孫 泓， 毛申允

（上海電氣電站設(shè)備有限公司電站輔機廠，上海，200090）

1 概 述

太陽每秒鐘放射的熱量約3.75×1023kW，其中到達地球陸地表面的輻射能約1.7×1013kW，相當(dāng)于目前全世界1年內(nèi)消耗各種能源所產(chǎn)生總能量的35000多倍，這還不包括輻射在海洋上的能量。如能利用其中極少部分（輻射在世界沙漠面積的1%）用于發(fā)電，就足夠全世界的能源消耗。太陽的壽命至少尚有40億年，相對于人類歷史來說，源源不斷地供給地球的太陽能，真可謂取之不盡用之不竭。

我國的太陽能資源非常豐富，從青藏高原、新疆到內(nèi)蒙古高原的廣大西部地區(qū)，都是太陽能的高輻射地區(qū)。其中約80多萬km2的荒漠地帶是太陽能輻射最豐富的地區(qū)，每平方公里的太陽能輻射功率達百萬千瓦級。如果按照35%的熱電轉(zhuǎn)換效率計算，每平方公里的發(fā)電量可達約35萬kW·h。這80多萬km2的荒漠中，只需利用幾個百分點的土地，就可達到10億千瓦級的供電水平。利用我國西部地區(qū)約10萬km2的面積地域，就可以產(chǎn)生滿足我國1年消耗的電能。太陽能熱發(fā)電具有明顯的環(huán)境優(yōu)勢。據(jù)估計每10MW太陽能熱發(fā)電將減排CO2約5000噸／年，且不產(chǎn)生固體廢料。因此，利用太陽能熱發(fā)電，對于緩解全世界特別是我國能源緊張和環(huán)境惡化的局面具有重要的戰(zhàn)略意義。

在太陽能利用中，光伏發(fā)電和光熱發(fā)電是兩個不同的發(fā)展方向。首具商業(yè)化水平的是以太陽能電池為代表的太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)。光伏發(fā)電是利用硅板直接將太陽能轉(zhuǎn)化成微電流，通過收集系統(tǒng)匯集成一定量的電能達到商業(yè)使用所要求的能級。近年來，雖然我國光伏發(fā)電發(fā)展很快，但還不能解決電能的大規(guī)模儲存問題，所以，以此替代化石燃料供電還有很長的路要走。

太陽能熱利用的另一個發(fā)展方向，是通過光熱轉(zhuǎn)換來獲取熱能并加以利用。其典型例子即是已進入家庭的太陽能熱水器，這是低溫范疇的光熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)（100℃等級）。另外，近年開始運用的建筑綠色能源系統(tǒng)，則把太陽能熱利用提高到了中溫等級（100～400℃）。用于房屋采暖、照明、空調(diào)、通風(fēng)等綜合能源系統(tǒng)。

太陽能利用具有明顯的不穩(wěn)定性，在陰天或晚上，便無法正常工作，即使在陽光充足的白天，只要有大片云彩飄過，太陽光就會大打折扣。要想大規(guī)模利用太陽能，進而取代化石燃料向電網(wǎng)輸送綠色能源，必須解決采集和輸送的不穩(wěn)定性，規(guī)避其對電網(wǎng)的沖擊波動。應(yīng)使太陽能發(fā)電裝置能在微弱日光的環(huán)境下，還能穩(wěn)定正常地發(fā)電，必須走大規(guī)模儲存太陽能熱發(fā)電道路。

近年，在這一領(lǐng)域已初步形成了具有高效率、大容量、高參數(shù)、高聚光比，能與大型汽輪發(fā)電機組或蒸汽－燃氣聯(lián)合循環(huán)機組配合，取代燃煤鍋爐直接向電網(wǎng)供電的“集聚型太陽能熱發(fā)電”系統(tǒng)，簡稱CSP（Concentration Solar Power）。國際上主導(dǎo)的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)型式有三種：“碟式”、“槽式”和“塔式”。

這三種太陽能發(fā)電方式中，塔式的聚光比最大，達到了800：1的高倍數(shù)，極大地提高了單套機組的效率，同時大幅度降低了投資成本，成為目前國際上領(lǐng)先的太陽能熱發(fā)電裝置。

塔式太陽能熱發(fā)電裝置能把大量日光反射到一個小范圍的區(qū)域，從而極大地提升了接收區(qū)域的溫度水平，使得高通量的熱流被盡可能地集中收集，避免了收集過程的散熱損失。目前已實踐的塔式接收裝置，其集熱器的外表面溫度可達1000℃以上，這使得作為吸熱工質(zhì)的水介質(zhì)瞬間達到臨界參數(shù)以上。這為整個機組的發(fā)電效率達到朗肯循環(huán)機組效率成為可能。塔式太陽能熱發(fā)電裝置，見圖1所示。

