塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)進(jìn)展

塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)進(jìn)展摘要：在介紹塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本原理、系統(tǒng)組成的基礎(chǔ)上，回顧了塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展歷程，著重闡述了塔式熱發(fā)電所涉及的關(guān)鍵技術(shù)，包括定日鏡、接收器、傳熱蓄熱工質(zhì)的研究進(jìn)展，并通過(guò)分析我國(guó)氣象、地理?xiàng)l件及能源需求，指出塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電在我國(guó)的西藏、內(nèi)蒙等西北部地區(qū)具有廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能熱發(fā)電；塔式發(fā)電系統(tǒng);蓄熱；定日鏡;接收器一引言塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本形式是利用獨(dú)立跟蹤太陽(yáng)的定日鏡群，將陽(yáng)光聚集到固定在塔頂部的接收器上產(chǎn)生高溫，加熱工質(zhì)產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽或高溫氣體，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組或燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，從而將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能。二發(fā)電原理與系統(tǒng)塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)，也稱集中型太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)，主要由定日鏡陣列、高塔、吸熱器、傳熱介質(zhì)、換熱器、蓄熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及汽輪發(fā)電機(jī)組等部分組成，基本原理是利用太陽(yáng)能集熱裝置將太陽(yáng)熱能轉(zhuǎn)換并儲(chǔ)存在傳熱介質(zhì)中，再利用高溫介質(zhì)加熱水產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中，吸熱器位于高塔上，定日鏡群以高塔為中心，呈圓周狀分布，將太陽(yáng)光聚焦到吸熱器上，集中加熱吸熱器中的傳熱介質(zhì)，介質(zhì)溫度上升，存入高溫蓄熱罐，然后用泵送入蒸汽發(fā)生器加熱水產(chǎn)生蒸汽，利用蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)組發(fā)電，汽輪機(jī)乏汽經(jīng)冷凝器冷凝后送入蒸汽發(fā)生器循環(huán)使用。在蒸汽發(fā)生器中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。塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)原理系統(tǒng)如圖所示。三發(fā)展簡(jiǎn)史塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想是20世紀(jì)50年代由前蘇聯(lián)提出的。1950年，前蘇聯(lián)設(shè)計(jì)了世界上第一座塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的小型實(shí)驗(yàn)裝置，對(duì)太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了廣泛的、基礎(chǔ)性的探索和研究。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，1981一1991年的10年間，全世界建造了兆瓦級(jí)太陽(yáng)能熱發(fā)電試驗(yàn)電站20余座，其中主要形式是塔式電站，最大發(fā)電功率為80MW。