塔式太阳能热发电技术进展

塔式太阳能热发电技术进展摘要：在介绍塔式太阳能热发电系统的基本原理、系统组成的基础上，回顾了塔式太阳能热发电系统的发展历程，着重阐述了塔式热发电所涉及的关键技术，包括定日镜、接收器、传热蓄热工质的研究进展，并通过分析我国气象、地理条件及能源需求，指出塔式太阳能热发电在我国的西藏、内蒙等西北部地区具有广阔的应用前景。关键词：太阳能热发电；塔式发电系统;蓄热；定日镜;接收器一引言塔式太阳能热发电系统的基本形式是利用独立跟踪太阳的定日镜群，将阳光聚集到固定在塔顶部的接收器上产生高温，加热工质产生过热蒸汽或高温气体，驱动汽轮机发电机组或燃气轮机发电机组发电，从而将太阳能转换为电能。二发电原理与系统塔式太阳能热发电系统，也称集中型太阳能热发电系统，主要由定日镜阵列、高塔、吸热器、传热介质、换热器、蓄热系统、控制系统及汽轮发电机组等部分组成，基本原理是利用太阳能集热装置将太阳热能转换并储存在传热介质中，再利用高温介质加热水产生蒸汽，驱动汽轮发电机组发电。塔式太阳能热发电系统中，吸热器位于高塔上，定日镜群以高塔为中心，呈圆周状分布，将太阳光聚焦到吸热器上，集中加热吸热器中的传热介质，介质温度上升，存入高温蓄热罐，然后用泵送入蒸汽发生器加热水产生蒸汽，利用蒸汽驱动汽轮机组发电，汽轮机乏汽经冷凝器冷凝后送入蒸汽发生器循环使用。在蒸汽发生器中放出热量的传热介质重新回到低温蓄热罐中，再送回吸热器加热。塔式太阳能热发电系统概念设计原理系统如图所示。三发展简史塔式太阳能热发电系统的设计思想是20世纪50年代由前苏联提出的。1950年，前苏联设计了世界上第一座塔式太阳能热发电站的小型实验装置，对太阳能热发电技术进行了广泛的、基础性的探索和研究。据不完全统计，1981一1991年的10年间，全世界建造了兆瓦级太阳能热发电试验电站20余座，其中主要形式是塔式电站，最大发电功率为80MW。世界上几个具有代表性的太阳能塔式热发电站如表1所示。20世纪80年代末，安装在意大利西西里岛的，由法国、原联邦德国和意大利等欧洲9国联合建造的，世界上第一座塔式太阳能热电站并网运行。电站塔高50米，占地2万平方米，额定功率为1MW，蓄热器由硝酸盐组成，采用了50平方米定日镜70个、23平方米定日镜112个。1981年，美国在加利福尼亚州南部沙漠地区附近建成盯塔式太阳能热发电站，1982年投入运行，总耗资1.42亿美元，共有定日镜1818台，每台定镜面积40平方米。中央接收器位于80高的塔顶，产生516°C的高温蒸汽，装机容量10MW,专培成*叩胡妆智由稀棉电站*称nW投击11照MrHr5SPS四桥牙igg]1)：钠q.3EUREIJOS辟1年嬉At-术1.0日率lybl骨|心SOLARONE年湎十器有10=0CESA-I西骈牙1983年米蒸程L0THKMIS法国1984年2.5MSEEl.t)TSA西地牙1993.q:陶瓷1.0SOLART^r0X.国年焙盐10.0SOLAkTRES西捌*华1fl.n招Mj】q是当时世界上最大的塔式太阳能热发电站。传热介质为水，蓄热介质为导热油和石块，所储存的热量可保证4H的7MW电能输出，保证了在恶劣的气候条件下及夜间正常运行。经过一段时间试验运行后，在SolarOne的基础上又建造了。塔式太阳能热发电站，并于1996年6月投入运行。SolarOne的参数如下：1926块定日镜，其中40平方米耐定镜1818台，95平方米定日镜108台，镜面总面积82980平方米。采用熔盐蓄热系统，有2个储热罐，一个储存565C的高温熔盐，另一个储存288C的低温熔盐。熔盐可有效蓄热，日落后SolarOne能够向一万个家庭供电3个小时。由于增加了蓄热系统，使太阳塔输送电能的负载因子高达65%°SolarOne塔式试验电站蓄热系统从1996年一直运行到1999年结束，是目前最成熟的熔盐蓄热系统。SolarOne验证了采用熔盐技术可以使电站具有较好的技术和经济性，极大地推进了塔式太阳能热发电站的商业化进程。1983年西班牙工业部和能源部开始投资兴建CESA一1,采用了面积为39.6平方米的定日镜300个，定日镜双轴跟踪误差1.5mard,反射率92%。塔身为钢混结构，高80M,载荷能力为100T。目前该装置作为实验平台用于试验塔式接收系统的不同部件，如定日镜、接收器、储热器以及控制部分的性能。