塔式太阳热能发电技术

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1、太阳能热力发电技术浅析摘 要：开发和利用太阳能是当今世界新能源技术革命所面临的重大课题 , 尤其是太阳能热力发电对人类环 境的改善和电力行业可持续发展具有重要的战略意义,必将成为本世纪一种重要能源产业。为此,在比较3种 太阳能热力发电系统性能的基础上,阐述了塔式太阳能热力发电系统的发展历程和特点 ,介绍了塔式热力发 电的基本原理及其示范电站的技术进展,着重分析了塔式热力发电所涉及的关键技术,包括太阳热能定日镜、 受热器和高温热能储存技术。通过对关键技术的分析,指出大规模高温热能储存是实现太阳能热力发电需优 先解决的关键技术,同时提出了发展中国塔式太阳能热力发电技术所需相关基础研究的建议。 关键

2、词：太阳能发电;热力发电;塔式发电系统;储能;定日镜中图分类号：TK514; V476文献标识码：ATechnology Progress in Solar Power TowerAbstract: Development and utilization of solar power is a momentous task to be faced by new energy technology innovation around the world. The solar power tower, particularly, is of strategic importance for env

3、ironment improvement and continued development of electric power industry. These advantages are bound to make it a kind of the globally important energy industry in this century. On the basis of comparing32type solar thermal power generation systems, both the development history and the characterist

4、ics of solar power tower (SPT) are expounded. The basic principle of SPT and the technology progress in SPT power plant are also presented. As for the SPT generation, several key techniques are analyzed specially. They are solar heliostats, receiver and high2temperature thermal storage technology. B

5、ased on the analysis of the above key techniques, it is pointed out that large2scale high2temperature thermal storage technique should be given top priority in realizing solar thermal power generation. At the same time some basic research contents and research direction are put forward for developin

6、g SPT system in China.Key words: solar power generation; thermal power generation; solar power tower (SPT) system; energy storage; heliostats与其它几种发电系统相比较,塔式系统 获得的关注最为广泛,所建成的示范电站也 最多。目前太阳能塔式热力发电(solar power tower, SPT)研发的重点和趋势，主要是太阳 热资源的收集与高温蓄热技术、高温传热流 体的储存与传输技术、防止蓄热系统的腐蚀 结垢技术的研究。由于现有理论与制造工艺 的局限,要取得进

7、一步的技术突破,还需要一 段探索过程。本文阐述了塔式太阳能热力发 电系统的发展历程、基本原理和电站结构, 着重分析塔式系统所涉及的关键技术 ,在此 基础上对发展我国塔式太阳能热力发电技 术所需的相关基础研究作了一些有益的探 讨。2 发电原理与特点SPT 概念于20世纪 70年代就已提出, 并于20世纪80年代初开始在美国、意大利、 法国、日本等建成示范电站,并进行长期的实 验研究,其基本原理是利用太阳能集热系统 将太阳热能转换并储存在传热介质 （水、熔 盐或空气等）中,再用该高温传热介质加热蒸 汽至10MPa,500C以上，驱动常规Rankine循 环汽轮发电机组发电。这种发电方式无需常 规能

8、源,其动力的供给完全来自于集热系统 内因太阳辐射所产生的高温传热介质。基于 这一原理构建的 SPT 系统主要由定日镜阵 列、高塔、受热器、传热流体、换热部件、 蓄热系统、控制系统、汽轮机和发电系统等 部分组成,属于太阳能、蓄热与发电三大技术 的创新性组合应用。大型受热器位于一高塔上,定日镜群以 高塔为中心,呈圆周状分布,以便将太阳光精 确地聚焦到高塔顶部的受热器上 ,将受热器 中的传热介质加热至500C以上，存入高温 储罐。需要时用泵将高温传热介质泵入蒸汽 发生器内,与给水进行热交换产生 10MPa,500C以上的蒸汽，最后利用该高温 高压蒸汽驱动Rankine循环汽轮发电机组发 电。汽轮机排