世界上幾個(gè)具有代表性的太陽(yáng)能塔式熱發(fā)電站如表1所示。20世紀(jì)80年代末，安裝在意大利西西里島的，由法國(guó)、原聯(lián)邦德國(guó)和意大利等歐洲9國(guó)聯(lián)合建造的，世界上第一座塔式太陽(yáng)能熱電站并網(wǎng)運(yùn)行。電站塔高50米，占地2萬(wàn)平方米，額定功率為1MW，蓄熱器由硝酸鹽組成，采用了50平方米定日鏡70個(gè)、23平方米定日鏡112個(gè)。1981年，美國(guó)在加利福尼亞州南部沙漠地區(qū)附近建成盯塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站，1982年投入運(yùn)行，總耗資1.42億美元，共有定日鏡1818臺(tái)，每臺(tái)定鏡面積40平方米。中央接收器位于80高的塔頂，產(chǎn)生516°C的高溫蒸汽，裝機(jī)容量10MW,專培成*叩胡妝智由稀棉電站*稱nW投擊11照MrHr5SPS四橋牙igg]1)：鈉q.3EUREIJOS辟1年嬉At-術(shù)1.0日率lybl骨|心SOLARONE年湎十器有10=0CESA-I西駢牙1983年米蒸程L0THKMIS法國(guó)1984年2.5MSEEl.t)TSA西地牙1993.q:陶瓷1.0SOLART^r0X.國(guó)年焙鹽10.0SOLAkTRES西捌*華1fl.n招Mj】q是當(dāng)時(shí)世界上最大的塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站。傳熱介質(zhì)為水，蓄熱介質(zhì)為導(dǎo)熱油和石塊，所儲(chǔ)存的熱量可保證4H的7MW電能輸出，保證了在惡劣的氣候條件下及夜間正常運(yùn)行。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間試驗(yàn)運(yùn)行后，在SolarOne的基礎(chǔ)上又建造了。塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站，并于1996年6月投入運(yùn)行。SolarOne的參數(shù)如下：1926塊定日鏡，其中40平方米耐定鏡1818臺(tái)，95平方米定日鏡108臺(tái)，鏡面總面積82980平方米。采用熔鹽蓄熱系統(tǒng)，有2個(gè)儲(chǔ)熱罐，一個(gè)儲(chǔ)存565C的高溫熔鹽，另一個(gè)儲(chǔ)存288C的低溫熔鹽。熔鹽可有效蓄熱，日落后SolarOne能夠向一萬(wàn)個(gè)家庭供電3個(gè)小時(shí)。由于增加了蓄熱系統(tǒng)，使太陽(yáng)塔輸送電能的負(fù)載因子高達(dá)65%°SolarOne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，是目前最成熟的熔鹽蓄熱系統(tǒng)。SolarOne驗(yàn)證了采用熔鹽技術(shù)可以使電站具有較好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)性，極大地推進(jìn)了塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的商業(yè)化進(jìn)程。1983年西班牙工業(yè)部和能源部開(kāi)始投資興建CESA一1,采用了面積為39.6平方米的定日鏡300個(gè)，定日鏡雙軸跟蹤誤差1.5mard,反射率92%。塔身為鋼混結(jié)構(gòu)，高80M,載荷能力為100T。目前該裝置作為實(shí)驗(yàn)平臺(tái)用于試驗(yàn)塔式接收系統(tǒng)的不同部件，如定日鏡、接收器、儲(chǔ)熱器以及控制部分的性能。法國(guó)的THEMIS電站建于上世紀(jì)80年代，發(fā)電功率為2,5MW,使用熔鹽作為吸熱器和儲(chǔ)熱器的介質(zhì)，塔高100M,單面定日鏡面積為45平方米。該項(xiàng)目是為確立總體設(shè)計(jì)和部件的技術(shù)可行性，并評(píng)價(jià)出口潛力。該電站在1983一1986年成功運(yùn)行，為未來(lái)電站的建設(shè)提供了大量的資料?，F(xiàn)已停運(yùn)多年，目前定日鏡已有30%以上的玻璃無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求，因此40%的定日鏡被法國(guó)電力公司收購(gòu)并改造成為跟蹤光伏發(fā)電場(chǎng)，其余60%左右定日鏡被重新改造，用于1.5MW燃?xì)獍l(fā)電試驗(yàn)電站。