太阳能热发电的显热蓄热技术进展

1、摘要：介绍了太阳能热发电蓄热的3种方式：显热蓄热、相变蓄热和热化学蓄热，对一些太阳能热发电站的工作原理与系统构成做了论述，论述了其储热系统的原理结构等。并对三种太阳能热发电储热方式做了比较。关键词：太阳能；热发电；蓄热；显热；热化学；相变储热Abstract:Thispaperintroduces3ways:solarthermalpowergenerationheatsensibleheatstorageandheatstoragephasechangeandchemicalreaction，someofthesolarthermalpowerstations，theworkingprinc

2、ipleandsystemstructurearediscussed，anddiscussestheprincipleandthestructureoftheheatstoragesystem.Threekindsofsolarthermalpowergenerationmethodsarecompared.Keywords:solarenergy;thermalpowergeneration;heatstorage;sensibleheat;thermochemistry;phasechangethermalstorage0引言在石油，煤炭等资源储量日益枯竭的背景下，太阳能热发电技术正受到越

3、来越多的重视1。近年来，以美国、西班牙为代表的发达国家大力建设大容量(50MW)的太阳能电站。由于太阳能资源存在不稳定性和间歇性，因此达到稳定的电力输出是太阳能热发电领域的一个重要问题。太阳能热发电分为独立运行和联合运行两大类。前者以太阳能作为唯一的能量来源；后者是以太阳能和化石燃料联合发电。一个独立运行的太阳能热电站，如果没有蓄热装置，只能在有足够日照强度的情况下发电，当日照强度较高时，超出发电负荷的电量又得不到利用而白白地浪费。在独立运行的太阳能热发电站设置蓄热(TES)装置，可以平稳电力输出、延长太阳能电站设备的使用时间。联合发电电站设置蓄热装置，还可以提高太阳能的利用率。例如，某太阳能

4、-火力联合电站在无蓄热的情况下，太阳能系统一般只能承担总负荷的13%-25%2,而一个有蓄热装置的槽式太阳能电站,以存储6h满负荷容量计算，则可以承担总负荷的40%3。常见的蓄热方式有显热蓄热、潜热蓄热和热化学蓄热4。显热蓄热方式一般是通过流体和蓄热材料的单纯显热交换来实现。该方式包括单一流体蓄热、多种介质直接蓄热和间接蓄热。潜热蓄热方式通过相变材料的相变，在一定的温度范围内蓄热和放热4；热化学蓄热方式利用热能催化化学反应，一般通过制氢的方式来存储能量。考虑到成本、技术难度以及传统火力发电厂的设备类型，采用直接显热蓄热技术最为简易。不同热发电方式的运行温度不同，蓄热系统选用的工质和蓄热器形式也

5、不同若要准确地设计建造足够容量的蓄热设备，就要掌握蓄热器内蓄热、放热过程的特性。本文在对常见的3种显热蓄热技术进行介绍的基础上，着重对间接接触蓄热方式的研究成果及发展方向进行讨论。1单一流体蓄热双罐蓄热是常见的单一流体蓄热形式。工作流体既能在集热场中充当换热流体吸收热量，又能在蓄热罐中充当蓄热介质。如图1所示的太阳能热电站中有两个蓄热罐，分别为冷罐和热罐5。Fig.1Schematicofdual-tankthermalenergystorage在集热场的光热转换过程中，阳光经定日镜反射到集热器上，低温的换热流体在集热器中被加热到高温，然后被送入到热罐中蓄存起来；在发电机组的发电过程中，可以利

