【正文】 材料性能測試、強(qiáng)化換熱方法研究以及開發(fā)測試了幾代高溫混凝土儲熱示范模塊。 高溫混凝土 混凝土具有成本低、化學(xué)穩(wěn)定性好、工作溫度范圍廣、使用壽命長等優(yōu)點，適合作為大規(guī)模儲熱用的儲熱材料。我國還沒有一座建成的商業(yè)化太陽能熱發(fā)電站。Solar two 塔式熔鹽電站示意圖 由于具有使用溫度較高、熱穩(wěn)定性好、比熱容高、對流傳熱系數(shù)高、粘度低、飽和蒸汽壓低、價格低等“四高三低”的優(yōu)勢，熔融鹽作為一種性能優(yōu)良的高溫傳熱蓄熱介質(zhì)，在太陽能熱發(fā)電、核電等高溫傳熱蓄熱領(lǐng)域具有非常重要的應(yīng)用前景，在目前商業(yè)化運行的太陽能熱發(fā)電站中已有近40%的電站采用了熔融鹽傳熱蓄熱技術(shù)。Gemasolar電站位于西班牙Seville省的Fuentes deAndalucia附近，Torresol Energy公司是由西班牙工程公司SENER（60%）和Abu Dhabibased Masdar（40%）組建的合資企業(yè)，專門負(fù)責(zé)太陽能熱發(fā)電站的建設(shè)和運營。利用熔融鹽作為傳熱蓄熱工質(zhì)并首次實現(xiàn)24h發(fā)電的Gemasolar塔式太陽能熱發(fā)電站已于2011年9月底成功進(jìn)入商業(yè)運行，開始并網(wǎng)發(fā)電。除此之外，由于塔式電站的聚光系統(tǒng)是二維跟蹤，在冬季的時候仍然具有很高的發(fā)電效率，而槽式電站和其他的線性聚焦系統(tǒng)在冬季的發(fā)電效率大幅度下降，僅為夏季的25%。塔式高溫熔融鹽罐的儲存熔融鹽溫度為565℃，遠(yuǎn)高于槽式系統(tǒng)導(dǎo)熱油罐的386℃，可以獲得更大溫差，在相同情況下，塔式蓄熱系統(tǒng)可以比槽式蓄熱系統(tǒng)的蓄熱量大3倍左右。 塔式太陽能熱發(fā)電站熔融鹽傳熱蓄熱雙罐蓄熱系統(tǒng)與槽式電站熔融鹽傳熱蓄熱雙罐蓄熱系統(tǒng)的工作原理類似，只是將槽式集熱管換成了塔式吸熱器。不過，這種蓄熱系統(tǒng)帶來的問題是，熔融鹽凝固點高，在槽式集熱管中會有凍堵的風(fēng)險。同時，將熔融鹽作為傳熱介質(zhì)，沒有了導(dǎo)熱油400℃的溫度限制，可將進(jìn)入蒸汽發(fā)生器的傳熱工質(zhì)溫度提高到500℃以上，提高了汽輪機(jī)進(jìn)口參數(shù)，大幅提高了發(fā)電效率。 在槽式熔融鹽傳熱蓄熱雙罐蓄熱系統(tǒng)中，熔融鹽既是傳熱工質(zhì)又是蓄熱工質(zhì)，基本工作原理為：白天太陽充足時，低溫熔融鹽從冷鹽罐抽出進(jìn)入槽式真空管集熱器，變成高溫熔融鹽后進(jìn)入熱鹽罐中儲存起來，同時熱鹽罐中抽出部分高溫熔融鹽進(jìn)入蒸汽發(fā)生器放熱，加熱水產(chǎn)生水蒸氣驅(qū)動蒸汽輪機(jī)發(fā)電，高溫熔融鹽在蒸汽發(fā)生器中放熱后變?yōu)榈蜏厝廴邴}再次進(jìn)入冷鹽罐。截至2012年5月，又有10個與Andasol1相似的50MW槽式拋物面太陽能熱發(fā)電站在西班牙并網(wǎng)發(fā)電。熔融鹽蓄熱應(yīng)用于商業(yè)太陽能熱發(fā)電站始于2008年底正式投入商業(yè)運行的50MW的Andasol1電站。Li Xin等對1MWe的熔鹽空腔接收器的穩(wěn)態(tài)熱力進(jìn)行了設(shè)計。