聚焦式太阳能热发电系统

聚焦式太阳能热发电系统（ CSP）利用集热器将太阳辐射能转换成高温热能，通过热力循环过程进行发电。作为一种开发潜力巨大的新能源和可再生能源开发技术，美国等国家都投入了大量资金和人力进行研究，先后建立了数座 CSP示范工程，目前该项技术已经处于商业化应用前期、工业化应用初期。 CSP只利用太阳直射能量，不接受天空漫辐射。由于太阳能的供给是不连续的，一部分 CSP系统采用蓄热技术来保障有效使用和提供时间延迟，另一部分 CSP系统采用燃气等作补充能源。这种混合动力技术可提供高价值的、可调度的电力。CSP 系统依其集热方式的不同，大致分为槽式、塔式、碟式 3 种。槽式系统是利用抛物柱面槽式反射镜将阳光聚焦到管状的接收器上，并将管内传热工质加热，直接或间接产生蒸气，推动常规汽轮机发电。塔式系统是利用独立跟踪太阳的定日镜，将阳光聚焦到一个固定在塔顶部的接收器上，以产生很高的温度。碟式系统是由许多镜子组成的抛物面反射镜，接收器在抛物面的焦点上，接收器内的传热工质被加热到高温，驱动发动机进行发电。槽式系统的技术已经成熟， 正处于商业拓展阶段， 基本上没有技术和经济风险。 美国加州有 9 个 SEGS（ Solar Electric Generating system ）采用槽式系统，已运行 15 年，目前运行状况更好，最大输出功率 354 MW，采用混合动力 75％太阳能， 25％天然气。但蒸气最高温度 375℃，太阳能日效率 20,年效率 15％。槽式系统是目前均化成本（ LEC）最低的CSP系统，是美国能源部近期计划推荐的优选项目。在西班牙、印度、埃及、希腊、墨西哥、摩洛哥、南非等国家都有不少槽式系统的示范工程。塔式系统正处在研究其商业化可行性的阶段。一些国家着手建立大容量的、参加电网统一调度的示范工程。（ 1）美国从 1980 年开始相继完成 Solar One 、 Solar Two 两个 10MW级塔式 CSP后， 2002 年与西班牙合作，在西班牙建造一个 15MW级 Solar Tres 塔式 CSP，预计 2006 年完工，这是第一个真正商业运作的项目。该项目的定日镜组是 Solar Two的 3 倍大，定日镜的性能大幅提高，但制造成本却下降了 45；它还采用了一个 120MW.t高温集热器，热流能力更强，热吸收效率提高了 3；同时也采用了一个巨大的蓄热系统，贮存 6250Mt 的硝酸熔融盐，总容量 600MWh，可维持 16h。由于采用了许多先进技术， 预计年发电效率将提高 6， 年利用系数将达到 65％。 （ 2） 南非 ESKOM公司准备建造一个 100MW级塔式 CSP，目前可行性报告己经出来。还有一些国家也建立了或正在建造塔式 CSP，但规模不够大，技术也未达到商业级应用水平。由于塔式 CSP工作温度可超过 l000 ℃，太阳能效率通常比槽式高些，日效率可达 23，年效率 20％。一般地，槽式与塔式 CSP系统可能不具备分布式发电的经济性特点和潜在优势，这是因为（ l ）目前的发展策略集中在 50MW以上的大系统，这对大多数分布式能源负荷场合显得过大；（ 2）系统的安装需要大量的土地，而分布式能源是一个位于用户端或靠近用户端的能源利用设施，而这些用户端附近很难提供大量的土地；（ 3）供气和电力输出的基础设施建设必须与当地供气／电力公司的输配系统相关联，独立性不强。这些特点决定了槽式与塔式系统将与传统的一些中央发电系统竞争，但由于 CSP系统的最大功率输出通常与当地电网用电高峰一致，所以， CSP特别应用于电力削峰。槽式与塔式系统的发电成本依赖聚光面积规模，即装机容量，如 50MW槽式电站的发电成本只有 10MW电站的 50，因此建立大规模太阳能热发电站是降低太阳能发电成本的趋势和必要途径。