高溫蓄熱技術(shù)在太陽能熱發(fā)電工程中的應用

高溫蓄熱技術(shù)在太陽能熱發(fā)電工程中的應用

csp熱電轉(zhuǎn)換部分熱發(fā)電系統(tǒng)根據(jù)能源回熱方式的不同，能源回熱發(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)電和太陽能池熱發(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)動發(fā)電機產(chǎn)生電能。聚集式太陽能熱發(fā)電(CSP)具有技術(shù)相對成熟、發(fā)電成本低及對電網(wǎng)沖擊小等優(yōu)點,最有可能與風力發(fā)電、水力發(fā)電及化石燃料發(fā)電相競爭,被認為是可再生能源發(fā)電中最有前途的發(fā)電方式之一;同時,CSP熱電轉(zhuǎn)換部分與常規(guī)火力發(fā)電機組相同,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)輻射強度不斷變化的基本特性,經(jīng)聚光設備聚集的太陽能具有非連續(xù)、非穩(wěn)態(tài)的特點,而熱發(fā)電系統(tǒng)需要穩(wěn)定運行。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存起來,以便為電站在夜間或者氣候條件較差時提供熱能,保證連續(xù)發(fā)電;(2)將太陽能與其它能源組成互補發(fā)電系統(tǒng),在太陽能供應不足的情況下,由其它能源供應能量,從而保證系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運行。其中第一種方案更具有吸引力和應用前景,在配置蓄熱子系統(tǒng)后,可實現(xiàn)容量緩沖、可調(diào)度性和時間平移、提高年利用率、電力輸出更平穩(wěn)、高效滿負荷運行等作用,因此蓄熱技術(shù)將是實現(xiàn)太陽能高效利用的核心性、通用性的關鍵技術(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)電成本必須進一步提高各個能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)的效率,本研究將主要針對其中的熱量蓄存過程與技術(shù)進行研究分析。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/放熱過程設計和控制兩方面。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鍵問題。太陽能熱發(fā)電技術(shù)從20世紀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1300℃)、維護簡便、無須附加保溫及冷啟動加熱系統(tǒng)等優(yōu)點,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備(如汽輪機)仍是一個技術(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,例如水的熱導率高、無毒、無腐蝕、易于輸運、水/水蒸氣作為蓄熱介質(zhì)比熱容大等,缺點是水/水蒸氣在高溫時存在高壓問題,從而對熱傳輸系統(tǒng)的耐壓提出了非常高的要求,增加了設備投資與運行成本;液態(tài)金屬能應用于較高的溫度,且金屬材料密度大、導熱率高、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,熱負荷高時溫度波動大,而且高溫下與空氣接觸易燃易爆;美國SolarOne太陽能電站采用了導熱油作為傳熱介質(zhì),導熱油既可用于蓄熱又可用于傳熱介質(zhì),一般適用于400℃以下的場合,但是油類在高溫時的蒸汽壓力非常大(400℃時大于1MPa),使用其作為蓄熱介質(zhì)需要特殊的壓力閥等設備,而且價格昂貴、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、高對流傳熱系數(shù)、低粘度、低飽和蒸汽壓、低價格等四高三低的優(yōu)勢,兼具蓄熱與傳熱功能,因而熔融鹽傳熱蓄熱技術(shù)將是太陽能高溫熱利用的發(fā)展重點,近些年一直受到國內(nèi)外學者的關注,開展了熔融鹽的制備及熱力學性質(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年在美國新墨西哥州Albuquerque建立了750kW的熔鹽發(fā)電試驗裝置(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驗的基礎上,SolarTwo太陽能試驗電站在美國加利福尼亞的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℃時開始熔化,在600℃以下熱性能穩(wěn)定。2001年意大利啟動了ENEA聚光太陽能熱發(fā)電計劃,建成了一個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)測試系統(tǒng)PCS,主要對SolarSalt熔鹽進行循環(huán)試驗,測量其傳熱流動等性能。2006年西班牙設計建造了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的正在建設當中的Gemosolar電站,同樣采用硝酸鹽作為傳熱蓄熱介質(zhì),蓄熱能力達到了15h。美國能源部于2008年9月資助了15個關于太陽能熱發(fā)電的傳熱和蓄熱研究項目,其中7個項目涉及熔融鹽,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,這是一種低熔點的鹽,可在400℃以下作為傳熱蓄熱介質(zhì),具有很好的應用前景,但目前成本較高,未有實際應用。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,但由于蓄熱罐材料與熔融鹽使用量大、高溫維持等因素導致單位造價與運行成本相對較高。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)點是成本非常低,缺點是儲放熱速度慢。