高溫蓄熱技術(shù)在太陽能熱發(fā)電工程中的應(yīng)用

高溫蓄熱技術(shù)在太陽能熱發(fā)電工程中的應(yīng)用

csp熱電轉(zhuǎn)換部分熱發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)能源回?zé)岱绞降牟煌?，能源回?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)主要分為兩類：聚焦式和非聚焦式。其中非聚焦式系統(tǒng)主要有太陽能熱氣流發(fā)電和太陽能池?zé)岚l(fā)電兩種,而聚焦式太陽能熱發(fā)電(CSP)根據(jù)聚光形式的不同通常分為槽式聚焦、塔式定日鏡和碟式聚焦等3種,其主要原理是通過聚光器捕獲并聚集太陽輻射能、發(fā)送至接收器產(chǎn)生熱空氣或熱蒸汽,然后利用傳統(tǒng)的熱力循環(huán)使熱能驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。聚集式太陽能熱發(fā)電(CSP)具有技術(shù)相對(duì)成熟、發(fā)電成本低及對(duì)電網(wǎng)沖擊小等優(yōu)點(diǎn),最有可能與風(fēng)力發(fā)電、水力發(fā)電及化石燃料發(fā)電相競(jìng)爭(zhēng),被認(rèn)為是可再生能源發(fā)電中最有前途的發(fā)電方式之一;同時(shí),CSP熱電轉(zhuǎn)換部分與常規(guī)火力發(fā)電機(jī)組相同,有成熟的技術(shù)加以利用,因此特別適宜于大規(guī)?；褂?。由于太陽能具有能流密度低、晝夜間歇性、白天隨地球自轉(zhuǎn)輻射強(qiáng)度不斷變化的基本特性,經(jīng)聚光設(shè)備聚集的太陽能具有非連續(xù)、非穩(wěn)態(tài)的特點(diǎn),而熱發(fā)電系統(tǒng)需要穩(wěn)定運(yùn)行。為了解決這一矛盾,目前主要有兩種解決方案:(1)在系統(tǒng)中配置蓄能系統(tǒng),將收集到的太陽能儲(chǔ)存起來,以便為電站在夜間或者氣候條件較差時(shí)提供熱能,保證連續(xù)發(fā)電;(2)將太陽能與其它能源組成互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng),在太陽能供應(yīng)不足的情況下,由其它能源供應(yīng)能量,從而保證系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。其中第一種方案更具有吸引力和應(yīng)用前景,在配置蓄熱子系統(tǒng)后,可實(shí)現(xiàn)容量緩沖、可調(diào)度性和時(shí)間平移、提高年利用率、電力輸出更平穩(wěn)、高效滿負(fù)荷運(yùn)行等作用,因此蓄熱技術(shù)將是實(shí)現(xiàn)太陽能高效利用的核心性、通用性的關(guān)鍵技術(shù)。以塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)為例,如果無蓄熱裝置,年利用率只有25%,增設(shè)蓄熱裝置則能提高到65%,且不需要燃料作為后備能源。圖1所示為一個(gè)典型的以熔融鹽作為傳熱蓄熱工質(zhì)的塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)流程圖,主要包括聚光集熱、熱量蓄存與傳遞、熱功轉(zhuǎn)換等過程。要降低太陽能熱發(fā)電成本必須進(jìn)一步提高各個(gè)能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的效率,本研究將主要針對(duì)其中的熱量蓄存過程與技術(shù)進(jìn)行研究分析。蓄熱技術(shù)的性能和成本,取決于傳熱蓄熱介質(zhì)材料性能以及蓄熱/放熱過程設(shè)計(jì)和控制兩方面。