9、汽经冷凝器冷凝后泵回给水系 统，供蒸汽发生器重复循环利用。高温传热介 质在蒸汽发生器中经热交换后 ，温度降至 250300C,被泵入低温储罐储存，需用时，再 泵送回高塔上受热器内加热。传热介质沿受 热器_*咼温储罐一 蒸汽发生器一 低温储罐 循环流动，所发生的能量转换过程为:太阳热 能（定日镜场） *传热介质内能（受热器） *蒸 汽动能（蒸汽发生器）*电能（汽轮发电机）。塔式太阳能热力发电功率大、热量传递 路程短、热损耗少、聚光比和温度较高。SPT 采用成熟的常规能源技术 ，仅是热能供给部 分由太阳能取代化石燃料 ，从而降低了技术 难度和投资风险。其他特点还包括:a）定日镜采用双轴跟踪，将太阳

10、光精确 地聚焦到位于高塔顶部的受热器上 ，聚光倍 数高达 500 以上，易达到较高温度，但跟踪控 制系统复杂，代价太高，目前技术条件下，难以 实现商业化。b）能量集中过程是靠定日镜反射太阳 光线一次完成，且受热器散热面积相对较小， 因而光-热转换效率较高。与其它几种太阳 能热力发电相比，需要的土地面积小。发电效 率除与辐射强度有关外，还随定日镜面积和 塔高的增加而提高，为获得较高的效率和经 济性，须构建大功率（如 100MW ）的电站。c）备有足够大的高温储能系统，延长了发电 时间，蓄热系统白天吸热，阴天或夜晚将所储 存的热量释放出来加热蒸汽。d）集热器安装在高塔上，安装、维修、操 作等不便

11、，而且输送管路系统复杂 ，热损较 大。3 国内外的发展简况SPT的研究开始于20世纪70年代，至 90 年代中期，一些国家相继建造了多座 SPT 示范电站4，因其技术的复杂性和很高的造 价，此后不再新建示范电站，但相关研究仍在 继续，研究主要方向转向电站模型、大型定日 镜和高效储能系统，美国在实验研究方面处 于世界领先水平。由美国能源部投资，爱迪生公司、洛杉矶 水电部和加利福尼亚能源委员会合作在南 加州 Barstow 兴建的 Solar One 电站于 1981 年建成，1982年4月投入运行，是当时世界上 最大的塔式太阳能发电站,总耗资142亿美 元。Solar One电站的受热器中的传热

12、介质 为水，发电功率10MW。为保证在恶劣的气 候条件下及夜间正常运行，增加了蓄热系统， 蓄热介质为导热油和 6800t 石块，所贮蓄的 热量可保证 4h 的 7MW 电能输出。为进一 步研究熔盐高温蓄热系统、电站运行特性及 新型定日镜，从而推进 SPT 的商业化， Solar One电站已改造为Solar Two电站Solar Two电站采用熔盐作为蓄热介质, Solar Two电站1996年6月开始运行,年平均 发电效率（太阳能至电能转换效率）为 15%， 装机成本2 000美元/kW,峰值发电成本约7 美分/kWh。为简化结构与便于维护,另一建 在西班牙的Phoebus电站（容量25MW

13、 ）传热 介质采用空气，无储能系统，取而代之的是天 然气或油燃烧器。该类系统的发电成本低于 9美分/kWh。法国、俄罗斯、日本、西班牙、意大 利等国的示范SPT电站也有一定发展。依照 其“阳光计划”,日本三菱重工业公司研制出 功率1MW的SunShine塔式热力发电装置, 安装在四国的香川县仁尾町海边,1979 年 1 月开工,1981 年 9 月建成投运,耗资 50 亿日 元。为减少热损,直接采用蒸汽作传热介质, 储热介质为水，占地150mxl80m。由于日本 所处地区的太阳能资源有限 ,日照强度弱且 日照时间短，电站发电效率很低。因此，日本 不再开发 SPT 电站，但也经常参加太阳能热 力

