塔式太阳能热发电技术进展.doc

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℃的高温蒸汽, 装机容量 10MW,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 Solar One 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Solar One 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 565℃ 的高温熔盐, 另一个储存 288℃的低温熔盐熔盐可有效蓄热, 日落后 Solar One 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%Solar One 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Solar One 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 Solar One 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 Solar One 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 1/32 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℃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;Solar One 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℃ 的熔盐加热到 565℃ , 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 800℃ 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 Solar One、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℃ 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 400℃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Solar One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 Plataforma Solar de Almeria 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 一 500℃ ,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 Solar 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 220℃ , 以及、的混合物,凝固温度为℃ 其中最后一种熔盐成本最低Solar Two 采用 Solar Salt 混合熔盐作为传热和蓄热介质, 此熔盐在 220℃时开始熔化, 在 600℃ 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。