左遠(yuǎn)志等提出了一種熔融鹽斜溫層混合蓄熱單罐系統(tǒng), 并進(jìn)行了實驗研究。孫李平等介紹了測試熔鹽粘度、導(dǎo)熱系數(shù)、熔解熱等熱物理性參數(shù)的方法, 配置了36 種不同配比的氯化鈉、氯化鎂和氯化鉀的混合氯化熔鹽, 采用差示掃描量熱儀(DSC)測定了不同配比熔鹽的熔點, 進(jìn)行優(yōu)選, 得出當(dāng)氯化鎂、氯化鈉和氯化鉀的質(zhì)量比為2：7：1 時, 蓄熱的成本最低, 并采用最小二乘法得到了該混合鹽在熔融狀態(tài)下比熱與溫度的回歸方程。整個系統(tǒng)包括熔鹽循環(huán)和油冷卻循環(huán), 共400kg硝酸鋰熔鹽。Peng Qiang等制備了三元硝酸熔鹽并分析了其性能。該平臺包括鹽泵、熔鹽爐、溫度控制系統(tǒng)、數(shù)值采集系統(tǒng)、閥門和管等。一般鋰鹽的成本最高, 其次是鉀鹽, 再到鈉鹽, 最低的是鈣鹽。Solar Two 和SolarTres 塔式電站利用Solar Salt 作為儲熱材料。但熔鹽的不足就是凝固點太高, 一般在130——230℃,而導(dǎo)熱油的凝固點大約為13℃。導(dǎo)熱油的使用溫度不超過400℃, 而成本較熔鹽貴。由此可見，多元合成熔鹽體系非常適合太陽能熱發(fā)電，在太陽能熱發(fā)電中有廣闊的應(yīng)用前景。但是Solar Salt的凝固點太高(220℃)，通常的合成油凝固點只有10℃左右(Therminol VP1，13℃)，這就需要凝固點保護(hù)措施，因此就增加管道、閥門等設(shè)施的強(qiáng)度，從而也就增加了操作和管理的費用。硝酸鹽的密度、粘度和熱容幾乎相同，Solar Salt是太陽能熔鹽發(fā)電的最佳選擇，因為它有最高的上限溫度(600℃)，這樣可以保持蒸汽汽輪機(jī)在最高效率下運作。它也與閥、管、泵等相容性較好，Sandia研究中心(NSTTF)采用60% NaNO40% KNO3(solar salt)與硅石(silica sand)、石英石(quartzite rock)相結(jié)合進(jìn)行研究，研究表明在290～400℃之間，經(jīng)過553次循環(huán)試驗后沒有出現(xiàn)填料腐蝕性問題。研究表明，運用高溫硝酸熔鹽發(fā)電可以使太陽能電站操作溫度提高到450～500℃，這樣就使得蒸汽汽輪機(jī)發(fā)電效率提高到40%。以前用到的主要是太陽能光伏電池，但是其運行的壽命短，需經(jīng)常更新，這樣增加了運行期間的總成本，而熔鹽式太陽能熱動力發(fā)電具有能量轉(zhuǎn)換效率高、質(zhì)量和迎風(fēng)面積小的優(yōu)點，并且很容易地擴(kuò)充至兆瓦級，因此，逐步得到廣泛應(yīng)用。在核工業(yè)中使用最多的是LiFBeF2熔鹽體系。 熔鹽在能源領(lǐng)域中被廣泛應(yīng)用，涉及原子能、太陽能、化學(xué)電能、氫能、碳能等等，尤其重要的是熔鹽在原子能、太陽能中的應(yīng)用。熔融鹽具有較低的蒸汽壓，特別是混合熔融鹽，蒸汽壓更低；(4)熱容量大；(5)對物質(zhì)有較高的溶解能力；(6)較低的粘度；(7)具有化學(xué)穩(wěn)定性。熔融鹽的液體通常由陽離子和陰離子組成，因此熔融鹽具有良好的導(dǎo)電性能，其導(dǎo)電率比電解質(zhì)溶液高一個數(shù)量級；(2)具有廣泛的使用溫度范圍。