塔式光熱電站現(xiàn)狀及技術(shù)發(fā)展趨勢

塔式光熱電站現(xiàn)狀及技術(shù)發(fā)展趨勢摘要：本文結(jié)合國內(nèi)外太陽能光熱發(fā)電技術(shù)，重點介紹了該技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀。根據(jù)國內(nèi)外降低光熱發(fā)電成本的要求，展望未來塔式光熱技術(shù)發(fā)展趨勢，得出通過關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化，出臺電價政策或是電價指導(dǎo)性意見，加快我國塔式熱發(fā)電進程，最終實現(xiàn)共贏。

關(guān)鍵詞：塔式；光熱電站

1、前言

當(dāng)前，在應(yīng)對能源問題以及全球變暖問題的大背景下，在眾多可再生能源類型中，太陽能是未來最理想的能源之一。太陽能光熱發(fā)電可與儲熱系統(tǒng)及火力發(fā)電結(jié)合，實現(xiàn)連續(xù)發(fā)電，并且穩(wěn)定性高，兼容性強，便于調(diào)節(jié)。成熟的火力發(fā)電技術(shù)降低了太陽能熱發(fā)電整體技術(shù)開發(fā)的風(fēng)險。儲熱系統(tǒng)的優(yōu)勢可以平滑發(fā)電出力，具備參與系統(tǒng)調(diào)峰的能力，提高電網(wǎng)靈活性和接納波動性可再生能源的能力，友好的接入電網(wǎng)。因此，太陽能光熱發(fā)電被視為未來取代煤電的最佳備選方案之一，已成為可再生能源領(lǐng)域開發(fā)應(yīng)用的熱點。

近年來，光熱發(fā)電發(fā)展步伐迅速，太陽能資源開發(fā)相對較早的美國、西班牙兩國，無論在技術(shù)上還是商業(yè)化進程，都在全球位列前茅。而我國的光熱發(fā)電技術(shù)起步較晚，但隨著太陽能光熱發(fā)電示范項目和標(biāo)桿上網(wǎng)電價重磅出臺，我國光熱發(fā)電開啟了新的轉(zhuǎn)折，確信太陽能光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)必將在我國能源利用中發(fā)揮越來越重要的作用，未來發(fā)展前景廣闊。

2、塔式光熱發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀

目前，根據(jù)聚光集熱系統(tǒng)的不同，太陽能熱發(fā)電的代表性技術(shù)有：拋物槽式系統(tǒng)、塔式系統(tǒng)、線性菲涅爾系統(tǒng)以及碟式系統(tǒng)。碟式光熱技術(shù)沒有熱能儲存裝置，沒有陽光機組就立即停運。目前國內(nèi)外成熟項目主要集中在塔式熔鹽、槽式導(dǎo)熱油、線性菲涅爾三種光熱發(fā)電技術(shù)，但菲涅爾式光熱發(fā)電技術(shù)主要研究單位為國內(nèi)新興的企業(yè)，屬于新興技術(shù)，最終試驗效果有待驗證，未能實現(xiàn)成熟的商業(yè)化應(yīng)用。

本文主要介紹塔式太陽能光熱發(fā)電技術(shù)，此技術(shù)主要由聚光集熱系統(tǒng)、熱交換系統(tǒng)、蓄熱系統(tǒng)以及發(fā)電系統(tǒng)四部分組成。

2.1聚光集熱系統(tǒng)

（1）定日鏡

定日鏡是塔式太陽能發(fā)熱系統(tǒng)中最基本的光學(xué)單元體，是能量轉(zhuǎn)化最初階段非常重要的設(shè)備。塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中通常采用幾百或幾千個定日鏡，組成鏡場。每面定日鏡均通過各自獨立的跟蹤控制機構(gòu)連續(xù)跟蹤太陽的輻射能，并把能量聚焦到塔頂?shù)奈掌魃?，繼而以熱能的形式加以利用。定日鏡場的合理布置既可以有效的收集和利用太陽輻射能，又能夠降低投資成本和發(fā)電成本。

（2）吸收器

吸熱系統(tǒng)采用多棱柱外接觸式吸熱器，材質(zhì)采用鎳鉻合金材料，吸熱器管的最高壁面溫度不宜大于650℃，外壁涂用選擇性吸收材料以提高吸熱器的光熱轉(zhuǎn)化效率。電站正常運營中，為了控制吸熱器管壁的溫度，采用測溫裝置實時監(jiān)控吸熱器表面的溫度分布，根據(jù)吸熱器的投入能量實時調(diào)整熔鹽的流量，以保證熔鹽吸熱器管路的充分冷卻，避免超溫引起吸熱器爆管。

（3）吸熱塔

塔的高度決定各個定日鏡反射線仰角，增加塔高，可降低定日鏡前后排間距，但由于高度增加后，鏡面反射角將增加，影響了鏡場的利用率，進而鏡場面積及形狀發(fā)生變化。塔高選擇是個系統(tǒng)問題，對鏡場利用率、鏡余弦效率等，都有一定影響，需要進行優(yōu)化計算。

2.2熱交換系統(tǒng)