法国的THEMIS电站建于上世纪80年代，发电功率为2,5MW,使用熔盐作为吸热器和储热器的介质，塔高100M,单面定日镜面积为45平方米。该项目是为确立总体设计和部件的技术可行性，并评价出口潜力。该电站在1983一1986年成功运行，为未来电站的建设提供了大量的资料。现已停运多年，目前定日镜已有30%以上的玻璃无法满足设计要求，因此40%的定日镜被法国电力公司收购并改造成为跟踪光伏发电场，其余60%左右定日镜被重新改造，用于1.5MW燃气发电试验电站。建于西班牙Seville的PS10发电厂于2007年月3发电，发电功率11MW。该项目初期论证过采用空气吸热器加燃气轮机的BRAYTON循环技术，最后由于成本高和技术风险大，转而采用直接产生蒸汽的方式。PS10塔高90M,有981面121平方米的定日镜，PS10电站每年向电网提供19.2GWh的电力，年平均发电效率可达10.5%。四技术进展1定日镜定日镜由刚性金属结构支撑，通过控制系统调整方位和角度，实现对太阳光线的准确跟踪接收，并聚集反射太阳光线进入塔顶的接收器内，如下图所示。定日镜由反射镜、跟踪传动机构、镜架及基座组成，是塔式电站最关键也是最昂贵的部件，美国SolarOne电站1.42亿美元投资中，定日镜占52%,目前，定日镜的控制精度、运行稳定性和安全可靠性及降低建造成本是定日镜研究开发的主要内容。美国在塔式太阳能热发电技术方面，除建成SolarOne电站外，还开发研制了一种新型的张膜式定日镜，其反射镜由镀银聚合物薄膜覆盖于薄金属箔上制成，然后张紧到金属构架上，对太阳的平均反射率约为0.92。这种薄膜定日镜的制造成本较低，不到玻璃反射镜的1/3。2接收器除定日镜群外，塔式太阳能热发电集热系统的另一主要组成部分是太阳能接收器，也称为太阳锅炉，是光热转换的关键部件。接收器位于定日镜群中央的高塔上，将定日镜捕捉、反射、聚焦的太阳能直接转化为可以高效利用的高温热能，加热工作介质至500°C以上，驱动发电机组产生电能。国际上现有的塔式太阳能接收器主要分为间接照射接收器和直接照射接收器两大类。间接照射接收器向载热工质的传热过程不发生在太阳照射面，工作时聚焦入射的太阳能先加热受热面，受热面升温后再通过壁面将热量向另一侧的载热工质传递。管状接收器即为间接式。直接照射接收器也称空腔式接收器，特点是接收器向载热工质的传热与入射阳光加热受热面在同一表面发生，由于特定形状的内表面具有几近黑体的特性，可有效吸收入射的太阳能，避免选择性吸收涂层的问题。按照制作材料，接收器又可分为金属和非金属两大类。金属接收器的整体密封性、导热性、承压能力较好但耐高温性能比非金属差。非金属接收器的优点在于耐高温、耐腐蚀，使用寿命长，常用材料有陶瓷、石墨、玻璃及氟塑料等。塔式太阳能热发电站是采用灌装接收器，管外壁涂有耐高温吸收涂成，能最大限度吸收太阳辐射热能。结构如图所示。工质介质为水/蒸汽;SolarOne仍采用管状接收器，工作介质为熔盐，在平均太阳辐射能流密度430KW/M2条件下，吸热器额定功率为，将进口温度为288°C的熔盐加热到565°C，经管道和泵输往热盐罐存储。空腔式接收器最早应用在PHOEBUS系统中，利用金属丝网直接吸收太阳辐射，温度可高达800C。后来，金属丝网逐渐被SiC或AL2O3材料所取代。新型空腔式接收器置于有压容器中，阳光通过抛物面状石英玻璃窗口进入容器，如图所示。图4压力空腔式接收器3春热储热介质目前应用的传热蓄热介质主要有水蒸汽、导热油、熔盐、液态金属如液态钠、空气等。水蒸汽具有热导率高、无毒、无腐蚀性等优点，如美国SolarOne、西班牙PS10等电站采用水蒸汽作为传热工质，但水蒸汽在高温时有高压问题,在实际使用时蒸汽温度受到限制。导热油既可用于蓄热又可用于传热介质，一般用于400°C以下的场合，限制了塔式系统接收器的聚焦温度。油类在高温时的蒸汽压力非常大400C时大于1MPa,使用其作为蓄热介质需要特殊的压力阀等设备，存在很大的困难，容易引发火灾，且价格昂贵。SolarOne采用的蓄热介质是牌号为Caloria一43的导热油和6100t砂石，利用价格低廉的砂石作为填充材料以降低蓄热系统成本。液态金属能应用于较高的温度，且金属材料密度大，导热率高，整体温度分布均匀，但高温下与空气接触易燃易爆，由此带来的安全问题制约了其在塔式电站蓄热系统中的应用。