Môi trường truyền nhiệt mới và tường không khí tăng hiệu quả của các nhà máy điện tháp nhiệt mặt trời
Vật liệu gốm được đặc trưng về mặt quang học, nhiệt học và cơ học tại bệ thử nghiệm ngoài trời ở Fraunhofer ISE, với nồng độ năng lượng mặt trời gấp 1.000 lần. Ảnh: Fraunhofer ISE
Nhiệt độ máy thu càng cao thì nhà máy nhiệt điện mặt trời càng hoạt động hiệu quả. Tổn thất nhiệt đối lưu cũng có ảnh hưởng quan trọng đến năng suất. Dự án hợp tác HelioGLOW của Viện Fraunhofer về Hệ thống Năng lượng Mặt trời ISE và các đối tác công nghiệp đang nỗ lực giải quyết những thách thức này: Nhóm dự án đã nghiên cứu một phương tiện truyền nhiệt bằng gốm mới bao gồm thiết kế nhà máy điện và tường không khí để cách nhiệt cho máy thu. Xu hướng liên tục cải tiến các quy trình sản xuất được phản ánh trong sự phát triển của bộ định nhiệt Stellio.
Kết quả của dự án được trình bày trong báo cáo cuối cùng (bằng tiếng Đức) được xuất bản gần đây.
Các nhà máy điện tháp năng lượng mặt trời thông thường hoạt động với muối nóng chảy làm phương tiện truyền nhiệt, áp đặt giới hạn nhiệt độ: Trên 600°C, tính ăn mòn của muối sẽ gây hư hỏng. Dự án HelioGLOW hoạt động với phương tiện truyền nhiệt ở trạng thái rắn, cho phép nhiệt độ hoạt động hơn 1.000°C, giúp tăng hiệu quả đáng kể.
Phương tiện truyền nhiệt được truyền qua bộ thu thông qua một quy trình riêng giống như băng chuyền và được làm nóng ngay lập tức. Để đạt được mục tiêu này, Kraftblock GmbH đã phát triển các bộ phận thu gốm mới được làm bằng vật liệu không ăn mòn, thân thiện với môi trường với khả năng lưu trữ nhiệt cao. Vật liệu gốm được sản xuất trong quy trình tái chế, giúp tiết kiệm chi phí.
Sự phát triển và ổn định nhiệt độ của vật liệu được mô tả đặc trưng tại trạm thử nghiệm ISE của Fraunhofer, sau đó là các thử nghiệm trong thiết bị mô phỏng năng lượng mặt trời tại Viện Năng lượng IMDEA ở Madrid. Nhóm dự án đã có thể sử dụng các kết quả đo làm cơ sở để phân tích hành vi của vật liệu dưới bức xạ mặt trời cực mạnh. Tiến sĩ-Ing giải thích: “Mục tiêu tiếp theo sẽ là phát triển hơn nữa vật liệu của máy thu để cho phép năng lượng được truyền sâu hơn vào cơ thể. Gregor Bern, Giám đốc Nhóm Tập trung các hệ thống và công nghệ tại Fraunhofer ISE.
Máy thu trạng thái rắn mới kết hợp máy thu bức xạ, môi trường truyền nhiệt và vật liệu lưu trữ, giúp giảm chi phí xây dựng nhà máy điện. Điện trở truyền nhiệt và hạn chế về mật độ từ thông như trong bộ thu ống thông thường được loại bỏ. Kết quả là nhiệt độ cao hơn, có thể được duy trì tốt hơn ngay cả khi bức xạ mặt trời dao động, cũng góp phần giảm chi phí phát điện nhiệt mặt trời.
Tường không khí giảm 30% tổn thất nhiệt
Các tháp năng lượng mặt trời thường phải đối mặt với tổn thất nhiệt đối lưu, làm giảm hiệu suất khi nhiệt độ cao và bức xạ mặt trời có nồng độ cao. Mặc dù nhiệt độ không khí trên máy thu có thể lên tới 600°C, nhưng nhiệt độ của không khí xung quanh thường vào khoảng 30°C đến 40°C. Nhiệt từ bộ thu được truyền sang không khí mát hơn khi nó đi qua nó. Tuy nhiên, có thể đạt được sự phân tách các thể tích không khí khác nhau bằng các tấm kính thạch anh, tuy nhiên, loại kính này không có sẵn ở kích thước yêu cầu.