高溫熔鹽作為潛熱蓄熱相變材料的一種，同時又能形成離子液體，具有許多低溫蓄熱材料所沒有的特點，因而引起人們極大的關(guān)注。常用的高溫蓄熱材料可分為顯熱式和潛熱式。同時很多系統(tǒng)中, 儲熱材料不單起到儲熱的作用還充當(dāng)熱量輸送和傳遞的介質(zhì)——熱流體(HTF)的作用。研究穩(wěn)定可靠和高效低成本的儲熱材料及儲熱系統(tǒng)一直是該領(lǐng)域的研究方向和目標(biāo)。目前, 正在或探索中可以應(yīng)用于CSP系統(tǒng)的高溫儲熱材料一般有熔鹽、高溫混凝土、金屬合金等。儲熱材料的腐蝕性、不穩(wěn)定性等嚴(yán)重影響著其在CSP 系統(tǒng)的應(yīng)用。 由于儲熱材料可在電力調(diào)峰和工業(yè)及民用節(jié)能領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)能量在時間和空間上大容量轉(zhuǎn)移的特性, 正好能補(bǔ)償太陽能因陰雨多云等天氣或晚上而出現(xiàn)的間歇性缺點, 因此儲熱技術(shù)在太陽能熱發(fā)電中起著十分重要的作用。從2004 年到2007年在張耀明院士主持下, 南京春輝科技實業(yè)有限公司、河海大學(xué)等開展了塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的研究和開發(fā), 建成了國內(nèi)首座塔式70kW 太陽能熱發(fā)電系統(tǒng), 并通過了鑒定驗收。我國于20 世紀(jì)70 年代末開始太陽能熱發(fā)電的研究。20世紀(jì)90年代CSP的研究進(jìn)入了相對的低谷。表1 太陽能光熱發(fā)電方式對比槽式塔式碟式理想電站規(guī)模100MW以上100MW以上100KW（單臺）目前電站最大規(guī)模80MW10MW50KW（單臺）聚光比10——30500——3000500——6000接收器空腔式、真空管式空腔式、外露式空腔式運行溫度（℃）200——4001000——1500800——1000工質(zhì)油/水、水熔鹽/水、水、空氣油/甲苯、氦氣跟蹤方式單軸雙軸雙軸可否蓄能有限制可以蓄電池可否有輔助能源可以可以可以可否全天候工作有限制有限制可以目前最高效率（%）2828年平均效率（%）11——167——2012——25現(xiàn)有電站最低發(fā)電成本（美分/min）8聚光方式拋物面發(fā)射鏡平面、凹面反射鏡旋轉(zhuǎn)對稱反射鏡光熱轉(zhuǎn)換效率（%）706085峰值效率（%）202329單位面積造價（美元/平方米）275——630200——475320——3100單位瓦數(shù)造價（美元/W）——————發(fā)展?fàn)顟B(tài)可商業(yè)化試驗示范階段試驗示范階段開發(fā)風(fēng)險低中高應(yīng)用前景可并網(wǎng)可并網(wǎng)可獨立可并網(wǎng)優(yōu)點1. 可商業(yè)化，投資成本低2. 占地最少3. 可混合發(fā)電4. 可中溫儲能1. 較高轉(zhuǎn)化效率，有很好開發(fā)前景2. 可混合發(fā)電3. 可高溫儲能4. 可改進(jìn)定日鏡和蓄熱方式降低成本1. 最高轉(zhuǎn)換效率2. 可模式化3. 可混合發(fā)電缺點1. 只能產(chǎn)生中等溫度的蒸汽2. 真空管技術(shù)有待提高1. 聚光場合吸熱場的優(yōu)化配合還需研究2. 