太陽能蓄熱的發(fā)展趨勢是基于熔融鹽工質(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LUZ公司在加利福尼亞的Daggett建成第一個商業(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,冷油罐內(nèi)的合成油經(jīng)泵輸送到太陽能收集場中,經(jīng)吸熱器加熱后進入熱油罐;放熱時,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,兩個儲油罐的容量可為3個小時透平全負荷提供足夠的能量儲存。在之后的SEGS系列電站中,為滿足更高電站運行溫度的要求,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)化設計。美國LUZ公司提出了用于SEGS電站的級聯(lián)相變蓄熱設計方案,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,研究人員對其進行了一系列探索性的研究工作。其中最具代表性的即為SolarTwo太陽能試驗電站,其流程如圖5所示。SolarTwo采用SolarSalt復合熔鹽作為傳熱和蓄熱介質(zhì),蓄熱系統(tǒng)由一個直徑為11.6m、高為7.8m的冷鹽罐和一個直徑為11.6m、高為8.4m的熱鹽罐組成,兩個鹽罐可存放熔鹽1500t,蓄熱能力為105MW·h,可供汽輪機滿負荷運行3個小時。系統(tǒng)工作時,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),吸熱升溫后進入熱鹽罐;同時,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)動汽輪機運行,而熔鹽溫度降低后則流回冷鹽罐。SolarTwo塔式試驗電站蓄熱系統(tǒng)從1996年一直運行到1999年結(jié)束,是目前運行最成功的熔鹽蓄熱系統(tǒng)。SolarTwo電站是美國太陽能熱發(fā)電計劃中最令人矚目的一個項目,但仍是試驗電站,是推進塔式系統(tǒng)商業(yè)化進程的先導工程,該電站在運行3年之后進行了評估,其發(fā)電實踐不僅證明了熔融鹽蓄熱技術(shù)的可行性,而且促進了30～200MW塔式系統(tǒng)的商業(yè)化進程。SolarTres是借鑒了SolarOne和SolarTwo的成功運行經(jīng)驗基礎上設計興建的,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),設計蓄熱能力為588MW·h,提供的熱能可實現(xiàn)汽輪機滿負荷運行達16h。文獻提出了一種新型的太陽能塔式熱發(fā)電系統(tǒng),采用雙級蓄熱技術(shù),將收集到的太陽能根據(jù)能量品位的高低進行分級存儲,從而實現(xiàn)了熱能利用中的“溫度對口、梯級利用”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,低、高溫蓄熱器分別用于蒸汽的發(fā)生、過熱過程,兩者相互獨立又互相補充。由于采用雙罐蓄熱方法時,蓄熱容器與蓄熱介質(zhì)使用量大且高溫維持困難,導致了單位造價及運行成本相對較高。美國于1982年在加利福尼亞州Barstow建立了SolarOne塔式太陽能試驗電站,如圖7所示,SolarOne太陽能試驗電站采用間接式蓄熱,系統(tǒng)裝置為一圓形儲熱罐,稱之為斜溫層罐,內(nèi)裝有6100t砂石和牌號為CaloriaHT-43的導熱油。來自吸熱器內(nèi)的高溫蒸汽與高溫導熱油換熱以后,高溫導熱油進入斜溫層罐,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)生器來實現(xiàn)的。SolarOne第一電站蓄熱系統(tǒng)具有兩個特點:(1)采用碎石和沙等價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)省了一個罐的費用。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,但由于流體的導熱和對流作用,真正實現(xiàn)溫度分層有一定困難。此外,SolarOne采用導熱油作為蓄熱材料,由于導熱油的熱穩(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蒸汽壓力非常低等優(yōu)點,成為良好的高溫蓄熱材料。在SEGS電站中設計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Sandia國家實驗室Pacheco等設計并測試一個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,如圖9所示。斜溫層單罐是利用密度與溫度冷熱的關系,當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,由罐的底部進入罐內(nèi)時,或者當?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,由罐的頂部進入罐內(nèi)時,在罐的中間會存在一個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,斜溫層會上下移動,抽出的熔融鹽液能夠保持恒溫,當斜溫層到達罐的頂部或底部時,抽出的熔融鹽液的溫度會發(fā)生顯著變化。為了維持罐內(nèi)溫度梯度分層,就必須嚴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備,如浮動進口、環(huán)殼式換熱器等。Brosseau等人繼續(xù)進行斜溫層單罐間接蓄熱系統(tǒng)試驗,著重提高了等溫試驗與熱循環(huán)試驗的溫度條件,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。左遠志等人提出了一種相變蓄熱和斜溫層蓄熱復合的新型混合蓄熱系統(tǒng),并建立了實驗系統(tǒng),對其蓄放熱性能進行了深入研究。在蓄熱技術(shù)領域,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,預測了688MW·h雙罐系統(tǒng)與斜溫層單罐系統(tǒng)的經(jīng)濟性比較,蓄熱系統(tǒng)的成本可降低1/3。DougBrosseau針對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,進行了經(jīng)濟性對