建于西班牙Seville的PS10發(fā)電廠于2007年月3發(fā)電，發(fā)電功率11MW。該項(xiàng)目初期論證過(guò)采用空氣吸熱器加燃?xì)廨啓C(jī)的BRAYTON循環(huán)技術(shù)，最后由于成本高和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)大，轉(zhuǎn)而采用直接產(chǎn)生蒸汽的方式。PS10塔高90M,有981面121平方米的定日鏡，PS10電站每年向電網(wǎng)提供19.2GWh的電力，年平均發(fā)電效率可達(dá)10.5%。四技術(shù)進(jìn)展1定日鏡定日鏡由剛性金屬結(jié)構(gòu)支撐，通過(guò)控制系統(tǒng)調(diào)整方位和角度，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)光線的準(zhǔn)確跟蹤接收，并聚集反射太陽(yáng)光線進(jìn)入塔頂?shù)慕邮掌鲀?nèi)，如下圖所示。定日鏡由反射鏡、跟蹤傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、鏡架及基座組成，是塔式電站最關(guān)鍵也是最昂貴的部件，美國(guó)SolarOne電站1.42億美元投資中，定日鏡占52%,目前，定日鏡的控制精度、運(yùn)行穩(wěn)定性和安全可靠性及降低建造成本是定日鏡研究開(kāi)發(fā)的主要內(nèi)容。美國(guó)在塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)方面，除建成SolarOne電站外，還開(kāi)發(fā)研制了一種新型的張膜式定日鏡，其反射鏡由鍍銀聚合物薄膜覆蓋于薄金屬箔上制成，然后張緊到金屬構(gòu)架上，對(duì)太陽(yáng)的平均反射率約為0.92。這種薄膜定日鏡的制造成本較低，不到玻璃反射鏡的1/3。2接收器除定日鏡群外，塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電集熱系統(tǒng)的另一主要組成部分是太陽(yáng)能接收器，也稱為太陽(yáng)鍋爐，是光熱轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。接收器位于定日鏡群中央的高塔上，將定日鏡捕捉、反射、聚焦的太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)化為可以高效利用的高溫?zé)崮?，加熱工作介質(zhì)至500°C以上，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)組產(chǎn)生電能。國(guó)際上現(xiàn)有的塔式太陽(yáng)能接收器主要分為間接照射接收器和直接照射接收器兩大類。間接照射接收器向載熱工質(zhì)的傳熱過(guò)程不發(fā)生在太陽(yáng)照射面，工作時(shí)聚焦入射的太陽(yáng)能先加熱受熱面，受熱面升溫后再通過(guò)壁面將熱量向另一側(cè)的載熱工質(zhì)傳遞。管狀接收器即為間接式。直接照射接收器也稱空腔式接收器，特點(diǎn)是接收器向載熱工質(zhì)的傳熱與入射陽(yáng)光加熱受熱面在同一表面發(fā)生，由于特定形狀的內(nèi)表面具有幾近黑體的特性，可有效吸收入射的太陽(yáng)能，避免選擇性吸收涂層的問(wèn)題。按照制作材料，接收器又可分為金屬和非金屬兩大類。金屬接收器的整體密封性、導(dǎo)熱性、承壓能力較好但耐高溫性能比非金屬差。非金屬接收器的優(yōu)點(diǎn)在于耐高溫、耐腐蝕，使用壽命長(zhǎng)，常用材料有陶瓷、石墨、玻璃及氟塑料等。塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站是采用灌裝接收器，管外壁涂有耐高溫吸收涂成，能最大限度吸收太陽(yáng)輻射熱能。結(jié)構(gòu)如圖所示。工質(zhì)介質(zhì)為水/蒸汽;SolarOne仍采用管狀接收器，工作介質(zhì)為熔鹽，在平均太陽(yáng)輻射能流密度430KW/M2條件下，吸熱器額定功率為，將進(jìn)口溫度為288°C的熔鹽加熱到565°C，經(jīng)管道和泵輸往熱鹽罐存儲(chǔ)?？