和隔熱，以避免鹽凍結（鹽在230°C下凍結）。

第四，定日鏡在資本成本中所占比例最高，約占系統總投資的50%，應更多地關注定日鏡技術的改進，以降低SPT裝置的成本。

根據動力塊中的?分析，主加熱器的熱力損失最高，其次是LTR。另一方面，汽輪機和壓縮機的熱力損失最低。循環的高潛力改進應集中在熱交換器上，尤其是主加熱器和低溫回熱器上。

此外，沙特阿拉伯的利雅得是塔式太陽能電站的合適城市，因為它提供了關鍵的成功因素。首先，DNI相對較高（年平均約為7.65 kWh/m2/天），年平均風速正常(約3米/秒）。

最后，向沙特阿拉伯社區引入太陽能是“適應新的2030年沙特愿景”的一部分，該愿景是經濟多元化計劃的一部分，旨在促進可再生能源使用以實現國家可持續性。（圖文：梁婭冉）