美国 Sandia 国家实验室预测，到 2015 年前后，槽式与塔式系统的均化成本分别约为 5 美分／度与 4 美分 / 度，到2020 年前后，槽式与塔式系统的均化成本分别约为 4.3 美分 / 度与 3.5 美 / 度，应用前景和竞争力可想而知。以点聚焦的模块化的碟式系统输出功率规模可从 2～ 50kw，适用于分布式能源系统。输出功率 25kW的碟直径 10m，目前最先进的是碟式嘶特林系统，工作温度 750℃，太阳能日效率 27，年效率 23％。但初装费用几乎是其他两种 CSP的 2 倍， MTBF（平均故障间隔时间）值尚不能满足可靠性运行要求，在远距发电方面又受到光伏电池的竞争，后者的安装与运行维护成本低得多，因此离市场化还比较远。众所周知，蓄热（ TES）技术是合理有效利用现有能源、优化使用可再生能源和提高能源效率的重要技术。蓄热技术主要应用于以下 3 个方面（ l ）在能源的生产与其消费之间提供时间延迟和保障有效使用；（ 2）提供热惰性和热保护（包括温度控制） ; （ 3）保障能源供应安全。CSP 优于光伏发电一项重要特点就是能采用相对经济的 TES技术，蓄电则非常昂贵。 CSP系统中采用 TES技术的目的是为了降低发电成本，提高发电的有效性，它可以实现（ l ）容量缓冲；（ 2）可调度性和时间平移；（ 3）提高年利用率；（ 4）电力输出更平稳；（ 5）高效满负荷运行等。例如一塔式 CSP系统，如果无蓄热装置，年利用率只有 25，有则能提高到 65，且不需要燃料作为后备能源。因此， TES技术将是 CSP成功走向市场化，能与传统电力相竞争的一个关键要素。1 CSP 系统中的蓄热技术先根据 TES的机理，分别介绍 CSP系统中的显热蓄热、相变蓄热及化学反应蓄热。再讨论 TES的一般设计原则。1.1 显热蓄热CSP 中的显热蓄热是目前技术最成熟且具有商业可行性的蓄热方式。 显热蓄热又分为液体显热蓄热、 固体显热蓄热、液 - 固联合显热蓄热 3 种。1.1.1 液体显热蓄热槽式系统带 TES装置通常有两种布置形式图 1 的槽式系统常采用合成油作为传热介质（ HTF） , 熔融盐液作为显热蓄热材料， HTF与蓄热材料之间有油 - 盐换热器，这种布置称为间接 TES。图 2 的槽式系统采用熔融盐液既作为 HTF又作为显热蓄热材料的方式，无油 - 盐换热器， 这种布置称为直接 TES。后者的优点是可以减少一个换热步骤，避免了 HTF与蓄热材料之间的不良换热，而且适用于 400～ 500℃的高温工况。但后者也面临一个问题槽式 CSP的管网系统是平面布置，且管道多，管内的 HTF不容易排出，又由于熔融盐的凝固点通常高于 120℃，当采用熔融盐液 HTF时，就得使用隔热和伴随加热的方法防止冻结，这样导致初期投资与运行维护成本过大；以前也选用矿物油作为 HTF/蓄热材料时， 不存在冻结问题， 但由于矿物油的温度不能高于 300℃， 否则易分解， 这样限制了槽式系统的工作温度不能超过 300℃，导致效率比较低；当然也可以选用合成油作为 HTF/蓄热材料，但其价格没有熔融盐那么便宜，实际上不用于蓄热材料，而且合成油的温度也不能高于 400℃，这自然也限制了槽式系统的工作温度不能超过 400℃，但间接 TES 综合考虑了防冻与蓄热材料成本问题。 SEGS槽式系统中分别应用了此两种方案进行了现场实验，后者显示了后来居上的发展潜力，特别是高温工况的应用为朗肯循环效率提高到 40创造了条件。但前者的研究、应用和技术相对成熟些，已经显示了TES 为槽式系统带来的好处。塔式系统带 TES 装置通常采用了图 3 的布置形式，图 3 也是 Sular Two 与 Solar Tres塔式 CSP的示意图。