圖1 塔式太陽能熱發(fā)電裝置原理圖

塔式裝置中的儲熱系統(tǒng)，能將白天收集到的太陽能儲存起來，在沒有陽光的條件下，也能向發(fā)電機組提供穩(wěn)定的熱源供其發(fā)電。目前，國際上均按13h汽輪發(fā)電機組銘牌出力連續(xù)運行，作為儲熱系統(tǒng)熱容量的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。在采用熔融鹽作為儲熱介質(zhì)的裝置中，熱儲罐中的550℃的熱融鹽在儲存1個月后，溫度仍可保持在475℃左右，僅下降75℃。由于有了高通量的塔式集熱器，以及高儲熱效率的融鹽儲罐，使得塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)趨于成熟?？朔颂柲馨l(fā)電的不穩(wěn)定性，避免了對電網(wǎng)的沖擊，使得這種技術(shù)進入商業(yè)市場，逐步取代化石燃料火電機組成為可能。

根據(jù)國外研究，一套完善的塔式太陽能熱發(fā)電機組在單獨運行條件下，已可達到年投運率65%的水平，如采用與其他能源方式聯(lián)合運行（比如蒸汽－燃氣聯(lián)合循環(huán)或火電、水電、風(fēng)電等）則可以極大提升綠色能源比重，大幅減少環(huán)境污染和對化石燃料的倚重。

2 塔式太陽能熱發(fā)電的技術(shù)分析

現(xiàn)以美國南加州太陽二號為例，分析塔式太陽能發(fā)電機組設(shè)備構(gòu)成及運行特點。

太陽二號的額定發(fā)電功率為10MW，由2000面定日鏡將太陽光反射聚集到集熱器，集熱器位于一座300英尺高的塔頂。通過集熱器的吸熱，將熱量傳遞給內(nèi)部的吸熱工質(zhì)，這個工質(zhì)為熔融鹽，由60%的硝酸鈉和40%的硝酸鉀組成。工質(zhì)在熔鹽冷儲罐里預(yù)加熱為液態(tài)后，被泵到集熱器里吸熱，成為高溫工質(zhì)后再回流至高溫儲罐里。當(dāng)儲罐內(nèi)的熱工質(zhì)聚集到一定容量后，被泵入蒸汽發(fā)生器將熱量傳遞給給水。給水被加熱蒸發(fā)后，形成過熱蒸汽，送入汽輪發(fā)電機組沖轉(zhuǎn)汽輪機發(fā)電，放出熱量后的熔融鹽返流到冷儲罐里待用。

太陽二號主要設(shè)備由定日鏡與鏡場、聚光塔、集熱器、融鹽儲罐、融鹽泵、蒸汽發(fā)生器和朗肯循環(huán)汽輪發(fā)電機組主輔設(shè)備組成（包括汽輪機、發(fā)電機、凝汽器、冷卻塔、凝泵、給泵、高低壓加熱器、除氧器、補水處理設(shè)備等）。與火力發(fā)電機組相比較，最主要是省去了化石燃料鍋爐及其輔助設(shè)備。

2.1 定日鏡與鏡場

定日鏡有2000面，鏡場面積總共81000m2，每面鏡的外框尺寸41m2，由16塊小鏡子組成，2000面定日鏡呈360℃范圍環(huán)繞聚光塔布置，見圖2所示。

圖2 太陽二號鏡場實景

定日鏡原理與日常使用鏡子類同，但是對玻璃材質(zhì)、幾何尺寸和鏡背的鍍層均有很高要求，鏡子的光熱反射率為98%，既要耐腐蝕，耐風(fēng)沙磨損，又要耐高溫灸烤。定日鏡架必須尺寸精準(zhǔn)，傳動裝置跟蹤響應(yīng)同步平衡，抗風(fēng)能力強。在計算機程序的精確計算下，每天每時各個鏡子的反射角度均不同，需要很復(fù)雜的動態(tài)跟蹤系統(tǒng)，見圖3所示。由于反射余弦角不可互相干涉，鏡場占地的大小與聚光塔的高度、鏡面大小、地理緯度、檢修空間等有關(guān)，需綜合評估投資、運行、維護等因素來確定，由于定日鏡和鏡場（包括土地成本）占到了機組總投資成本的近一半，所以科學(xué)布局定日鏡場是非常必要的。土地成本則因地而異，在美國南加州的戈壁灘上，地價可以很便宜，在我國的青藏高原、內(nèi)蒙古中西部沙漠、新疆的戈壁灘，其土地成本較低，但其他費用會相應(yīng)升高。在我國東部沿海地區(qū)，則土地成本會大幅度增加，但其他費用會有所下降，這需要綜合考慮評判。

