太陽能熱發(fā)電的顯熱蓄熱技術(shù)進展

1、摘要：介紹了太陽能熱發(fā)電蓄熱的3種方式：顯熱蓄熱、相變蓄熱和熱化學(xué)蓄熱，對一些太陽能熱發(fā)電站的工作原理與系統(tǒng)構(gòu)成做了論述，論述了其儲熱系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)等。并對三種太陽能熱發(fā)電儲熱方式做了比較。關(guān)鍵詞：太陽能；熱發(fā)電；蓄熱；顯熱；熱化學(xué)；相變儲熱Abstract:Thispaperintroduces3ways:solarthermalpowergenerationheatsensibleheatstorageandheatstoragephasechangeandchemicalreaction，someofthesolarthermalpowerstations，theworkingprinc

2、ipleandsystemstructurearediscussed，anddiscussestheprincipleandthestructureoftheheatstoragesystem.Threekindsofsolarthermalpowergenerationmethodsarecompared.Keywords:solarenergy;thermalpowergeneration;heatstorage;sensibleheat;thermochemistry;phasechangethermalstorage0引言在石油，煤炭等資源儲量日益枯竭的背景下，太陽能熱發(fā)電技術(shù)正受到越

3、來越多的重視1。近年來，以美國、西班牙為代表的發(fā)達國家大力建設(shè)大容量(50MW)的太陽能電站。由于太陽能資源存在不穩(wěn)定性和間歇性，因此達到穩(wěn)定的電力輸出是太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域的一個重要問題。太陽能熱發(fā)電分為獨立運行和聯(lián)合運行兩大類。前者以太陽能作為唯一的能量來源；后者是以太陽能和化石燃料聯(lián)合發(fā)電。一個獨立運行的太陽能熱電站，如果沒有蓄熱裝置，只能在有足夠日照強度的情況下發(fā)電，當(dāng)日照強度較高時，超出發(fā)電負(fù)荷的電量又得不到利用而白白地浪費。在獨立運行的太陽能熱發(fā)電站設(shè)置蓄熱(TES)裝置，可以平穩(wěn)電力輸出、延長太陽能電站設(shè)備的使用時間。聯(lián)合發(fā)電電站設(shè)置蓄熱裝置，還可以提高太陽能的利用率。例如，某太陽能

4、-火力聯(lián)合電站在無蓄熱的情況下，太陽能系統(tǒng)一般只能承擔(dān)總負(fù)荷的13%-25%2,而一個有蓄熱裝置的槽式太陽能電站,以存儲6h滿負(fù)荷容量計算，則可以承擔(dān)總負(fù)荷的40%3。常見的蓄熱方式有顯熱蓄熱、潛熱蓄熱和熱化學(xué)蓄熱4。顯熱蓄熱方式一般是通過流體和蓄熱材料的單純顯熱交換來實現(xiàn)。該方式包括單一流體蓄熱、多種介質(zhì)直接蓄熱和間接蓄熱。潛熱蓄熱方式通過相變材料的相變，在一定的溫度范圍內(nèi)蓄熱和放熱4；熱化學(xué)蓄熱方式利用熱能催化化學(xué)反應(yīng)，一般通過制氫的方式來存儲能量。考慮到成本、技術(shù)難度以及傳統(tǒng)火力發(fā)電廠的設(shè)備類型，采用直接顯熱蓄熱技術(shù)最為簡易。不同熱發(fā)電方式的運行溫度不同，蓄熱系統(tǒng)選用的工質(zhì)和蓄熱器形式也

5、不同若要準(zhǔn)確地設(shè)計建造足夠容量的蓄熱設(shè)備，就要掌握蓄熱器內(nèi)蓄熱、放熱過程的特性。本文在對常見的3種顯熱蓄熱技術(shù)進行介紹的基礎(chǔ)上，著重對間接接觸蓄熱方式的研究成果及發(fā)展方向進行討論。1單一流體蓄熱雙罐蓄熱是常見的單一流體蓄熱形式。工作流體既能在集熱場中充當(dāng)換熱流體吸收熱量，又能在蓄熱罐中充當(dāng)蓄熱介質(zhì)。如圖1所示的太陽能熱電站中有兩個蓄熱罐，分別為冷罐和熱罐5。Fig.1Schematicofdual-tankthermalenergystorage在集熱場的光熱轉(zhuǎn)換過程中，陽光經(jīng)定日鏡反射到集熱器上，低溫的換熱流體在集熱器中被加熱到高溫，然后被送入到熱罐中蓄存起來；在發(fā)電機組的發(fā)電過程中，可以利