6、用换热器放出热量，换热流体温度降低后被送入冷罐中蓄存起来，阳光充足时由泵送回集热场中加热。早期的双罐系统，采用导热油作为换热和蓄热介质。常用的导热油主要成分是联苯和联二苯氧化物的共溶混合物6。19847991年，以色列Luz公司在美国加州建成了9座槽式电站，总装机容量为354MW。该电站即采用了双罐蓄热系统，利用导热油显热蓄热。电站运行时，冷罐蓄存的导热油温度为240C,热罐蓄存温度为307C。在槽式热发电领域，直接蒸汽发生技术DSG）受到了广泛的关注DSG能使水直接在吸热管中吸热蒸发得到高温水蒸气，既能节省导热油成本和换热器投资，又能避免导热油的泄露和污染，是一种极有前途的发电技术。图2是一

7、种滑压运行的蒸汽蓄存器1。当集热场中热流强度发生变化时，该类型蓄热器内蒸汽流量保持不变，仅仅通过滑动调节蒸汽的压力来改变蒸汽的焓值，在低负荷时做功能力损失较小。由于蒸汽的密度较低，单位体积所蓄存的能量较少，因此单纯储存蒸汽的蓄热器性价比较低。如果将热量蓄存在饱和水中，则可以大大提高蓄热器的经济性。中，SEGSI电站发电能力为13.8MW，蓄热罐蓄热能力为120MWh,能够满足满负荷发电3h。研究发现，对于大容量热发电站，如果蓄热容量增大，投资成本将急剧提高。在SEGS电站中，导热油成本占总投资的42%7。图2滑压运行的蒸汽储存器Fig.2Schemeofslidingpressuresteam

8、accumulator在商业电站中，西班牙塞维利亚附近的PS10塔式电站采用了蒸汽蓄存技术。该电站从2007年起开始发电，装机容量11MW，可以产生275C饱和蒸汽，多余的饱和蒸汽被送入饱和水蓄热器中蓄存。我国的八达岭塔式电站中，应用了蓄热器存储2.5MPa.224C的饱和水/蒸汽。饱和蒸汽蓄热代替熔融盐或导热油蓄热，虽然节约了换热介质的成本，但是蓄热设备承受的压力较大，也会增加设备成本。此外，蒸汽蓄热的温度较低，发电效率也不高。2直接接触蓄热采用单一流体来充当换热流体和蓄热介质，无论是采用导热油，还是熔融盐，成本都比较高。如果利用相对便宜的介质来充当蓄热介质，则有望大幅降低投资成本。对于一个

9、填充有多孔介质如碎岩石、沙砾等）的蓄热单罐，高温换热流体从罐体顶部充入蓄热罐后，会在罐体内部形成一个温度跃升的薄层，薄层上部为高温区域，下部为低温区域，中间维持稳定的温度梯度，该现象被称为斜温层。研究显示，该薄层能够维持很长的时间。对于电站发电运行而言，该模式可以有效地减少蓄热罐体的体积。图3为一填满岩石的单罐蓄热器。罐体内填充岩石作蓄热材料，其孔隙率e换热流体与罐体体积之比）越小，即使用的换热流体越少，成本越低。位于美国加州的SolarOne塔式电站是最早应用该蓄热技术的太阳能热电站，其斜温层单罐中就是使用岩石和沙砾作为蓄热介质，导热油作为换热流体。该电站于19827988年进行了试验发电。

10、图3斜温层单罐蓄热器示意图Fig.3SchematicofthermoclinesingleTEStank采用多孔介质，特别是采用岩石等固体材料蓄热，要注意化学稳定性问题。以导热油为换热流体时，导热油不易与岩石发生化学反应，但要避免岩石在长时间运行中粉碎开裂产生粉末，因此要在罐体顶部和底部增加过滤装置。以熔融盐作为换热流体时，就要防止偏碱性的熔融盐与岩石发生化学反应，而污染熔融盐。3间接接触蓄热要避免换热流体和蓄热材料之间发生化学反应，防止换热流体被污染或分解，可以采用换热器将二者完全分隔开来的间接接触蓄热。同时，较为简单的布置形式也便于准确计算其蓄放热效果，有利于电站运行控制。位于西班牙Gr