涨皇浇邮掌髯钤鐟?yīng)用在PHOEBUS系統(tǒng)中，利用金屬絲網(wǎng)直接吸收太陽(yáng)輻射，溫度可高達(dá)800C。后來(lái)，金屬絲網(wǎng)逐漸被SiC或AL2O3材料所取代。新型空腔式接收器置于有壓容器中，陽(yáng)光通過(guò)拋物面狀石英玻璃窗口進(jìn)入容器，如圖所示。圖4壓力空腔式接收器3春熱儲(chǔ)熱介質(zhì)目前應(yīng)用的傳熱蓄熱介質(zhì)主要有水蒸汽、導(dǎo)熱油、熔鹽、液態(tài)金屬如液態(tài)鈉、空氣等。水蒸汽具有熱導(dǎo)率高、無(wú)毒、無(wú)腐蝕性等優(yōu)點(diǎn)，如美國(guó)SolarOne、西班牙PS10等電站采用水蒸汽作為傳熱工質(zhì)，但水蒸汽在高溫時(shí)有高壓?jiǎn)栴},在實(shí)際使用時(shí)蒸汽溫度受到限制。導(dǎo)熱油既可用于蓄熱又可用于傳熱介質(zhì)，一般用于400°C以下的場(chǎng)合，限制了塔式系統(tǒng)接收器的聚焦溫度。油類在高溫時(shí)的蒸汽壓力非常大400C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，存在很大的困難，容易引發(fā)火災(zāi)，且價(jià)格昂貴。SolarOne采用的蓄熱介質(zhì)是牌號(hào)為Caloria一43的導(dǎo)熱油和6100t砂石，利用價(jià)格低廉的砂石作為填充材料以降低蓄熱系統(tǒng)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，但高溫下與空氣接觸易燃易爆，由此帶來(lái)的安全問(wèn)題制約了其在塔式電站蓄熱系統(tǒng)中的應(yīng)用。西班牙的SSPS小型太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)采用液態(tài)鈉作為傳熱蓄熱工質(zhì)，在運(yùn)行中出現(xiàn)過(guò)液態(tài)鈉泄露問(wèn)題，1986年發(fā)生了鈉燃燒事故。西班牙太陽(yáng)能研究、發(fā)展與測(cè)試中心PlataformaSolardeAlmeria曾開(kāi)發(fā)試驗(yàn)2.5MW腔式接收器，驗(yàn)證了口氣作為傳熱儲(chǔ)熱介質(zhì)技術(shù)應(yīng)用的潛力。空氣的熱容較小，因此口氣吸熱器工作溫度可以高于1000度，但是近期傳熱能力較差，需要額外措施以加強(qiáng)傳熱，加大了成本。Kearney等人的演劇表明，使用溶鹽作為儲(chǔ)熱介質(zhì)可以使太陽(yáng)能電站操作溫度提高到450—500°C，發(fā)電效率提高到40%,蓄熱效率提高2.5倍，從而在熱容量一定時(shí)減小蓄熱容器的體積。此外，熔鹽價(jià)格低廉，環(huán)境友好。美國(guó)MESS和，。啟「One，意大利EURELIOS，日本SUNSHINE，西班牙CESA-1和Ps20，法國(guó)THEMIS等塔式太陽(yáng)能高溫?zé)岚l(fā)電站均采用混合熔鹽技術(shù)進(jìn)行吸熱和儲(chǔ)熱。常見(jiàn)的熔鹽有碳酸鹽、氯化物、氟化物和硝酸鹽，其中，硝酸熔鹽在太陽(yáng)能熱發(fā)電中的應(yīng)用較為廣泛。凝固溫度130度，KNO3的混合物，凝固溫度220C，以及、的混合物，凝固溫度為C。其中最后一種熔鹽成本最低。SolarTwo采用SolarSalt混合熔鹽作為傳熱和蓄熱介質(zhì)，此熔鹽在220C時(shí)開(kāi)始熔化，在600C以下熱性能穩(wěn)定。蓄熱能力為105MW，可供汽輪機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行3h。五在我國(guó)的應(yīng)用前景1990一2004年間，我國(guó)的電力產(chǎn)量以平均每年9.7%的速率遞增，裝機(jī)容量由138GW上升至442GW。為適應(yīng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展的需要，到2020年我國(guó)需增加625一860的裝機(jī)容量，相當(dāng)于歐盟2003年的總裝機(jī)容量。我國(guó)石油和天然氣資源比較貧乏，是一個(gè)以煤炭為主要能源資源的國(guó)家，煤炭占據(jù)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)2/3以上的比例。