6、用換熱器放出熱量，換熱流體溫度降低后被送入冷罐中蓄存起來，陽光充足時由泵送回集熱場中加熱。早期的雙罐系統(tǒng)，采用導(dǎo)熱油作為換熱和蓄熱介質(zhì)。常用的導(dǎo)熱油主要成分是聯(lián)苯和聯(lián)二苯氧化物的共溶混合物6。19847991年，以色列Luz公司在美國加州建成了9座槽式電站，總裝機容量為354MW。該電站即采用了雙罐蓄熱系統(tǒng)，利用導(dǎo)熱油顯熱蓄熱。電站運行時，冷罐蓄存的導(dǎo)熱油溫度為240C,熱罐蓄存溫度為307C。在槽式熱發(fā)電領(lǐng)域，直接蒸汽發(fā)生技術(shù)DSG）受到了廣泛的關(guān)注DSG能使水直接在吸熱管中吸熱蒸發(fā)得到高溫水蒸氣，既能節(jié)省導(dǎo)熱油成本和換熱器投資，又能避免導(dǎo)熱油的泄露和污染，是一種極有前途的發(fā)電技術(shù)。圖2是一

7、種滑壓運行的蒸汽蓄存器1。當(dāng)集熱場中熱流強度發(fā)生變化時，該類型蓄熱器內(nèi)蒸汽流量保持不變，僅僅通過滑動調(diào)節(jié)蒸汽的壓力來改變蒸汽的焓值，在低負(fù)荷時做功能力損失較小。由于蒸汽的密度較低，單位體積所蓄存的能量較少，因此單純儲存蒸汽的蓄熱器性價比較低。如果將熱量蓄存在飽和水中，則可以大大提高蓄熱器的經(jīng)濟性。中，SEGSI電站發(fā)電能力為13.8MW，蓄熱罐蓄熱能力為120MWh,能夠滿足滿負(fù)荷發(fā)電3h。研究發(fā)現(xiàn)，對于大容量熱發(fā)電站，如果蓄熱容量增大，投資成本將急劇提高。在SEGS電站中，導(dǎo)熱油成本占總投資的42%7。圖2滑壓運行的蒸汽儲存器Fig.2Schemeofslidingpressuresteam

8、accumulator在商業(yè)電站中，西班牙塞維利亞附近的PS10塔式電站采用了蒸汽蓄存技術(shù)。該電站從2007年起開始發(fā)電，裝機容量11MW，可以產(chǎn)生275C飽和蒸汽，多余的飽和蒸汽被送入飽和水蓄熱器中蓄存。我國的八達嶺塔式電站中，應(yīng)用了蓄熱器存儲2.5MPa.224C的飽和水/蒸汽。飽和蒸汽蓄熱代替熔融鹽或?qū)嵊托顭?，雖然節(jié)約了換熱介質(zhì)的成本，但是蓄熱設(shè)備承受的壓力較大，也會增加設(shè)備成本。此外，蒸汽蓄熱的溫度較低，發(fā)電效率也不高。2直接接觸蓄熱采用單一流體來充當(dāng)換熱流體和蓄熱介質(zhì)，無論是采用導(dǎo)熱油，還是熔融鹽，成本都比較高。如果利用相對便宜的介質(zhì)來充當(dāng)蓄熱介質(zhì)，則有望大幅降低投資成本。對于一個

9、填充有多孔介質(zhì)如碎巖石、沙礫等）的蓄熱單罐，高溫?fù)Q熱流體從罐體頂部充入蓄熱罐后，會在罐體內(nèi)部形成一個溫度躍升的薄層，薄層上部為高溫區(qū)域，下部為低溫區(qū)域，中間維持穩(wěn)定的溫度梯度，該現(xiàn)象被稱為斜溫層。研究顯示，該薄層能夠維持很長的時間。對于電站發(fā)電運行而言，該模式可以有效地減少蓄熱罐體的體積。圖3為一填滿巖石的單罐蓄熱器。罐體內(nèi)填充巖石作蓄熱材料，其孔隙率e換熱流體與罐體體積之比）越小，即使用的換熱流體越少，成本越低。位于美國加州的SolarOne塔式電站是最早應(yīng)用該蓄熱技術(shù)的太陽能熱電站，其斜溫層單罐中就是使用巖石和沙礫作為蓄熱介質(zhì)，導(dǎo)熱油作為換熱流體。該電站于19827988年進行了試驗發(fā)電。

10、圖3斜溫層單罐蓄熱器示意圖Fig.3SchematicofthermoclinesingleTEStank采用多孔介質(zhì)，特別是采用巖石等固體材料蓄熱，要注意化學(xué)穩(wěn)定性問題。以導(dǎo)熱油為換熱流體時，導(dǎo)熱油不易與巖石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，但要避免巖石在長時間運行中粉碎開裂產(chǎn)生粉末，因此要在罐體頂部和底部增加過濾裝置。以熔融鹽作為換熱流體時，就要防止偏堿性的熔融鹽與巖石發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而污染熔融鹽。3間接接觸蓄熱要避免換熱流體和蓄熱材料之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，防止換熱流體被污染或分解，可以采用換熱器將二者完全分隔開來的間接接觸蓄熱。同時，較為簡單的布置形式也便于準(zhǔn)確計算其蓄放熱效果，有利于電站運行控制。位于西班牙Gr