11、anada的AndasolI槽式电站应用了间接接触蓄热装置。电站装机容量50MW，009年开始发电，槽式电站产生的过热蒸汽通过换热器与熔融盐进行换热。蓄热系统采用双罐结构，热罐温度384C,冷罐温度291C,能够提供7.5h满负荷发电所需热量。2013年，世界最大的热发电站，位于美国亚利桑那州的Solana槽式电站建成投产。该电站装机容量280MW,也采用了熔融盐作为蓄热介质，能够满足6h满负荷运行需要。在大规模太阳能热电站蓄热系统中，要想节约成本，加快安装速率，可以考虑模块化生产蓄热单元，常见的蓄热单元有管式、柱式和板式3种形式。管式蓄热单元的蓄热方式：换热流体在管内流动，蓄热材料在管外；柱

12、式蓄热单元的蓄热方式：换热流体在管外流动，蓄热材料在管内；板式蓄热单元的蓄热方式：换热流体和蓄热材料成板式交替布置。以管式蓄热模块为例，管道中流过导热油或熔融盐，管道外是更加便宜的碳酸盐等熔融盐，蓄热介质可以在封装的区域内流动固体介质蓄热与模块化蓄热结构相似，蓄热介质采用耐高温的混凝土或耐火陶瓷，与换热流体流经的管道紧密凝固在一起。图5为高温固体介质蓄热结构的断面图。由图可见，蓄热固体材料与换热管道接触紧密。经长期测试发现，混凝土结构容易开裂，而耐火陶瓷比较稳定。a）混凝土结构b）耐火陶瓷图5高温固体介质蓄热结构断面Fig.5Crosssectionofhightemperaturesolid

13、mediaTESstructure要采用固体介质显热蓄热，须要使固体材料膨胀系数与管道金属的膨胀系数相近，否则在长期蓄放热过程中，会损坏管道，造成漏液，这是固体介质蓄热难以推广的关键。为了解决固体蓄热介质蓄放热速率较低的问题，Laing在蓄热材料中添加石墨或金属碎屑来强化传热，是较为经济的。对比添加强化传热翅片和不添加翅片的效果表明，虽然添加翅片可以减少换热管道数量，但经济性不如单纯使用光管。从成本角度考虑，完全用单一流体蓄热和换热是不经济的，因而使用较便宜介质作蓄热材料的接触式蓄热方案得到了广泛应用。4结语单一流体蓄热，无论是采用导热油，还是采用熔融盐，成本均较高，已经逐渐退出了应用；当解决

14、压力容器问题后，蒸汽蓄热将有很好的应用前景。采用岩石和沙砾等廉价的蓄热材料，填充到斜温层单罐中进行多孔介质直接接触蓄热已受到了广泛关注。但是要注意蓄热材料与换热流体的匹配问题，避免发生化学反应而导致失效。间接接触蓄热作为近年来逐渐兴起的蓄热技术，避免了直接接触蓄热弊端，得到了广泛认可。但对于固体介质蓄热，要解决膨胀性匹配问题和强化传热问题。参考文献：左远志，杨晓西，丁静，等熔融盐斜温层蓄热的热特性研究J.太阳能学报，2012,331）135140.徐二树，高维，徐蕙，等.八达岭塔式太阳能热发电蒸汽蓄热器动态特性仿真J.中国电机工程学报，2012，32（8）：112-118.LaingD，Ste

15、inmannW，FibM，etal.SolidmediathermalstoragedevelopmentandanalysisofmodularstorageoperationconceptsforparabolictroughpowerplantsJ.SolEnergyEng，2008，130（1）：1-5AdinbergR，ZvegilskyD，EpsteinM.HeattransferefficientthermalenergystorageforsteamgenerationJ.EnergyConversionandManagement，2010，51（1）：9-15.MedranoM，GilA，MartorellI，etal.Stateoftheartonhigh-temperaturethermalenergystorageforpowergeneration.Part2-CasestudiesJ.RenewableandSustainableEnergyReviews，2010，14（1）：56