塔式系统采用熔融盐液作为 HTF/ 显热蓄热材料的方式，这是因为塔式系统的管网系统绝大部分是竖直布置在塔内，管内的 HTF 容易排出，解决防冻问题的成本不大，而且其工作温度比槽式系统高，因此该方案对塔式系统几乎是唯一的选择。为了弥补单一蓄热物质的劣势， 常采用合成物或共晶混合物。例如 Solar Two系统采用 60NaNO340KN03 的硝酸盐混合物，其熔点为 220℃，到 600℃还能保持热稳定性； SEGS槽式系统分别采用过了二苯基氧（ Therminol VP-1） 、Hitec（ 53KNO3 7NaN0340NaN02） 、 Hitec XL （ 45KNO3 45Ca（ N03） 2 7NaNO3）等。 CSP系统中常见的 HTF 或液体显热蓄热材料见表 1。其实， HTF 采用合成油或熔融盐都不是特别理想，合成油因其分解温度低，无法应用在提高槽式系统的工作温度 （如超过 450℃）来获得高效率的场合；而熔融盐因其熔点高，在冬天或晚上易冻结，保证其处于液态需要高的运行成本。于是一些室温离子液体（ room temperature ionic liquid ,RTIL ）成为目前比较理想的 HTF/液态显热蓄热二合一材料。离子液体的熔点低，液程宽，没有可测量的蒸气压，不可燃，热容量大，低黏性，热稳定性好，无挥发性，导热系数大，具有优良的动力学可控性，更重要的是离子液体价格便宜且易制备，可通过选择适当的阴离子或微调阳离子的烷基链，改善离子液体的物理性质和化学性质， 这些特点引起了大家的注意。 例如一种 ［ C4mim］ ［ BF4］ 离子液体的液程范围为 -79～459℃，目前已进入试验阶段。1.1.2 固体显热蓄热与美国不同，德国等欧盟国家比较重视直接蒸气发电 DSG） CSP 系统中的应用与研究（见图 5） 。蓄热系统则常采用固体显热蓄热材料，成本低是其最大的优势，但它显然只能用于间接 TES。德国航天航空研究中心（ DLR）的 Tamme等在研究砂石混凝土和玄武岩混凝土的基础上，研究开发耐高温混凝土和铸造陶瓷等固体蓄热材料，耐高温混凝土的骨料主要是氧化铁，水泥为黏结剂；铸造陶瓷骨料也主要是氧化铁，黏结剂包括氧化铝等。它们具有分布均匀，低孔，与HTF 换热管接触良好， 能采用模块化蓄热设计等优点。 在阿尔梅里亚太阳能实验基地（ PSA）与槽式系统进行联合试验，效果良好，现在正准备 MWh 级的中试。1.1.3 液 -固联合显热蓄热为了降低槽式系统中的双罐熔融盐液间接蓄热装置的固定投资成本， Sandia 国家实验室的 James 等设计并测试一个2.3MWh 的斜温层单罐蓄热系统（ thermocline tank storage） ，见图 4。双点划线框内的斜温层单罐 TES 可替代图 1 中双点划线框内的双罐熔融盐液 TES 而与槽式系统整合。 斜温层单罐是利用密度与温度冷热的关系， 当高温熔融盐液在罐的顶部被高温泵抽出，经过油盐换热器冷却后，由罐的底部进入罐内时，或者当低温熔融盐液在罐的底部被低温泵抽出，经过油盐换热器加热后，由罐的顶部进入罐内时，在罐的中间会存在一个温度梯度很大的自然分层，即斜温层，它像隔离层一样，使得斜温层以上熔融盐液保持高温，斜温层以下熔融盐液保持低温，随着熔融盐液的不断抽出，斜温层会上下移动，抽出的熔融盐液能够保持恒温，当斜温层到达罐的顶部或底部时，抽出的熔融盐液的温度会发生显著变化。为了维持罐内温度梯度分层，就必须严格控制液体盐液的注入和出料过程，在罐内合理填充固体蓄热材料以及配置合适的成层设备， 如浮动进口、 环壳式换热器等， 图中虚线表示蓄热材料被加热的循环过程。 该试验证实了液态蓄热材料 NaNO3与 KN03 的熔融盐混合物与固态蓄热材料石英岩、硅质沙具有良好的相容性；温跃层罐蓄热系统的设计理念是可行的，试验结果和经济性都令人振奋，其固定投资成本约为双罐熔融盐液间接蓄热系统的 65％。