圖3 太陽二號的定日鏡

2.2 聚光塔

聚光塔的作用是將集熱器的位置盡可能地抬高，以便最大限度地利用有限的土地，更密集地布置定日鏡數(shù)量，見圖4所示。

圖4 太陽二號的聚光塔

太陽二號的塔高已達300英尺（將近100m），這僅為10MW發(fā)電功率的機組，如果是50MW，甚至是400MW的機組，塔高是不可能按比升高的，當(dāng)塔高被限制在一定限度內(nèi)時，如何設(shè)計定日鏡場以提高單機出力，將是這種形式太陽能熱發(fā)電裝置的發(fā)展關(guān)鍵。聚光塔通常為鐵塔和鋼筋水泥塔二種，抗風(fēng)防雷是關(guān)鍵。但水泥是少不了的材料，使用耐高溫的混凝土成為必然，近千度的高溫會燒壞塔表面的一切構(gòu)件。我國已研制出可耐溫900℃的新型混凝土材料。

2.3 集熱器

集熱器的功用是收集定日鏡反射來的陽光并傳遞能量給系統(tǒng)工質(zhì)，是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，也是太陽能系統(tǒng)與熱電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換點。世界各大公司對集熱器均有深入研究，設(shè)計方法和型式結(jié)構(gòu)也大不相同，見圖5所示。對于扇型布置的鏡場多采用單面布置集熱器，比如內(nèi)腔式集熱器。對于環(huán)形布置的鏡場則需要采用外表面式集熱器。

圖5 太陽二號的集熱器

太陽二號采用的集熱器是一種園柱型、外表面式集熱器，由24個管屏圍成園殼狀，園殼直徑約5m，有效高度超過6m，有效受熱面約97m2。平均每平方米的受熱面的能流密度達430kW，整個集熱器的吸收功率為42MW。在吸熱管的外表面需鍍履黑色鍍層，這種鍍層具有強度高、耐高溫循環(huán)等材料特性，對陽光的吸收率達95%。集熱器能適應(yīng)溫度的急劇變化，在晴天，當(dāng)有云層飄過遮蔽陽光時，集熱器的工作溫度可在1min內(nèi)，從565℃下降到287℃，所以，集熱器的吸熱面不僅要選用很好的材料，結(jié)構(gòu)強度也要能承受交變熱應(yīng)力的沖擊。集熱器是塔式太陽能熱發(fā)電的關(guān)鍵設(shè)備，直接影響到整個機組的效率和安全可靠性。

2.4 熔融鹽

太陽二號集熱器換熱管內(nèi)的工質(zhì)是熔融鹽，其特性是具有很大的熱比容，并且熔點和沸點均很高，經(jīng)研究，太陽二號的熔融鹽其熔化溫度為290℃，汽化溫度約為565℃，設(shè)計控制集熱器內(nèi)的最高溫度不超過545℃，這保證了工質(zhì)不會因汽化相變而產(chǎn)生高壓。熔融鹽加熱融化后，其粘度與水很接近，以此取代水作為換熱儲熱工質(zhì)，具有輸送方便、吸熱量大、便于儲存的優(yōu)點。不過這種物質(zhì)也具有明顯的缺點：具有一定的毒性和腐蝕性，融點溫度高，在220℃以下，就會凝結(jié)成固體狀，這給系統(tǒng)管道閥門等附件帶來了麻煩，一旦受冷或有死角，就會在管道內(nèi)淤積堵塞。

太陽二號采用了冷熔鹽罐和熱熔鹽罐存放熔鹽，共可存放1440噸，蓄熱能力為105MW·h，可供汽輪機滿負荷運行3小時。

系統(tǒng)工作時，冷鹽罐內(nèi)的熔鹽預(yù)熱到全熔解溫度以上，通過熔鹽泵輸送到高塔上的集熱器內(nèi)，吸熱升溫后返回輸送到熱熔鹽罐。達到一定容量后，再輸送到蒸汽發(fā)生器，加熱給水產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動汽輪機發(fā)電，熔鹽放熱降溫后返回冷鹽罐。太陽二號采用了熔融鹽中間回路后，將集熱與發(fā)電分成二個獨立回路，避免了太陽光幅射的不穩(wěn)定性對電網(wǎng)的沖擊，且使機組能在微光環(huán)境下（有云遮擋或太陽下山后）能繼續(xù)工作。該電站從1997年投入運行至今，集熱器的效率比不用熔鹽的太陽一號機組大幅提高，其集熱效率達到88%，自身耗電減小了29%，至今仍作為尖峰負荷機組作商業(yè)化運行。近年，有1種三元復(fù)合熔融鹽（7%NaNO3＋53%KNO3＋40%NaNO2）被用作吸熱儲熱工質(zhì)，具有融解溫度低，使用范圍廣（最低融解溫度200℃，最高液態(tài)溫度高達900℃），低毒性、低腐蝕性、比熱容更大的優(yōu)點。

