一种用于塔式太阳能电站的新型超临界二氧化碳再压缩布雷顿循环

文章信息：

JoséI.Linares,María J.Montes,Alexis Cantizano,Consuelo Sánchez.

A novel supercritical CO₂recompression Brayton power cycle for power tower concentrating solar plants[J].

Applied Energy,2020,263

全文导读：

作为一个可调度的可再生能源系统，具有蓄热功能的塔式太阳能发电厂将在向低碳场景的过渡中发挥关键作用。MgCl₂/KCl/NaCl三元盐由于其较低的熔点、较高的热容、较低的成本和高达800℃的稳定性而成为最有前途的化合物之一。由于所有商业选择的涂层在空气中都会降解，与外露式吸热器相比，腔体吸热器在较高的工作温度下能最大限度地减少辐射热损失，因此本文选择了腔体吸热器。

由于超临界布雷顿循环即使在干冷却条件下工作，也可达到高于50%的效率，因此本文的动力循环模块选择超临界布雷顿循环。因为印刷电路热交换器(PCHE)能够支持高压，所以常被推荐使用，然而在使用熔融盐时，其中会出现小通道堵塞的问题。因此，本文提出了一种新型超临界CO₂布雷顿动力循环，其热量通过低压侧(超过85bar)提供，可使用壳管式换热器，熔融盐在壳侧流动，能以更低的投资实现更高的紧凑性。且本文研究了在干冷和湿冷两种情况下，基于中间冷却和再加热的再压缩布局的不同选择。在湿冷情况下推荐采用再热方式，其效率可达54.6%，投资8662美元/千瓦；中冷再热是干冷的最佳选择，效率可达52.6%，投资8742美元/千瓦。

图：新型再压缩循环

结果讨论：

本文研究了干冷和湿冷两种情况，前者在中冷再热布置的再压缩循环中效率最高，在300bar的涡轮进口压力下可达52.6%。不进行再热(带或不带中间冷却)的选择已经被抛弃，因为它们的效率达不到50%，而带中间冷却的再热循环在225bar时可以达到50%。在湿冷情况下，再压缩循环(既没有中冷也没有再热)在250bar时的效率超过51%，如果增加再热，则可提高到54%以上。

如果一个先进的太阳能发电厂设置50%的循环效率的目标，那么将首先考虑将湿冷情况下的再压缩循环在这项新技术中进行测试，因为其与传统超临界CO₂布雷顿循环(使用管壳式换热器的涡轮进口压力限制在200bar)相比，降低了0.4个百分点。再热可以减小熔盐的温差，增加其储量(在潮湿的情况下大约为62%)。对于经济评估，所分析的布局方式的投资范围都在8614至8742美元/千瓦。

本文所提出的新型循环利用较高的涡轮进口压力来增加比功，并以较高的压力来补偿较低的涡轮进口温度。此外，壳管式换热器工作压力的降低可以显著降低换热器的投资成本。因此，所提出的循环能够面对潜在的熔盐堵塞问题，能够实现更高的致密性(更好的动态响应)和更低的投资成本，并保持较高的效率。