西班牙的SSPS小型太阳能发电系统采用液态钠作为传热蓄热工质，在运行中出现过液态钠泄露问题，1986年发生了钠燃烧事故。西班牙太阳能研究、发展与测试中心PlataformaSolardeAlmeria曾开发试验2.5MW腔式接收器，验证了口气作为传热储热介质技术应用的潜力。空气的热容较小，因此口气吸热器工作温度可以高于1000度，但是近期传热能力较差，需要额外措施以加强传热，加大了成本。Kearney等人的演剧表明，使用溶盐作为储热介质可以使太阳能电站操作温度提高到450—500°C，发电效率提高到40%,蓄热效率提高2.5倍，从而在热容量一定时减小蓄热容器的体积。此外，熔盐价格低廉，环境友好。美国MESS和，。启「One，意大利EURELIOS，日本SUNSHINE，西班牙CESA-1和Ps20，法国THEMIS等塔式太阳能高温热发电站均采用混合熔盐技术进行吸热和储热。常见的熔盐有碳酸盐、氯化物、氟化物和硝酸盐，其中，硝酸熔盐在太阳能热发电中的应用较为广泛。凝固温度130度，KNO3的混合物，凝固温度220C，以及、的混合物，凝固温度为C。其中最后一种熔盐成本最低。SolarTwo采用SolarSalt混合熔盐作为传热和蓄热介质，此熔盐在220C时开始熔化，在600C以下热性能稳定。蓄热能力为105MW，可供汽轮机满负荷运行3h。五在我国的应用前景1990一2004年间，我国的电力产量以平均每年9.7%的速率递增，装机容量由138GW上升至442GW。为适应我国经济持续快速发展的需要，到2020年我国需增加625一860的装机容量，相当于欧盟2003年的总装机容量。我国石油和天然气资源比较贫乏，是一个以煤炭为主要能源资源的国家，煤炭占据能源消费结构2/3以上的比例。煤的大量使用，给环境带来诸多负面影响，如燃煤排放二氧化碳带来的温室效应，以及地面下沉、水体污染等等。分析表明，中国将在2009年取代美国成为世界最大的二氧化碳排放源。满足持续快速增长的能源需求和能源的清洁高效利用，对能源科技发展提出重大挑战。中国对以煤炭为主体的能源结构进行改革势在必行，否则，来自国际社会的压力将会愈来愈大。开发利用可再生能源，是建立可持续发展能源系统最主要的政策措施，也是我国长期的能源发展战略。我国土地面积广阔，日照丰富，具有居世界第二的太阳能资源。全国各地年平均日辐射量地区差异较大，从东南部低于2kWh/(m・d)西部大于9kWh不等。日辐射量的多少对于降低太阳能发电系统的成本具有重要意义，研究表明，年平均日照量高于1800kWh(m・d)相当于5kWh(m・d)的地区采用聚光太阳能发电可保证其经济性。我国西部和北部的大部分地区，如西藏、内蒙古、新疆、青海、甘肃的部分地区都完全符合聚光太阳能发电的日照条件。塔式电站发电功率与定日镜群的布置场地面积大小有关，每生产1MW电能，大约需要20234平方米定日镜场。我国西北部人口稀少，耕地面积少，太阳辐射强，如西藏、内蒙古、青海，可用于布置定日镜场的面积达987900平方米，其中大部分地区年平均日照量大于1800kWh/(m.a),是建设塔式电站的理想地点。我国的能源政策也支持鼓励太阳能热发电技术的研究与开发。2005年发布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要2005—2020年》中指出，要将太阳能热发电技术作为一项优先主题进行布局和规划。2007年8月发布的《可再生能源中长期发展规划》中指出，我国在“十一五”时期，计划在内蒙古、甘肃、新疆等地选择荒漠、戈壁、荒滩等空闲土地，建设太阳能热发电示范项目，到2010年建成太阳能热发电总容量5万kw,到2020年达到20万kw。我国在塔式太阳能发电方面起步较晚，从上世纪七十年代开始进行了一些应用性基础试验和研究，在天津建造了一套功率为1KW的塔式太阳能热发电模拟装置。2005年10月，我国第一座的70kw塔式太阳能热发电系统在南京市江宁开发区建成并成功发电，电站占地约40亩，投资500万元。塔高33M，采用面积为20平方米的定日镜32面。接收器采用以空气为介质的腔式结构，具有一定压力的空气在腔式接收器中加热后推动燃气轮机发电，腔式接收器及燃气轮机等设备由以色列合作提供。该电站的定日镜技术具有完全自主知识产权，与国外成型制镜技术不同，聚光镜采用特殊成型方式，通过支撑优化结构控制镜面弧度，使定日镜