1樹木與熔鹽的熔融利用太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中,傳熱蓄熱介質(zhì)主要使用在吸熱器、蓄熱器與傳熱管路內(nèi),直接影響系統(tǒng)的吸熱、傳熱與蓄熱性能,因此高效傳熱蓄熱介質(zhì)的開發(fā)和選擇一直是太陽能熱利用需要解決的關(guān)鍵問題。太陽能熱發(fā)電技術(shù)從20世紀(jì)80年代發(fā)展至今,傳熱蓄熱介質(zhì)經(jīng)歷了“水-水蒸氣-空氣-液態(tài)金屬-導(dǎo)熱油-熔融鹽”的變化過程。其中空氣作為吸熱與傳熱介質(zhì)具有不污染環(huán)境、無相變、高工作溫度(可達(dá)1300℃)、維護(hù)簡(jiǎn)便、無須附加保溫及冷啟動(dòng)加熱系統(tǒng)等優(yōu)點(diǎn),但其傳熱性能差且比熱容小,不能作為蓄熱介質(zhì),而且如何利用空氣將高能量密度的熱量傳輸給終端設(shè)備(如汽輪機(jī))仍是一個(gè)技術(shù)難題;以水作為吸熱器與蓄熱器的傳熱介質(zhì)具有其它工質(zhì)難以替代的優(yōu)點(diǎn),例如水的熱導(dǎo)率高、無毒、無腐蝕、易于輸運(yùn)、水/水蒸氣作為蓄熱介質(zhì)比熱容大等,缺點(diǎn)是水/水蒸氣在高溫時(shí)存在高壓?jiǎn)栴},從而對(duì)熱傳輸系統(tǒng)的耐壓提出了非常高的要求,增加了設(shè)備投資與運(yùn)行成本;液態(tài)金屬能應(yīng)用于較高的溫度,且金屬材料密度大、導(dǎo)熱率高、整體溫度分布均勻,具有良好的吸熱和放熱性能,但是金屬的比熱容小,熱負(fù)荷高時(shí)溫度波動(dòng)大,而且高溫下與空氣接觸易燃易爆;美國(guó)SolarOne太陽能電站采用了導(dǎo)熱油作為傳熱介質(zhì),導(dǎo)熱油既可用于蓄熱又可用于傳熱介質(zhì),一般適用于400℃以下的場(chǎng)合,但是油類在高溫時(shí)的蒸汽壓力非常大(400℃時(shí)大于1MPa),使用其作為蓄熱介質(zhì)需要特殊的壓力閥等設(shè)備,而且價(jià)格昂貴、存在安全隱患。由于熔融鹽具有高使用溫度、高熱穩(wěn)定性、高比熱容、高對(duì)流傳熱系數(shù)、低粘度、低飽和蒸汽壓、低價(jià)格等四高三低的優(yōu)勢(shì),兼具蓄熱與傳熱功能,因而熔融鹽傳熱蓄熱技術(shù)將是太陽能高溫?zé)崂玫陌l(fā)展重點(diǎn),近些年一直受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注,開展了熔融鹽的制備及熱力學(xué)性質(zhì)研究,涉及氯化鹽、碳酸鹽、硝酸鹽等。目前,熔融鹽作為傳熱蓄熱介質(zhì)已在一部分太陽能熱發(fā)電站中得到成功應(yīng)用。1981年歐共體在意大利西西里的Adrano附近建成了Eurelios塔式電站,該電站采用Hitec鹽(7wt%NaNO3+53wt%KNO3+40wt%NaNO2)作為蓄熱材料。1983年西班牙的CESA-1電站運(yùn)行并發(fā)電,該電站同樣采用Hitec鹽作為蓄熱介質(zhì)。1984年在美國(guó)新墨西哥州Albuquerque建立了750kW的熔鹽發(fā)電試驗(yàn)裝置(MESS),采用硝酸鹽作為傳熱和蓄熱介質(zhì)。1996年在吸收以往熔鹽實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,SolarTwo太陽能試驗(yàn)電站在美國(guó)加利福尼亞的Mojare建成,SolarTwo采用熔鹽SolarSalt(60wt%NaNO3+40wt%KNO3)作為傳熱和蓄熱介質(zhì),此熔鹽在220℃時(shí)開始熔化,在600℃以下熱性能穩(wěn)定。2001年意大利啟動(dòng)了ENEA聚光太陽能熱發(fā)電計(jì)劃,建成了一個(gè)28MW的太陽能槽式熱發(fā)電系統(tǒng),采用熔融鹽作為傳熱蓄熱介質(zhì)。2003年意大利建成了太陽能槽式集熱器熔融鹽循環(huán)測(cè)試系統(tǒng)PCS,主要對(duì)SolarSalt熔鹽進(jìn)行循環(huán)試驗(yàn),測(cè)量其傳熱流動(dòng)等性能。