14、发电方面的国际会议，进行一些定日镜、热 储存等关键技术的研究。4 主要相关技术4.1 定日镜定日镜（heliostat）是一种安装在刚性金属结 构上可双轴自动跟踪太阳的聚焦型反射镜 ， 由控制系统根据太阳的位置进行方位和角 度的调整，以保证将太阳光精确地汇集到高 塔顶部的受热器外表面上，并能自动翻转、收 拢，以防大风、尘土、冰雹等对其造成损坏。 定日镜围绕高塔按一定规律布置成群 ，用量 及占用面积与发电功率有关 ，布置方案应以 年均太阳热利用最优为目标函数。美国能源部所属 Sandia 国家实验室目 前正研究开发一种廉价定日镜 ，称为延展薄 膜定日镜，其反射镜由镀银聚合物薄膜覆盖 于薄金属箔上

15、制成，然后绷紧在成形的金属 构件上。这种定日镜的平均太阳光反射率约 为092。已制成50m2样机并经过试验,150m2 的定日镜也已完成实验设计制作。由于简 单、质量小,可伸展薄膜定日镜的制造成本不 到玻璃反射镜的 1/3。一个主要的不确定因 素是镀银聚合物薄膜的耐久性和使其保持 洁净,关于这方面的研究仍在继续。西班牙和 德国目前也在加紧延展薄膜定日镜的开发。 4.2 受热器受热器（又称太阳锅炉）位于中央高塔 顶部,是 SPT 电站中光-热转换的关键部件, 其作用是将定日镜群汇集来的太阳光能转 换为热能，加热工作介质至500C以上。塔高 与定日镜反射光仰角相关 ,当仰角大于 60 时,集热效率

16、可达90%以上。受热器的设计应充分考虑聚焦面的能 量密度分布规律、被加热工质的物理特性及 被加热的状态参数。 Solar One 的集热器为 圆柱形（直径7m、高137m），外壁由面板拼装 而成,每块面板装有70根直径127mm的镍 合金管，集热器利用定日镜汇集来的太阳光 将管内的水加热成103MPa,515C的过热蒸 汽，蒸汽带动汽轮发电机组发电。Solar One改进成Solar Two后，采用熔盐 为蓄热介质, Boeings Rocketdyne 公司对受 热器作了重新设计和制造，面板改由 32 根薄 壁不锈钢管组成，管外壁喷一层可抗高温和 热循环黑色PyromarkTM漆,可吸收95

17、%的入 射光。美国和欧洲正致力于改进受热器的设 计,例如开发一种第三代受热器,它使用凹膜 直接吸收的概念,可通过减少起动损失、降低 热损和改进吸收性能来进一步提高受热器 的效率。与熔盐在管内流动的第二代设计不 同,直接吸收受热器使深色盐水流进沿着平 板设置的薄膜中,好让太阳光直接被其吸收。 第二代与第三代受热器的年规划效率分别 约为80%和90%。基于现有受热器的某些不 足, Reiner Buck 等人提出了双接受器的概念, 并进行了相关的实验研究6。4.3 蓄热系统太阳辐射强度具有显著的不稳定性和 间断性,为弥补这一不足,使之从辅助能源最 终变为一种使用方便可靠的清洁能源 ,储能 问题的解

18、决是关键的一环。对于太阳能热力 发电,储能的作用是调节负荷、降低设备容量 和投资成本,进一步提高太阳能资源利用效 率和设备利用率,提高太阳能热力发电系统 的可靠性和经济性。就目前的技术发展水平而论 ,储能是整 个太阳能利用技术中的薄弱环节。太阳能显 热储能技术相对比较成熟 ,目前就具有实用 价值。显热储能系统的研究工作集中在新材 料、新工艺、新设计等方面。储能材料主要 有熔盐、油（岩石）、陶瓷等,美、法等国在显 热储能系统研制方面都取得了实质性的进 展。太阳能热的能量储存还可以采用潜热 储能和化学反应储能。三种热能储存方式中, 化学反应储能被认为是最具发展前途的一 种储能方式。5 结论与建议为