提高儲熱能量的途徑是采用更高效的工質(zhì)，或是增加儲熱工質(zhì)的總?cè)萘浚麄€機組用什么傳熱儲能工質(zhì)，需要多少量的工質(zhì)，由整體設(shè)計規(guī)劃給定。研制更高效更安全可靠，能全天候運行的發(fā)電機組已經(jīng)成為可能。

2.5 蒸汽發(fā)生器與預(yù)熱器及過熱器

太陽二號因使用了復(fù)合熔融鹽為工質(zhì)，也使蒸發(fā)器的設(shè)計與眾不同，傳熱工質(zhì)是高溫熔鹽，管內(nèi)走溶鹽，管外走給水和蒸汽。這給蒸發(fā)器的設(shè)計運行均提出了新的課題。同樣，在儲熱放熱回路中，熔融鹽工質(zhì)還擔(dān)負著對蒸汽的再加熱功能，這些熱交換器均面臨高溫、高腐蝕性，易凍堵等難題，是有關(guān)設(shè)備設(shè)計制造商需面對的挑戰(zhàn)。

2.6 汽輪發(fā)電機組及回?zé)嵯到y(tǒng)輔機

目前，太陽能所轉(zhuǎn)換而得的熱能還處于小型化、中壓等級階段，尚未達到大型機組所需要的大流量高品質(zhì)蒸汽階段。太陽二號的汽輪機蒸汽入口參數(shù)為10MPa，525℃，可在下午1時到晚上11時連續(xù)滿負荷運行。目前階段的技術(shù)發(fā)展更適合于做為尖峰負荷機組，以解決電網(wǎng)的高峰用電需求。由于沒有中間再熱，其發(fā)電效率達到30%～40%已屬很好，差于中間再熱機組的45%效率。這種中壓機組需根據(jù)上述特點作特殊設(shè)計。作為發(fā)電單元朗肯循環(huán)必配的回?zé)嵯到y(tǒng)也是必不可少的。凝汽器、高低加、除氧器、給水泵、補給水處理等設(shè)備均為常規(guī)必備。

2.7 電廠運行模式

圖6 雙級蓄熱與雙運行模式的塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)

太陽二號采用熔融鹽進入集熱器吸熱后再儲存輸送到蒸發(fā)器，提高了運行效率，簡化了系統(tǒng)布置，減少了各種熱損失。不過其本身具有的介質(zhì)毒性、腐蝕、凍堵等特性，要求系統(tǒng)設(shè)備和連接管道閥門具有很好的高溫性能和盡可能少的密封件，并且在送達高塔的過程中，連接管道系統(tǒng)均需布置預(yù)熱解凍設(shè)備和非接觸磁性探測設(shè)備。這也使系統(tǒng)的檢測、加熱成本升高，運行難度增加。

近年來，也有其他國家的工程師及研究機構(gòu)，嘗試采用雙級蓄熱與雙運行模式的塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)流程見圖6所示。

這種系統(tǒng)的集熱器內(nèi)的工質(zhì)是水和水蒸汽，這使得向塔頂輸送工質(zhì)變得簡單。水在集熱器里受熱蒸發(fā)，產(chǎn)生高溫高壓過熱蒸汽，高品質(zhì)的蒸汽可以直接用來沖轉(zhuǎn)汽輪機，設(shè)計采用雙級蓄熱系統(tǒng)，可將多余的蒸汽進行貯存，將高參數(shù)熱能通過換熱器，傳遞給復(fù)合熔融鹽，由熔融鹽擔(dān)任高熱值熱能儲存工質(zhì)，安排1個高溫儲罐、1個低溫儲罐形成封閉回路，先將塔頂輸送來的多余蒸汽攜帶的熱量通過換熱器將熔鹽加熱后，回流至高溫儲鹽罐備用。當(dāng)夜晚或太陽被遮擋時，再通過熔鹽泵輸送到蒸汽再熱器中，加熱存貯備用的蒸汽。第二個儲熱回路是將塔頂集熱器輸送來的多余蒸汽，通過換熱器將大部分熱量傳遞給熔融鹽以后，低品位的汽水混合物輸送到蒸汽蓄熱器儲存?zhèn)溆?，?dāng)需要使用備用蒸汽時再泵出汽水混合物，進入過熱器被熔鹽重新加熱形成過熱蒸汽后送汽輪機作功。這種雙工質(zhì)、雙循環(huán)儲熱系統(tǒng)將熔融鹽限制在很小的一個回路里，既解決了大規(guī)模儲熱，又避免了熔鹽給系統(tǒng)帶來的麻煩，不失為簡單實用的系統(tǒng)。