Để khắc phục vấn đề này, Fraunhofer ISE đã thử nghiệm ý tưởng về một "bức tường không khí" được tạo ra bởi các vòi phun mạnh trên lỗ mở của bộ thu để phân tách các lượng không khí.
Moritz Bitterling, cộng tác viên nghiên cứu trong nhóm dự án Fraunhofer ISE giải thích: “Cho đến gần đây, mới chỉ có các mô phỏng cho giải pháp này, nhưng công nghệ này chưa bao giờ được chứng minh trong một nhà máy điện thực tế.
Một thiết lập kiểm tra kích thước thông thường được trang bị ca. 50 cảm biến nhiệt độ đã được sử dụng để mô phỏng máy thu ở 600°C sử dụng các bộ phận làm nóng. Đối tác công nghiệp của chúng tôi, Luftwandtechnik GmbH, đã thiết kế một hệ thống tường khí dành riêng cho các ứng dụng nhiệt độ cao và lắp đặt hệ thống này tại trạm kiểm tra máy thu tại Fraunhofer ISE ở Freiburg. Sử dụng thiết lập này, tổn thất nhiệt đối lưu có tường không khí được so sánh với tổn thất nhiệt đối lưu không có tường không khí, đo công suất sưởi ấm cần thiết để đạt được 600°C. Các thông số vận hành phù hợp, chẳng hạn như góc của vòi phun trên tường khí và tốc độ luồng khí ra đã được thống nhất với Luftwandtechnik GmbH. Tổn thất nhiệt đối lưu của máy thu có thể giảm 30%. Công nghệ này cũng thích hợp cho các ngành công nghiệp khác làm việc với các quy trình nhiệt độ cao, trong đó việc tách các chênh lệch nhiệt độ chính trên lò, v.v. có thể giảm tổn thất. Các đối tác của dự án đang có kế hoạch thử nghiệm điều này trong các dự án tiếp theo.
Tiếp tục phát triển các bộ định nhiệt và toàn bộ nhà máy điện
Đối với việc sản xuất nhiệt điện mặt trời, có xu hướng hướng tới các tháp năng lượng mặt trời nhỏ hơn. Đây là lý do tại sao, trong dự án HelioGLOW, Fraunhofer ISE và sbp sonne GmbH đang làm việc để phát triển hơn nữa thiết bị định nhiệt Stellio của họ. Mục tiêu là một thiết kế trụ tháp được tối ưu hóa và sự thích ứng của thiết kế với các yêu cầu của năng lượng mặt trời nhỏ hơn để tiếp tục giảm chi phí. Fraunhofer ISE đã sử dụng chức năng quét laze 3D để đo các thông số của bộ định thời và các quy trình đã thử nghiệm để đo nhanh bộ định nhật tại hiện trường. Các phép đo độ lệch của các bề mặt phản xạ trong phòng thí nghiệm đã được sử dụng để phân tích các hiệu ứng biến dạng trong các tình huống tải trọng cụ thể.
Sau đó, nhóm tại Fraunhofer ISE đã phát triển một khái niệm tổng thể dựa trên tất cả các thành phần nêu trên, tích hợp bộ thu môi trường truyền nhiệt trạng thái rắn, tường không khí và bộ ổn định nhiệt Stellio được tối ưu hóa vào một nhà máy nhiệt điện mặt trời. Các nhà nghiên cứu đã đánh giá quy trình của nhà máy điện nào là phù hợp nhất để ghép nối và cách nhiệt có thể được truyền từ vật liệu ở trạng thái rắn sang quy trình của nhà máy điện. Toàn bộ hệ thống đã được mô hình hóa, kiểm tra và tính năng kinh tế và kỹ thuật của nó được đánh giá bằng cách sử dụng công cụ mô phỏng nhiệt-thủy lực ColSim CSP. Điều này đã có thể mở rộng trên các mô hình kinh tế kỹ thuật hiện có và xác định cách bố trí và vận hành lý tưởng cho một nhà máy điện với các thành phần mới.