19、了从电力方面保证我国国民经济、社 会和生态环境保护持续、协调、稳定地发展,必须逐步改变电力生产供能结构 ,发展塔式 太阳能热力发电是其中一项合理的选择。我 国对这一热力发电技术的研究起步比较晚 , 但国外对塔式热力发电系统的三大部件在 材料、设计、工艺及理论方面进行了长达三 十多年的实用化研究,并取得了较大进展。我 们应加大研究开发力度,确定近期、中期 及 远期开发内容和目标 , 明确研究期限和阶 段成果,着重确定研究所涉及的关键技术及 研究难点,进行相关攻关研究,研制出符合工 作性能和可靠性要求的样件 ,并进行试验 , 以获得热力发电系统关键技术的解决途径 与经验,为今后研制兆瓦级系统创造条

20、件。 塔式太阳能热力发电技术的实用化还有很 长一段路要走,特别是在高温热能储存方面。 储能技术要具有市场竞争力,必须节约能源,带来尽可能高的经济效益,并减少对环境 的影响。国内外一直在进行这方面的研究。 热化学储能可方便有效地解决太阳热能的 转换、储存、传输与热再生,是太阳能热力发 电得以应用必须解决的问题 ,也是最具发展 前途的一种高温储能方式 ,但这种技术目前 还不成熟,尚需进行深入研究。笔者认为推进 热化学储能实用前,应进行的基础性研究内 容包括:进行受热器的热性能分析及实验研 究,对可逆反应过程中伴随反应物物质流所 发生的能量转换、储存、热再生效应进行大 量实验以获取完备可靠的数据样本

21、 ;进行深 入的高温热化学储能系统能量储释循环理 论研究和机理分析;揭示热化学储能系统能 量储释循环的稳态和动态特性 ;建立反应物 物料流到能量流转换过程的理论与分析模 型,如受热器的热分析模型、传热传质模型、 反应动力学模型、佣流结构模型、吸热反应 器和放热反应器模型等。基于这些结果,构建 出将物料流程转换为能量流程的系统设计、 运行、控制三个层次一体化模型、目标函数, 决策变量和约束集,最后开发出适用于热化 学储能的关键部件。参考文献:刘全根国家能源结构调整的战略选择加强可再生能源开发利用J地球科学进 展,2000,15(2):154-1642 TSOUTSOS T, GEKAS V,MA

22、RKETAKK Technical and Economical Evaluation of Solar Thermal Power GenerationJ.Renewable Energy,2OO3,28(6):873-8863 National Renewable Energy Laboratory* Survey of Thermal Storage for Parabolic Trough Power Plants RCologne: National Renewable Energy Laboratory, 20024 TRIEB F Competitive Solar Therma

23、l Power Stations until2010the Challenge of Market Introduction JRenewable Energy, 2000,19(1-2):163-1715 Sandia National Laboratories2000 R&D100 Awards Entry FromRAlbuquerque: Sandia National Laboratories,2000 BUCK R, BARTH C, ECK M, et alDual2receiver Concept for Solar Towers JSolar Energy,2006,80 (

24、10):1249-1254-1 前言 利用太阳热能发电是一门综合性的高技术,涉及太阳能利用、储能、新型材料技术、高效汽轮机技术和自动控制系统等问题 ,是当今世界在太阳热能利用方面研究的主题 之一。目前美国、德国、法国、西班牙等国 都在深入开展太阳能热力发电的研究与开 发,并在设计理论、材料工艺和热储存系统等 方面取得了较大进展。经过将近 40 年的研 究,太阳能热力发电装置的容量已从千瓦级 发展到兆瓦级,目前世界上已有数十座兆瓦 级太阳能热电站投入运行1。许多科学家预 测,本世纪末和下世纪初,太阳能发电的电价 有可能降到与常规电价相同的水平1 2 * * 5。按集 热器类型不同,太阳能热力发电系统可分为5 类 , 即 :槽式系统、塔式系统、烟囱式系统、 太阳池和碟式(自带发动机)小型系统。