太阳能热发电的显热蓄热技术进展

1、第 32 卷 第 7 期2014 年 7 月可再生能源renewable energy resourcesvol.32 no.7 jul. 2014太 阳 能 热 发 电 的 显 热 蓄 热 技 术 进 展汉京晓， 杨勇平， 侯宏娟（华北电力大学 能源动力与机械工程学院， 北京 102206）摘 要： 介绍了太阳能热发电显热蓄热的 3 种技术：单一流体蓄热，直接接触蓄热和间接接触蓄热。 单一流体 蓄热，主要有导热油、熔融盐和蒸汽 3 种选择。直接接触蓄热，使用廉价材料作为蓄热介质，节约了成本。间接接 触蓄热使模块化安装成为可能，进一步克服了直接接触蓄热的缺点，为蓄热技术发展提供了便利。关键词：

2、 太阳能； 热发电； 蓄热； 显热中图分类号： tk512； tk513.5 文献标志码： a 文章编号： 1671-5292（2014）07-0901-05doi:10.13941/ki.21-1469/tk.2014.07.0010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（50 mw）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

3、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-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 6 h 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

4、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

5、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。集热器冷罐热罐定日镜发电装置图 1 双罐蓄热原理图fig.1 schematic of dual-tank thermal energy storage收稿日期： 2014-01-07。基金项目： 国家“863”项目(2012aa050604)； 国家自然科学基金资助项目(no.51206049)。作者简介： 汉京晓（1987-），男，博士研究生，研究方向为太阳能蓄热技术。e-mail:csphj

6、x可再生能源2014，32（7）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。 19841991 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 354 mw。 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 240

7、， 热罐蓄存温度为 307 。 其式。 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9。 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 是一种滑压运行的蒸汽蓄存器10。 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，seg

8、s i 电站发电能力为 13.8 mw， 蓄热罐蓄 热能力为 120 mwh，能够满足满负荷发电 3 h。 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。蒸汽出口蒸 汽水水的进出口蒸汽进口若要降低投资，就应考虑采用低成本的蓄热 流体。 在电站中使用熔融盐为蓄热体就是一种不 错的选择8。 最常见的是二元硝酸盐（如 nano3 和kno3 的混合物）， 其凝固点可低至 220 ； 包含nano2、nano3 和 kno3 的三元硝酸盐混合物凝固 点为 120 ， 包 含 ca(no3)2、nano3 和 kno3

9、 的 三 元硝酸盐混合物凝固点为 130 。1995 年，solar two 采用二元硝酸盐 （60%的 nano3 和 40%的 kno3）作为蓄热介质，冷罐温度 为 290 ，热罐蓄热温度为 565 ，蓄热罐能够蓄 热 105 mwh，大约可以用于满负荷发电 3 h。 这个 成熟的技术后来又被应用到西班牙塞维利亚附近 的 gemasolar 电站。 建于 2008 年的 gemasolar 商 用电站，装机容量 20 mw，蓄热罐的蓄热能力可 维持 15 h 的满负荷发电。 该电站达到了全天候发 电，年发电时间达 6 500 h。 2011 年成功商用运行 后，单一流体双罐蓄热技术正式走向

10、成熟。 但是， 双罐蓄热模式要求每个罐体都能够储存系统中所 有的流体，这就造成了一部分罐体空间未被利用， 提高了投资成本。 此外，由于双罐罐体的体积增 大，对环境的散热也增加。 在 solar two 电站所有 设备关停后，连续监测 18 h 发现，热罐和冷罐的 放热功率分别为 102 kw 和 44 kw。水蒸气蓄热是另一种单一流体显热蓄热的方图 2 滑压运行的蒸汽储存器fig.2 scheme of sliding pressure steam 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

11、11 mw， 可以产 生 275 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 2.5 mpa、224 的饱和水/蒸汽11。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，

12、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12 ，13。 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。902汉京晓，等 太阳能热发电的显热蓄热技术进展图 3 为一填满岩石的单罐蓄热器14。 罐体内 填充岩石作蓄热材料，其孔隙率 （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 solar one 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15 。 该电站于

13、19821988 年进行了试 验发电。发电单元集热 场单罐图 3 斜温层单罐蓄热器示意图fig.3 schematic of thermocline single tes tank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

14、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 granada 的 andasol i 槽 式 电 站 应用了间接接触蓄热装置 。 电 站 装 机 容 量 50 mw，2009 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 384 ，冷罐温度 291 ，能够 提供 7.5 h 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 280 mw，也采 用了熔融盐作为蓄热介质， 能够满足 6 h 满负荷 运行需

15、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（图 4）16。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。（a）管式（b）柱式（c）板式图 4 模块化蓄热单元的主要形式fig.4 main configurati

16、ons of tes modulus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17。 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.5 cross section of high temperature solid media tes structure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

17、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 18。 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。 在太阳能热 电站的设计阶段，根据所需要的蓄热量，确定最优903可再生能源2014，32（7）的蓄热罐体尺寸和填料用量，能够有效地降低成 本。4结语单一流体蓄热，无论是采用导热油，还是采用 熔融盐，

18、成本均较高，已经逐渐退出了应用；当解 决压力容器问题后，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：1 jacobson m z. review of solutions to global warming, air pollution, and energy security j. ene

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