2006年西班牙設(shè)計(jì)建造了50MW的槽式聚光太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)Andasol1,該電站已于2008年投入運(yùn)行使用,其后又加建了相同容量的Andasol2和Andasol3,三者均采用SolarSalt熔鹽作為蓄熱介質(zhì)。位于西班牙南部城市Ecija的正在建設(shè)當(dāng)中的Gemosolar電站,同樣采用硝酸鹽作為傳熱蓄熱介質(zhì),蓄熱能力達(dá)到了15h。美國(guó)能源部于2008年9月資助了15個(gè)關(guān)于太陽能熱發(fā)電的傳熱和蓄熱研究項(xiàng)目,其中7個(gè)項(xiàng)目涉及熔融鹽,由此可見熔融鹽作為傳熱蓄熱介質(zhì)的優(yōu)越性。最近,研究又發(fā)現(xiàn)一種新的蓄熱介質(zhì)—離子性液體,這是一種低熔點(diǎn)的鹽,可在400℃以下作為傳熱蓄熱介質(zhì),具有很好的應(yīng)用前景,但目前成本較高,未有實(shí)際應(yīng)用。2合成油的蓄熱系統(tǒng)高溫傳熱蓄熱過程是提高光-熱-電系統(tǒng)效率的關(guān)鍵技術(shù)之一。太陽能蓄熱系統(tǒng)主要有單罐式和雙罐式。熔融鹽雙罐蓄熱方法是太陽能蓄熱技術(shù)的主要形式,西班牙CESA-1和美國(guó)SolarTwo電站即使用了雙罐熔融鹽蓄能,這種方式具有高/低溫罐分別控制、放熱速度快、換熱環(huán)節(jié)少、效率高的優(yōu)點(diǎn),但由于蓄熱罐材料與熔融鹽使用量大、高溫維持等因素導(dǎo)致單位造價(jià)與運(yùn)行成本相對(duì)較高。在歐洲的槽式電站中也在嘗試使用高溫混凝土蓄熱,其優(yōu)點(diǎn)是成本非常低,缺點(diǎn)是儲(chǔ)放熱速度慢。太陽能蓄熱的發(fā)展趨勢(shì)是基于熔融鹽工質(zhì)的斜溫層蓄熱、熔融鹽潛熱蓄熱、低成本混凝土蓄熱以及陶瓷蓄熱。美國(guó)LUZ公司在加利福尼亞的Daggett建成第一個(gè)商業(yè)化電站—SEGS-I,電站流程如圖2所示。SEGS-I電站為槽式太陽能熱電站,采用Caloria礦物油作為傳熱和蓄熱介質(zhì),該礦物油在常壓、溫度低于315℃的條件下為液態(tài)。蓄熱工作時(shí),冷油罐內(nèi)的合成油經(jīng)泵輸送到太陽能收集場(chǎng)中,經(jīng)吸熱器加熱后進(jìn)入熱油罐;放熱時(shí),熱油罐內(nèi)的高溫油則流過蒸汽發(fā)生器加熱冷卻水生成飽和蒸汽,溫度降低后流回冷油罐,兩個(gè)儲(chǔ)油罐的容量可為3個(gè)小時(shí)透平全負(fù)荷提供足夠的能量?jī)?chǔ)存。在之后的SEGS系列電站中,為滿足更高電站運(yùn)行溫度的要求,使用了TherminolVP-1合成油作為集熱介質(zhì),其使用溫度可以達(dá)到400℃左右。電站工作流程如圖3所示,系統(tǒng)采用雙罐蓄熱方式,以熔融鹽為蓄熱介質(zhì),蒸汽產(chǎn)生回路的傳熱介質(zhì)為合成油或熔融鹽,如圖3((a)、(b)所示。與顯熱蓄熱相比,相變蓄熱可以顯著降低蓄熱系統(tǒng)的尺寸,其關(guān)鍵技術(shù)在于具有適合溫度段相變材料的選擇以及換熱方式和換熱器結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。美國(guó)LUZ公司提出了用于SEGS電站的級(jí)聯(lián)相變蓄熱設(shè)計(jì)方案,如圖4所示。由于采用單工質(zhì)蓄熱,即同一種工質(zhì)兼當(dāng)傳熱和蓄熱的作用,可以有效解決雙工質(zhì)蓄熱存在的換熱環(huán)節(jié)多、效率低等問題,研究人員對(duì)其進(jìn)行了一系列探索性的研究工作。其中最具代表性的即為SolarTwo太陽能試驗(yàn)電站,其流程如圖5所示。