Helium-Gas-Brayton-Zyklus und Rankine-Zyklus kombiniertes System mit PCM-Wärmespeicherung für ein effizientes CSP-System

Zusammenfassung: Damit ein Konzentrations-Solarenergie (CSP)-Werk eine hohe thermische Effizienz erreicht und den Betrieb in der Nacht aufrechterhalten kann, ist eine Hochtemperaturheizung sowie die Integration von thermischer Energiespeicherung im System wichtig, was für die Kostenwettbewerbsfähigkeit der CSP im Vergleich zu Solar-Photovoltaik-Technologien noch kritischer wird. Um das Ziel zu erreichen, schlägt die vorliegende Arbeit vor, ein Konzentrations-Solarthermisches Kraftwerk mit kombinierten thermischen Zyklen zu entwickeln — einem Brayton-Zyklus (Heliumgas) bei hohen Temperaturen (800–850 °C) und einem Rankine-Zyklus (Wasser). Das Wasser im Rankine-Zyklus nimmt die Energie aus dem Kühlprozess des Heliumgases im Brayton-Zyklus auf, um Dampf zu erzeugen. Um eine hohe Konzentrationseffizienz des Solarempfängers und hohe Temperaturen im Solarempfänger zu erreichen, wurde ein neuartiger Jet-Eindringungs-Wärmeübertragungsansatz vorgeschlagen, um das Heliumgas zu erhitzen. Für eine kompakte und große Menge (16 Stunden) thermische Energiespeicherung bei Temperaturen ≥ 800 °C wurde NaCl als geeignetes Phasenwechselmaterial (PCM) aufgrund seines geeigneten Schmelzpunktes (801 °C), der hohen Wärme der Fusion (481,8 kJ/kg) und der großen Vorkommen sowie relativ niedrigen Kosten unter vielen Hochtemperatur-PCMs ausgewählt. Die Machbarkeit des vorgeschlagenen CSP-Systems wird durch grundlegende thermodynamische Analysen der kombinierten Zyklen, Untersuchung des Wärmeübergangs des Solarempfängers aus der Jet-Eindringung und Berechnung der Kapazität der PCM-Wärmespeicherung untersucht. Eine thermische Effizienz von 43,8–45,2 % wurde für das thermische Energiesystem als erreichbar angesehen. Die solar empfangene Effizienz kann bis zu 89,2 % erreichen. Wenn die gesamte Solarenergie in einem Feld, die zum Solarempfänger geleitet wird, 90 % erreichen kann, dann kann die Energie aus dem Solarfeld 35,2–36,3 % in elektrische Energie in einem solchen CSP-Kraftwerk umwandeln, das rund um die Uhr elektrische Energie erzeugen kann.