1.2 相变蓄热相变蓄热材料具有相变潜热大、相变温区窄等特点，跟显热蓄热比较，可显著降低蓄热系统的尺寸，但选择合适的相变材料（ PCM）及换热器设计比较困难。因此， CSP系统中的相变蓄热技术还处于试验研究或中试阶段。其使用有两种情形。（ l）在 DSG 槽式系统中，采用单一 PCM 的蓄热方式（见图 5） 。图 5（ a）是 DSG 槽式系统的基本工作原理示意图，图 5a是 DSG 槽式系统联合蓄热技术的示意图。该系统只有水／蒸气作为 HTF，在 HTF 与 PCM 的换热过程中，其蒸气 HTF 压力基本保持恒定，温度也保持稳定，此时，要求 PCM 相变时温度变化范围也小。德国等 13 个国家从 2004 年开始共同实施的 DISTOR 项目，就是为 DSG 槽式系统设计完善的相变蓄热系统，主要任务是研究 230～ 330℃的加膨胀石墨的复合相变材料（ EG-PCM） ，应用微胶囊技术以及设计逆流相变蓄热换热器，达到降低成本的目的。（ 2） 在采用合成油作为 HTF 的槽式系统中， 合成油 HTF 的温度变化范围从 250～ 400℃，水／蒸气 HTF 的温度变化范围是从 200～ 400℃，这就要求 PCM 在换热过程中，温度变化也比较大，因此，此时单一相变材料（ PCM）是无法满足要求。于是， 1989 年，美国 LUZ 公司就提出了级联相变蓄热的设计方案［见图 6（ a） ];l993 年 DLR 与 ZSW（德国太阳能及氢能研究中心）共同提出了 PCM/显热蓄热材料 /PCM 混合蓄热方法［见图 6（ b） ]，并提出了可采用表 2 的 PCM用于级联相变蓄热或混合蓄热。 1996 年 Michels 等用 3 个竖立的壳管换热器串联，壳内分别放置了 KN03、 KN03/KC I、NaNO3 三种 PCM ，证实了级联相变蓄热的可行性。相变蓄热技术的实际应用进展不大，主要是固液相变换热器的设计没有取得突破，微胶囊技术可能提供了一种方法，但对于高温换热需要进一步探讨。 CSP系统中应用 PCM 是出于经济性、 可靠性设计的考虑，并不是因为 PCM 本质上是一种良好的蓄热材料。1.3 化学反应蓄热化学反应蓄热是指利用可逆化学反应的结合热储存热能。尽管可逆热化学反应蓄热虽然具有储能密度大的特点，但应用技术和工艺太复杂，存在许多不确定性。1991 年， Brown 等采用 CaO与 H2O，进行了小规模的蓄热试验研究，认为系统约束条件苛刻，价格偏贵，但认为氢氧化物与氧化物之间的热化学反应将是化学反应蓄热的潜在对象。1999 年澳大利亚国立大学提出了氨化学反应蓄热系统，在热反应器中氨吸热分解成氢与氮，在氨合成反应器中热量被回收，该蓄热系统是与碟式 CSP进行整合，但理论分析槽式 CSP 也能保证反应的温度条件。尽管化学反应蓄热的技术不成熟， 但利用太阳能热化学反应循环制氢便是一种间接蓄能技术， 这方面的应用发展很快。太阳能热化学反应循环制氢技术就是利用 CSP 系统提供的高温环境与热化学反应装置联合，采用金属氧化物作中间物，输入系统的原料是水， 产物是氢和氧， 不产生 CO 和 C02。 可用于太阳能热化学反应循环制氢的金属氧化物有 ZnO、 FeO、CoO 等，反应温度大约 1000K ，大大低于直接分解水的效率，且效率可以达到 30，是很有潜力的制氢技术。不管选择何种 TES 型式，都要从技术和经济两方面考虑。技术设计基本准则包括蓄热总容量、工作名义温度、额定负荷时单位焓降、 最大负荷、 运行策略以及如何联合 CSP等。 