SolarTwo采用SolarSalt復(fù)合熔鹽作為傳熱和蓄熱介質(zhì),蓄熱系統(tǒng)由一個(gè)直徑為11.6m、高為7.8m的冷鹽罐和一個(gè)直徑為11.6m、高為8.4m的熱鹽罐組成,兩個(gè)鹽罐可存放熔鹽1500t,蓄熱能力為105MW·h,可供汽輪機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行3個(gè)小時(shí)。系統(tǒng)工作時(shí),冷鹽罐內(nèi)的熔鹽經(jīng)熔鹽泵被輸送到高塔上的吸熱器內(nèi),吸熱升溫后進(jìn)入熱鹽罐;同時(shí),高溫熔鹽從熱鹽罐流經(jīng)蒸汽發(fā)生器,加熱冷卻水產(chǎn)生蒸汽,驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)運(yùn)行,而熔鹽溫度降低后則流回冷鹽罐。SolarTwo塔式試驗(yàn)電站蓄熱系統(tǒng)從1996年一直運(yùn)行到1999年結(jié)束,是目前運(yùn)行最成功的熔鹽蓄熱系統(tǒng)。SolarTwo電站是美國(guó)太陽能熱發(fā)電計(jì)劃中最令人矚目的一個(gè)項(xiàng)目,但仍是試驗(yàn)電站,是推進(jìn)塔式系統(tǒng)商業(yè)化進(jìn)程的先導(dǎo)工程,該電站在運(yùn)行3年之后進(jìn)行了評(píng)估,其發(fā)電實(shí)踐不僅證明了熔融鹽蓄熱技術(shù)的可行性,而且促進(jìn)了30～200MW塔式系統(tǒng)的商業(yè)化進(jìn)程。SolarTres是借鑒了SolarOne和SolarTwo的成功運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)興建的,為一座塔式聚焦太陽能熱發(fā)電站,沿襲了SolarTwo雙罐直接蓄熱的方式,以熔融鹽作為傳熱蓄熱介質(zhì),設(shè)計(jì)蓄熱能力為588MW·h,提供的熱能可實(shí)現(xiàn)汽輪機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行達(dá)16h。文獻(xiàn)提出了一種新型的太陽能塔式熱發(fā)電系統(tǒng),采用雙級(jí)蓄熱技術(shù),將收集到的太陽能根據(jù)能量品位的高低進(jìn)行分級(jí)存儲(chǔ),從而實(shí)現(xiàn)了熱能利用中的“溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”原則。如圖6所示,高品位能量由高溫蓄熱器(熱罐)蓄存,低品位能量由低溫蓄熱器(冷罐)蓄存。蓄存能量在釋放時(shí),低、高溫蓄熱器分別用于蒸汽的發(fā)生、過熱過程,兩者相互獨(dú)立又互相補(bǔ)充。由于采用雙罐蓄熱方法時(shí),蓄熱容器與蓄熱介質(zhì)使用量大且高溫維持困難,導(dǎo)致了單位造價(jià)及運(yùn)行成本相對(duì)較高。美國(guó)于1982年在加利福尼亞州Barstow建立了SolarOne塔式太陽能試驗(yàn)電站,如圖7所示,SolarOne太陽能試驗(yàn)電站采用間接式蓄熱,系統(tǒng)裝置為一圓形儲(chǔ)熱罐,稱之為斜溫層罐,內(nèi)裝有6100t砂石和牌號(hào)為CaloriaHT-43的導(dǎo)熱油。來自吸熱器內(nèi)的高溫蒸汽與高溫導(dǎo)熱油換熱以后,高溫導(dǎo)熱油進(jìn)入斜溫層罐,熱油和冷油在罐中自然形成熱油在上、冷油在下的分層,蓄熱系統(tǒng)能量的釋放是通過合成油逆循環(huán)流過蓄熱罐至蒸汽發(fā)生器來實(shí)現(xiàn)的。SolarOne第一電站蓄熱系統(tǒng)具有兩個(gè)特點(diǎn):(1)采用碎石和沙等價(jià)格低廉的填充材料代替昂貴的合成油,降低蓄熱系統(tǒng)成本;(2)與雙罐式蓄熱系統(tǒng)相比,采用斜溫層罐蓄熱,節(jié)省了一個(gè)罐的費(fèi)用。