煤的大量使用，給環(huán)境帶來(lái)諸多負(fù)面影響，如燃煤排放二氧化碳帶來(lái)的溫室效應(yīng)，以及地面下沉、水體污染等等。分析表明，中國(guó)將在2009年取代美國(guó)成為世界最大的二氧化碳排放源。滿足持續(xù)快速增長(zhǎng)的能源需求和能源的清潔高效利用，對(duì)能源科技發(fā)展提出重大挑戰(zhàn)。中國(guó)對(duì)以煤炭為主體的能源結(jié)構(gòu)進(jìn)行改革勢(shì)在必行，否則，來(lái)自國(guó)際社會(huì)的壓力將會(huì)愈來(lái)愈大。開(kāi)發(fā)利用可再生能源，是建立可持續(xù)發(fā)展能源系統(tǒng)最主要的政策措施，也是我國(guó)長(zhǎng)期的能源發(fā)展戰(zhàn)略。我國(guó)土地面積廣闊，日照豐富，具有居世界第二的太陽(yáng)能資源。全國(guó)各地年平均日輻射量地區(qū)差異較大，從東南部低于2kWh/(m?d)西部大于9kWh不等。日輻射量的多少對(duì)于降低太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的成本具有重要意義，研究表明，年平均日照量高于1800kWh(m?d)相當(dāng)于5kWh(m?d)的地區(qū)采用聚光太陽(yáng)能發(fā)電可保證其經(jīng)濟(jì)性。我國(guó)西部和北部的大部分地區(qū)，如西藏、內(nèi)蒙古、新疆、青海、甘肅的部分地區(qū)都完全符合聚光太陽(yáng)能發(fā)電的日照條件。塔式電站發(fā)電功率與定日鏡群的布置場(chǎng)地面積大小有關(guān)，每生產(chǎn)1MW電能，大約需要20234平方米定日鏡場(chǎng)。我國(guó)西北部人口稀少，耕地面積少，太陽(yáng)輻射強(qiáng)，如西藏、內(nèi)蒙古、青海，可用于布置定日鏡場(chǎng)的面積達(dá)987900平方米，其中大部分地區(qū)年平均日照量大于1800kWh/(m.a),是建設(shè)塔式電站的理想地點(diǎn)。我國(guó)的能源政策也支持鼓勵(lì)太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)。2005年發(fā)布的《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要2005—2020年》中指出，要將太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)作為一項(xiàng)優(yōu)先主題進(jìn)行布局和規(guī)劃。2007年8月發(fā)布的《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》中指出，我國(guó)在“十一五”時(shí)期，計(jì)劃在內(nèi)蒙古、甘肅、新疆等地選擇荒漠、戈壁、荒灘等空閑土地，建設(shè)太陽(yáng)能熱發(fā)電示范項(xiàng)目，到2010年建成太陽(yáng)能熱發(fā)電總?cè)萘?萬(wàn)kw,到2020年達(dá)到20萬(wàn)kw。我國(guó)在塔式太陽(yáng)能發(fā)電方面起步較晚，從上世紀(jì)七十年代開(kāi)始進(jìn)行了一些應(yīng)用性基礎(chǔ)試驗(yàn)和研究，在天津建造了一套功率為1KW的塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電模擬裝置。2005年10月，我國(guó)第一座的70kw塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)在南京市江寧開(kāi)發(fā)區(qū)建成并成功發(fā)電，電站占地約40畝，投資500萬(wàn)元。塔高33M，采用面積為20平方米的定日鏡32面。接收器采用以空氣為介質(zhì)的腔式結(jié)構(gòu)，具有一定壓力的空氣在腔式接收器中加熱后推動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電，腔式接收器及燃?xì)廨啓C(jī)等設(shè)備由以色列合作提供。該電站的定日鏡技術(shù)具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，與國(guó)外成型制鏡技術(shù)不同，聚光鏡采用特殊成型方式，通過(guò)支撐優(yōu)化結(jié)構(gòu)控制鏡面弧度，使定日鏡