同时 TES设计中一些通用的技术基本要求同样适用于 CSP系统中，例如 （ l）蓄热材料能量密度大； （ 2）传热流体（ HTF）与蓄热材料之间的换热性好； （ 3）传热流体、换热器与蓄热材料之间相容性良好； （ 4）蓄热材料化学性质稳定，力学性能好，具有长期稳定性； （ 5）可逆性好，能经受大量反复的加热与冷却循环； （ 6） 热损失少； （ 7）容易控制等。 另一方面，从经济的角度看，任何 TES 设计都要进行效益成本分析。 TES 系统成本主要包括蓄热材料、换热器以及相应配套设备的成本等。综上所述，经济型的 TES 设计对 CSP 的市场竞争力影响效果更为明显。双罐熔融盐塔式系统的应用已经没有太多的争议；对于槽式系统，目前没有一种蓄热方式占有绝对的优先权，双罐熔融盐直接或间接蓄热目前应用风险性相对小一些，是近期发展的主要候选对象；相变蓄热将是中长期的优先研究对象，但没有技术迹象表明化学反应热蓄热目前具有竞争力。2 国内目前技术发展现状我国在 “ 十五 ” 期间 “ 863”项目中对 “ 分布式发电系统 ” 进行了立项研究，开辟了我国太阳能高温热利用和发电的历史。通过 “ 十五 ” 期间 “ 863”、 “ 973”项目以及国家自然科学重大基金项目的支持以及一批企业的参与，我国在太阳能热发电的多个研究方面，尤其是关键技术方面的研究已经取得了一批科研成果和实用化技术。 “ 十五 ” 期间，中国科学院电工研究所、皇明太阳能集团与工程热物理研究所联合研制了 3 台直径 5m 的太阳能碟式聚光器，该设备在技术指标及经济指标上已经达到目前国际先进水平，同时联合研制成功了采光口宽度开口为 2.5m、长 12m 的槽式聚光器一套，具备所有的自主知识产权。 而塔式聚光器技术涉及到传热流体技术、 高温吸热器技术、 聚光塔技术、 定日镜技术和发电循环技术等，我国刚刚开始局部单元技术的研究，例如河海大学和南京玻璃纤维研究院合作研制成功了 10 ㎡、 20 ㎡、 40 ㎡定日镜，中国科学院电工研究所与皇明太阳能集团合作正在研制 100 ㎡的大型定日镜等。 2005 年年底， 南京玻璃纤维研究院张耀明院士通过与以色列魏滋研究院的技术合作，在南京江宁建成国内第一座太阳能塔式热发电示范电站并正式发电成功，但并非典型的塔式系统，规模只有 70kW，采用空气作为 HTF，没有蓄热系统，研究的重点仍放在定日镜上。随着可再生能源法于 2006 年 1 月 1 日生效，将势必大大推动我国可再生能源利用技术的发展。其中风力发电和太阳能热发电在我国将率先实现产业化，为保障能源供应做出贡献。太阳能热发电技术及系统示范工程列入了 “ 十一五 ” 科技计划重大项目，目标是在 “ 十一五 ” 期间建成 1MW 级塔式太阳能电站的试验示范热场。通过 “ 十一五 ” 期间的研究，掌握目前世界上通行的基于 Rankine循环的塔式太阳能热发电站的全套设计技术， 开发出一批具有自主知识产权的关键材料和部件，如高精度、高反射率玻璃镜，耐高温太阳能选择性吸热涂层，高精密度定日镜，大热流密度吸热器，传热蓄热一体化材料、熔融盐流体强化换热器等。这将为我国今后几十年发展大规模太阳能电站奠定基本手段。3 结语对于太阳能可再生能源的开发，成本是第一位的，效率第二，而 TES 设计对 CSP 的市场竞争力影响效果非常明显。而国内现有工作基础又主要集中在定日镜等聚光技术方面， 因此在重视定日镜、 高辐射能流密度吸 /热换热器等关键技术的同时，应该对 TES 设计也给予足够的重视。以美国 Solar Two 塔沟熔融盐太阳能热发电技术作为跟踪对象，采用双罐熔融盐直接蓄热方式， 自主开发制备硝酸盐熔融盐换热 /蓄热材料， 通过等温试验与热循环试验测试其热物理性质与高温长期稳定性， 完成熔融盐流体强化换热结构研究， 将是我国在今后一段时期内， 开展 CSP 系统蓄热技术研究的一个方向。