11、anada的AndasolI槽式電站應(yīng)用了間接接觸蓄熱裝置。電站裝機容量50MW，009年開始發(fā)電，槽式電站產(chǎn)生的過熱蒸汽通過換熱器與熔融鹽進行換熱。蓄熱系統(tǒng)采用雙罐結(jié)構(gòu)，熱罐溫度384C,冷罐溫度291C,能夠提供7.5h滿負(fù)荷發(fā)電所需熱量。2013年，世界最大的熱發(fā)電站，位于美國亞利桑那州的Solana槽式電站建成投產(chǎn)。該電站裝機容量280MW,也采用了熔融鹽作為蓄熱介質(zhì)，能夠滿足6h滿負(fù)荷運行需要。在大規(guī)模太陽能熱電站蓄熱系統(tǒng)中，要想節(jié)約成本，加快安裝速率，可以考慮模塊化生產(chǎn)蓄熱單元，常見的蓄熱單元有管式、柱式和板式3種形式。管式蓄熱單元的蓄熱方式：換熱流體在管內(nèi)流動，蓄熱材料在管外；柱

12、式蓄熱單元的蓄熱方式：換熱流體在管外流動，蓄熱材料在管內(nèi)；板式蓄熱單元的蓄熱方式：換熱流體和蓄熱材料成板式交替布置。以管式蓄熱模塊為例，管道中流過導(dǎo)熱油或熔融鹽，管道外是更加便宜的碳酸鹽等熔融鹽，蓄熱介質(zhì)可以在封裝的區(qū)域內(nèi)流動固體介質(zhì)蓄熱與模塊化蓄熱結(jié)構(gòu)相似，蓄熱介質(zhì)采用耐高溫的混凝土或耐火陶瓷，與換熱流體流經(jīng)的管道緊密凝固在一起。圖5為高溫固體介質(zhì)蓄熱結(jié)構(gòu)的斷面圖。由圖可見，蓄熱固體材料與換熱管道接觸緊密。經(jīng)長期測試發(fā)現(xiàn)，混凝土結(jié)構(gòu)容易開裂，而耐火陶瓷比較穩(wěn)定。a）混凝土結(jié)構(gòu)b）耐火陶瓷圖5高溫固體介質(zhì)蓄熱結(jié)構(gòu)斷面Fig.5Crosssectionofhightemperaturesolid

13、mediaTESstructure要采用固體介質(zhì)顯熱蓄熱，須要使固體材料膨脹系數(shù)與管道金屬的膨脹系數(shù)相近，否則在長期蓄放熱過程中，會損壞管道，造成漏液，這是固體介質(zhì)蓄熱難以推廣的關(guān)鍵。為了解決固體蓄熱介質(zhì)蓄放熱速率較低的問題，Laing在蓄熱材料中添加石墨或金屬碎屑來強化傳熱，是較為經(jīng)濟的。對比添加強化傳熱翅片和不添加翅片的效果表明，雖然添加翅片可以減少換熱管道數(shù)量，但經(jīng)濟性不如單純使用光管。從成本角度考慮，完全用單一流體蓄熱和換熱是不經(jīng)濟的，因而使用較便宜介質(zhì)作蓄熱材料的接觸式蓄熱方案得到了廣泛應(yīng)用。4結(jié)語單一流體蓄熱，無論是采用導(dǎo)熱油，還是采用熔融鹽，成本均較高，已經(jīng)逐漸退出了應(yīng)用；當(dāng)解決

14、壓力容器問題后，蒸汽蓄熱將有很好的應(yīng)用前景。采用巖石和沙礫等廉價的蓄熱材料，填充到斜溫層單罐中進行多孔介質(zhì)直接接觸蓄熱已受到了廣泛關(guān)注。但是要注意蓄熱材料與換熱流體的匹配問題，避免發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而導(dǎo)致失效。間接接觸蓄熱作為近年來逐漸興起的蓄熱技術(shù)，避免了直接接觸蓄熱弊端，得到了廣泛認(rèn)可。但對于固體介質(zhì)蓄熱，要解決膨脹性匹配問題和強化傳熱問題。參考文獻：左遠志，楊曉西，丁靜，等熔融鹽斜溫層蓄熱的熱特性研究J.太陽能學(xué)報，2012,331）135140.徐二樹，高維，徐蕙，等.八達嶺塔式太陽能熱發(fā)電蒸汽蓄熱器動態(tài)特性仿真J.中國電機工程學(xué)報，2012，32（8）：112-118.LaingD，Ste

15、inmannW，F(xiàn)ibM，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