3 塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)的經(jīng)濟分析

比較塔式裝置與常規(guī)火電裝置的最大區(qū)別，在于塔式裝置取消了鍋爐，從而避免了最大的能源污染。它們具有同樣的汽輪發(fā)電裝置，只是用太陽能收集轉(zhuǎn)換系統(tǒng)來提供汽源。這就為太陽能進入電力網(wǎng)創(chuàng)造了條件。

太陽二號是在太陽一號的基礎(chǔ)上改建的裝置，在建設(shè)過程中，原太陽一號的部分設(shè)備被利用，這使得太陽能二號的成本分析出現(xiàn)了偏差，不利于作為商業(yè)化成本分析的樣板。為此，美國有關(guān)部門對太陽二號的成功投運及今后規(guī)?；瘧?yīng)用，進行了深入分析與預(yù)測，表1是按照2010年，2020年規(guī)?；虡I(yè)電站要求計算的經(jīng)濟性分析結(jié)果。

由表1數(shù)據(jù)可知，定日鏡場的投資成本占到整個電廠投資的40%～50%，而塔和集熱器系統(tǒng)、儲熱系統(tǒng)的占比約為25%，項目總投資分別是5.21億美元和5.05億美元。

表1 未來規(guī)劃電廠主要性能成本指標(biāo)

綜上所述，美國對太陽能熱發(fā)電的研究和市場前景作了深入的研究，歐盟的大型太陽能熱發(fā)電路線圖文件也在貫徹之中，市場前景非常寬廣。同時也應(yīng)該看到，我國至今仍無成規(guī)模的已在運行的塔式太陽能熱發(fā)電試驗裝置。從美國南加州愛迪生公司的2010年～2020年市場分析預(yù)測的成本為0.565～0.0547＄／kW·h·yr。從國內(nèi)實際情況看，我國的太陽能發(fā)電成本還很高，據(jù)分析，目前的實際成本不會低于4元／千瓦時，與火電、核電相比，還有很大差距，只有逐步形成可觀的規(guī)?；屯暾漠a(chǎn)業(yè)鏈后，其成本才能大幅下降。

4 發(fā)展瓶頸和關(guān)鍵技術(shù)

在我國，要建立高效率、大容量、高聚光比的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，需要盡快解決一系列的關(guān)鍵技術(shù)難點。

（1）系統(tǒng)設(shè)計軟件的優(yōu)化。用模擬與仿真手段探索大型裝置的占地和占空問題（比如采用立體布置定日鏡以節(jié)省土地等）。

（2）聚光系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化。如何提高聚光比和聚焦溫度，目前的水平已達到800倍的聚光比，如何進一步提高聚光比，才能進一步提高卡諾循環(huán)的熱效率。

（3）高反射率、耐腐蝕、耐磨損定日鏡的研制。

（4）大功率集熱器是塔式太陽能熱發(fā)電的關(guān)鍵設(shè)備，其設(shè)計準(zhǔn)則、主體結(jié)構(gòu)研究，選擇性吸熱涂層材料的研制；換熱管金屬材料的耐高溫、耐腐蝕特性研究等均需重點進行研發(fā)。

（5）高溫傳熱儲熱工質(zhì)材料及其傳輸系統(tǒng)，三元復(fù)合硝酸鹽的制備技術(shù)及熱物理特性研究。

（6）儲熱傳熱單元設(shè)備管道系統(tǒng)的預(yù)熱保溫、疏通、融堵技術(shù)。

（7）高溫熔鹽泵的設(shè)計、選型。能在600℃以上工作溫度下長期穩(wěn)定工作的大流量熔鹽輸送泵。

（8）工質(zhì)為熔鹽的各類熱交換器，其中以主蒸汽發(fā)生器最為重要，設(shè)計技術(shù)、制造工藝、運行方式、內(nèi)部啟停、預(yù)熱清理等均為亟需解決的難點問題。

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