斜溫層罐根據(jù)冷、熱流體溫度不同而密度不同的原理在罐中建立溫躍層,但由于流體的導(dǎo)熱和對(duì)流作用,真正實(shí)現(xiàn)溫度分層有一定困難。此外,SolarOne采用導(dǎo)熱油作為蓄熱材料,由于導(dǎo)熱油的熱穩(wěn)定性限制,其蓄熱溫度一般不高于380℃,為了滿足電站運(yùn)行溫度越來越高的要求,必須提高蓄熱系統(tǒng)的工作溫度,而熔鹽由于成本低、使用溫度高以及在高溫時(shí)蒸汽壓力非常低等優(yōu)點(diǎn),成為良好的高溫蓄熱材料。在SEGS電站中設(shè)計(jì)了基于熔融鹽的斜溫層蓄熱,既提高了蓄熱溫度,又保持了蓄熱系統(tǒng)的低成本,其工作原理如圖8所示。為了降低槽式系統(tǒng)中的雙罐熔融鹽間接蓄熱裝置的固定投資成本,美國(guó)Sandia國(guó)家實(shí)驗(yàn)室Pacheco等設(shè)計(jì)并測(cè)試一個(gè)2.3MW·h的熔融鹽斜溫層單罐蓄熱系統(tǒng),這是一種液-固聯(lián)合顯熱蓄熱方式,有機(jī)地結(jié)合了液體良好的熱傳輸性能與固體蓄熱的低成本優(yōu)點(diǎn),如圖9所示。斜溫層單罐是利用密度與溫度冷熱的關(guān)系,當(dāng)高溫熔融鹽液在罐的頂部被高溫泵抽出,經(jīng)過油鹽換熱器冷卻后,由罐的底部進(jìn)入罐內(nèi)時(shí),或者當(dāng)?shù)蜏厝廴邴}液在罐的底部被低溫泵抽出,經(jīng)過油鹽換熱器加熱后,由罐的頂部進(jìn)入罐內(nèi)時(shí),在罐的中間會(huì)存在一個(gè)溫度梯度很大的自然分層,即斜溫層,它像隔離層一樣,使得斜溫層以上熔融鹽液保持高溫,斜溫層以下熔融鹽液保持低溫,隨著熔融鹽液的不斷抽出,斜溫層會(huì)上下移動(dòng),抽出的熔融鹽液能夠保持恒溫,當(dāng)斜溫層到達(dá)罐的頂部或底部時(shí),抽出的熔融鹽液的溫度會(huì)發(fā)生顯著變化。為了維持罐內(nèi)溫度梯度分層,就必須嚴(yán)格控制熔融鹽液的注入和出料過程,在罐內(nèi)合理填充固體蓄熱介質(zhì)以及配置合適的成層設(shè)備,如浮動(dòng)進(jìn)口、環(huán)殼式換熱器等。Brosseau等人繼續(xù)進(jìn)行斜溫層單罐間接蓄熱系統(tǒng)試驗(yàn),著重提高了等溫試驗(yàn)與熱循環(huán)試驗(yàn)的溫度條件,發(fā)現(xiàn)擁有合適多孔介質(zhì)填料的斜溫層單罐間接蓄熱系統(tǒng)很有發(fā)展優(yōu)勢(shì)。左遠(yuǎn)志等人提出了一種相變蓄熱和斜溫層蓄熱復(fù)合的新型混合蓄熱系統(tǒng),并建立了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)其蓄放熱性能進(jìn)行了深入研究。在蓄熱技術(shù)領(lǐng)域,除了采用硅質(zhì)砂、石英石、鐵礦石等天然的固態(tài)蓄熱介質(zhì)外,合成制備的多孔功能材料由于可以有效地提高蓄/放熱效率及蓄熱容量,受到了研究者的廣泛關(guān)注,如各種泡沫金屬、蜂窩陶瓷等,其中泡沫碳化硅具有優(yōu)良的熱性能及理化性能,是一種具有發(fā)展?jié)摿Φ墓虘B(tài)蓄熱介質(zhì)。Pacheco等人采用Schumann模型建立斜溫層單罐蓄熱系統(tǒng)的一維理論模型,預(yù)測(cè)了688MW·h雙罐系統(tǒng)與斜溫層單罐系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性比較,蓄熱系統(tǒng)的成本可降低1/3。DougBrosseau針對(duì)50MW(6h蓄熱)的槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng),在采用不同的蓄熱介質(zhì)(TherminolVP-1導(dǎo)熱油、熔融鹽)以及不同蓄熱方式(雙罐蓄熱2-T、單罐斜溫層蓄熱Thermocline)條件下,進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性對(duì)