聚焦式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)

1、聚焦式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)（CSP）利用集熱器將太陽輻射能轉(zhuǎn)換成高溫?zé)崮?，通過熱力循環(huán)過程進行發(fā)電。作為一種開發(fā)潛力巨大的新能源和可再生能源開發(fā)技術(shù)，美國等國家都投入了大量資金和人力進行研究，先后建立了數(shù)座CSP示范工程，目前該項技術(shù)已經(jīng)處于商業(yè)化應(yīng)用前期、工業(yè)化應(yīng)用初期。CSP只利用太陽直射能量，不接受天空漫輻射。由于太陽能的供給是不連續(xù)的，一部分CSP系統(tǒng)采用蓄熱技術(shù)來保障有效使用和提供時間延遲，另一部分CSP系統(tǒng)采用燃氣等作補充能源。

2、這種混合動力技術(shù)可提供高價值的、可調(diào)度的電力。CSP系統(tǒng)依其集熱方式的不同，大致分為槽式、塔式、碟式3種。槽式系統(tǒng)是利用拋物柱面槽式反射鏡將陽光聚焦到管狀的接收器上，并將管內(nèi)傳熱工質(zhì)加熱，直接或間接產(chǎn)生蒸氣，推動常規(guī)汽輪機發(fā)電。塔式系統(tǒng)是利用獨立跟蹤太陽的定日鏡，將陽光聚焦到一個固定在塔頂部的接收器上，以產(chǎn)生很高的溫度。碟式系統(tǒng)是由許多鏡子組成的拋物面反射鏡，接收器在拋物面的焦點上，接收器內(nèi)的傳熱工質(zhì)被加熱到高溫，驅(qū)動發(fā)動機進行發(fā)電。槽

3、式系統(tǒng)的技術(shù)已經(jīng)成熟，正處于商業(yè)拓展階段，基本上沒有技術(shù)和經(jīng)濟風(fēng)險。美國加州有9個SEGS（SolarElectricGeneratingsystem）采用槽式系統(tǒng)，已運行15年，目前運行狀況更好，最大輸出功率354MW，采用混合動力：75％太陽能，25％天然氣。但蒸氣最高溫度375℃，太陽能日效率20%年效率15％。槽式系統(tǒng)是目前均化成本（LEC）最低的CSP系統(tǒng)，是美國能源部近期計劃推薦的優(yōu)選項目。在西班牙、印度、埃及、希臘、墨西哥

4、、摩洛哥、南非等國家都有不少槽式系統(tǒng)的示范工程。塔式系統(tǒng)正處在研究其商業(yè)化可行性的階段。一些國家著手建立大容量的、參加電網(wǎng)統(tǒng)一調(diào)度的示范工程。（1）美國從1980年開始相繼完成SolarOne、SolarTwo兩個10MW級塔式CSP后，2002年與西班牙合作，在西班牙建造一個15MW級SolarTres塔式CSP，預(yù)計2006年完工，這是第一個真正商業(yè)運作的項目。該項目的定日鏡組是SolarTwo的3倍大，定日鏡的性能大幅提高，但制造

5、成本卻下降了45%；它還采用了一個120MW.t高溫集熱器，熱流能力更強，熱吸收效率提高了3%；同時也采用了一個巨大的蓄熱系統(tǒng)，貯存6250Mt的硝酸熔融鹽，總?cè)萘?00MW?h，可維持16h。由于采用了許多先進技術(shù)，預(yù)計年發(fā)電效率將提高6%，年利用系數(shù)將達到65％。（2）南非ESKOM公司準備建造一個100MW級塔式CSP，目前可行性報告己經(jīng)出來。還有一些國家也建立了或正在建造塔式CSP，但規(guī)模不夠大，技術(shù)也未達到商業(yè)級應(yīng)用水平。由于

6、塔式CSP工作溫度可超過l000℃，太陽能效率通常比槽式高些，日效率可達23%，年25%，有則能提高到65%，且不需要燃料作為后備能源。因此，TES技術(shù)將是CSP成功走向市場化，能與傳統(tǒng)電力相競爭的一個關(guān)鍵要素。1CSP系統(tǒng)中的蓄熱技術(shù)先根據(jù)TES的機理，分別介紹CSP系統(tǒng)中的顯熱蓄熱、相變蓄熱及化學(xué)反應(yīng)蓄熱。再討論TES的一般設(shè)計原則。1.1顯熱蓄熱CSP中的顯熱蓄熱是目前技術(shù)最成熟且具有商業(yè)可行性的蓄熱方式。顯熱蓄熱又分為液體顯熱蓄

7、熱、固體顯熱蓄熱、液固聯(lián)合顯熱蓄熱3種。1.1.1液體顯熱蓄熱槽式系統(tǒng)帶TES裝置通常有兩種布置形式：圖1的槽式系統(tǒng)常采用合成油作為傳熱介質(zhì)（HTF）熔融鹽液作為顯熱蓄熱材料，HTF與蓄熱材料之間有油鹽換熱器，這種布置稱為間接TES。圖2的槽式系統(tǒng)采用熔融鹽液既作為HTF又作為顯熱蓄熱材料的方式，無油鹽換熱器，這種布置稱為直接TES。后者的優(yōu)點是可以減少一個換熱步驟，避免了HTF與蓄熱材料之間的不良換熱，而且適用于400～500℃的高溫

8、工況。但后者也面臨一個問題：槽式CSP的管網(wǎng)系統(tǒng)是平面布置，且管道多，管內(nèi)的HTF不容易排出，又由于熔融鹽的凝固點通常高于120℃，當(dāng)采用熔融鹽液HTF時，就得使用隔熱和伴隨加熱的方法防止凍結(jié)，這樣導(dǎo)致初期投資與運行維護成本過大；以前也選用礦物油作為HTF蓄熱材料時，不存在凍結(jié)問題，但由于礦物油的溫度不能高于300℃，否則易分解，這樣限制了槽式系統(tǒng)的工作溫度不能超過300℃，導(dǎo)致效率比較低；當(dāng)然也可以選用合成油作為HTF蓄熱材料，但其價

9、格沒有熔融鹽那么便宜，實際上不用于蓄熱材料，而且合成油的溫度也不能高于400℃，這自然也限制了槽式系統(tǒng)的工作溫度不能超過400℃，但間接TES綜合考慮了防凍與蓄熱材料成本問題。SEGS槽式系統(tǒng)中分別應(yīng)用了此兩種方案進行了現(xiàn)場實驗，后者顯示了后來居上的發(fā)展?jié)摿Γ貏e是高溫工況的應(yīng)用為朗肯循環(huán)效率提高到40%創(chuàng)造了條件。但前者的研究、應(yīng)用和技術(shù)相對成熟些，已經(jīng)顯示了TES為槽式系統(tǒng)帶來的好處。塔式系統(tǒng)帶TES裝置通常采用了圖3的布置形式，圖

10、3也是SularTwo與SolarTres塔式CSP的示意圖。塔式系統(tǒng)采用熔融鹽液作為HTF顯熱蓄熱材料的方式，這是因為塔式系統(tǒng)的管網(wǎng)系統(tǒng)絕大部分是豎直布置在塔內(nèi)，管內(nèi)的HTF容易排出，解決防凍問題的成本不大，而且其工作溫度比槽式系統(tǒng)高，因此該方案對塔式系統(tǒng)幾乎是唯一的選擇。為了彌補單一蓄熱物質(zhì)的劣勢，常采用合成物或共晶混合物。例如SolarTwo系統(tǒng)采用60%NaNO340%KN03的硝酸鹽混合物，其熔點為220℃，到600℃還能保持