熱交換系統(tǒng)實現(xiàn)了對介質(zhì)的預(yù)熱、蒸發(fā)、過熱和再熱。各換熱器之間通過合理的連接方式組合在一起，形成蒸汽發(fā)生系統(tǒng)。蒸汽發(fā)生器用于將熔鹽存儲的熱量加熱水產(chǎn)生蒸汽，以驅(qū)動汽輪發(fā)電機組發(fā)電，汽輪機乏汽經(jīng)冷凝器冷凝后送入蒸汽發(fā)生器循環(huán)使用。放出熱量的傳熱介質(zhì)重新回到低溫蓄熱罐中，再送回吸熱器加熱。蒸汽發(fā)生器的額定新蒸汽參數(shù)與汽輪機相匹配，使蒸汽發(fā)生器和汽輪機性能達到最優(yōu)。

2.3蓄熱系統(tǒng)

由于太陽能受晝夜和季節(jié)等規(guī)律變化的影響，以及陰、晴、云、雨等隨機因素的制約，其輻射強度也不斷發(fā)生變化，具有顯著的周期性、間斷性和不穩(wěn)定性。為了提高系統(tǒng)發(fā)電效率、穩(wěn)定性和可靠性，降低發(fā)電成本，光熱電站需設(shè)置儲熱系統(tǒng)，在太陽能不足時釋放出來以滿足發(fā)電需求。實現(xiàn)在不需要化石燃料補充的情況下連續(xù)穩(wěn)定發(fā)電。儲熱系統(tǒng)對非連續(xù)的太陽能輻射起到平抑作用，確保發(fā)電系統(tǒng)的安全性，并且提供更多的運行時間，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

2.4發(fā)電系統(tǒng)

根據(jù)太陽能光熱發(fā)電原理采用“光－熱－電”的發(fā)電方式，成千上萬的定日鏡把太陽光反射到位于太陽塔頂?shù)奈鼰崞鞅砻?，形?00℃以上的高溫。通過傳熱介質(zhì)產(chǎn)生500℃以上的蒸汽，推動蒸汽輪機發(fā)電。發(fā)電部分與常規(guī)火電機組發(fā)電基本一致，本文不再贅述。

3、塔式光熱電站發(fā)展趨勢

現(xiàn)在國內(nèi)外已有數(shù)個光熱電站投入商業(yè)運行，但成本高，電價高，還要靠政府補貼，這嚴(yán)重制約了光熱大規(guī)模推廣。如美國現(xiàn)在太陽熱發(fā)電廠基建投資為每千瓦4000~8500美元。而在中國，適用于國家能源局2016年組織實施的示范項目的核定太陽能熱發(fā)電（含4小時以上儲熱功能）標(biāo)桿上網(wǎng)電價為每千瓦時1.15元。

根據(jù)美國2011年美國能源部制定了“SunShot”計劃，目標(biāo)是到2020年太陽熱發(fā)電電價降到6美分/千瓦時[1]。根據(jù)我國發(fā)布的《國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十三個五年規(guī)劃綱要》，我國光熱發(fā)電將得到積極推廣，到2020年上網(wǎng)電價有望降至0.8元/千瓦時[2]。

要實現(xiàn)發(fā)電成本及電價降低，就要提高動力機械的循環(huán)效率；提高傳熱流體的溫度；把儲熱系統(tǒng)工質(zhì)和傳熱流體一體化等。其中最關(guān)鍵的是提高熱機的循環(huán)效率，目前正在研究的具體方案是采用“超臨界CO2布雷頓循環(huán)”。

超臨界CO2是氣態(tài)和液態(tài)并存的流體，密度接近于液體，粘度接近于氣體，擴散系數(shù)約為液體的100倍。其臨界條件容易達到，化學(xué)性質(zhì)不活潑，無色無味無毒，安全，價格便宜，純度高，且易獲得。超臨界CO2作為循環(huán)工質(zhì)和傳熱流體，用于太陽熱發(fā)電，可做到運行溫度高于蒸汽，在溫度較低條件下效率又比氦氣的布雷頓循環(huán)高。

整體來看，超臨界CO2循環(huán)系統(tǒng)的研發(fā)在全球范圍內(nèi)目前仍是一個新課題，但其優(yōu)良的特性和對發(fā)電技術(shù)可能帶來的顛覆已經(jīng)受到了越來越廣泛的認(rèn)知，其技術(shù)研發(fā)和商業(yè)化應(yīng)用進程的速度也正在逐步加快。反觀國內(nèi)，國內(nèi)電力系統(tǒng)目前對超臨界CO2循環(huán)技術(shù)的認(rèn)識還處于十分初級的層面，對該系統(tǒng)進行研發(fā)和示范的機構(gòu)也少之又少，這一點應(yīng)引起我們的足夠重視。

4、結(jié)論

總體來講，中國的太陽能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)還剛剛起步，中國的氣候和環(huán)境特點決定了光熱發(fā)電技術(shù)路線將向高聚光比、高光熱轉(zhuǎn)換效率的技術(shù)傾斜，電站建設(shè)也將向規(guī)?；l(fā)展。而塔式熔鹽技術(shù)也存在一些特有的問題：如熔鹽塔的凝固問題。因此在塔式光熱電站實際運行中，優(yōu)化預(yù)熱、進鹽及疏鹽策略，增加自動檢測及判斷機能是必要且必須的。

為了實現(xiàn)太陽能熱發(fā)電無補貼發(fā)展，發(fā)展新型光熱發(fā)電技術(shù)，實現(xiàn)關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化是必要的手段。加快出臺電價政策或是電價指導(dǎo)性意見，根據(jù)我國光資源分布情況，建立各地光熱電站