初次投資和運營費用高，商業(yè)化程度不夠1. 造價高，無與之配套的商業(yè)化斯特林熱機(jī)2. 可靠性有待加強(qiáng)，大規(guī)模生產(chǎn)還需研究第3章 關(guān)鍵技術(shù) 儲熱材料 自20世紀(jì)80年代以來,美國、法國、西班牙、以色列、澳大利亞等國相繼建立起各種不同類型的試驗示范裝置和商業(yè)化聚光太陽能熱發(fā)電站(Concent rating solar power ,CSP),促進(jìn)了CSP 技術(shù)的發(fā)展和商業(yè)化進(jìn)程。目前，直接蒸汽模式的一些組件設(shè)計較為靈活，以上三種模式可結(jié)合使用。參考直接蒸汽的槽式發(fā)電系統(tǒng)，直接蒸汽的菲涅爾式聚光集熱系統(tǒng)也可存在三個基本加熱模式：一次通過模式、注入模式以及循環(huán)模式。 采用直接蒸汽式工質(zhì)加熱系統(tǒng)，即集熱管內(nèi)即為做功工質(zhì)，避免了采用中間傳熱工質(zhì)的各種技術(shù)問題，但該技術(shù)在蒸發(fā)段處存在兩相流的問題。為避免相鄰單元的主鏡場邊緣反射鏡存在相互遮擋的情況，需要抬高集熱器的支撐結(jié)構(gòu)，相鄰單元間的距離也需增大，土地利用率較低，于是，研究者們提出了緊湊型線性菲涅爾式反射聚光系統(tǒng)的概念。二次反射鏡的鏡面形狀可優(yōu)化設(shè)計成一個二維復(fù)合拋物面。為提高聚光比，維持高溫時的運行效率，在集熱管的頂部安裝有二次反射鏡，二次反射鏡和集熱管組成集熱器。線性菲涅爾聚光系統(tǒng)由拋物槽式聚光系統(tǒng)演化而來，可設(shè)想是將槽式拋物反射鏡線性分段離散化。反射鏡和集熱器合稱聚光系統(tǒng)，在電站中，該聚光系統(tǒng)一般布置為三個功能區(qū)：預(yù)熱區(qū)、蒸發(fā)區(qū)和過熱區(qū)。塔式太陽能電站系統(tǒng)流程示意 線性菲涅爾式太陽能光熱發(fā)電線性菲涅爾式太陽能熱發(fā)電技術(shù)，尤其是在需要大面積鏡場安裝時，具有結(jié)構(gòu)簡單，制作、運行成本低和抗風(fēng)性能優(yōu)良等特點。該項目初期論證過采用空氣吸熱器加燃?xì)廨啓C(jī)的BRAYTON循環(huán)技術(shù),最后由于成本高和技術(shù)風(fēng)險大, 轉(zhuǎn)而采用直接產(chǎn)生蒸汽的方式?，F(xiàn)已停運多年,目前定日鏡已有30%以上的玻璃無法滿足設(shè)計要求, 因此40%的定日鏡被法國電力公司收購并改造成為跟蹤光伏發(fā)電場, 其余60%左右定日鏡被重新改造,。該項目是為確立總體設(shè)計和部件的技術(shù)可行性, 并評價出口潛力。目前該裝置作為實驗平臺用于試驗塔式接收系統(tǒng)的不同部件, 如定日鏡、接收器、儲熱器以及控制部分的性能。1983年西班牙工業(yè)部和能源部開始投資興建CESA一1,㎡的定日鏡300個,反射率92%。Solar Two塔式試驗電站蓄熱系統(tǒng)從1996年一直運行到1999年結(jié)束, 是目前最成熟的熔鹽蓄熱系統(tǒng)。熔鹽可有效蓄熱, 日落后SolarTwo能夠向一萬個家庭供電3個小時。Solar Two的參數(shù)如下: 1926塊定日鏡, 其中40㎡定日鏡1818臺,95㎡定日鏡108臺,鏡面總面積82980㎡。傳熱介質(zhì)為水, 蓄熱介質(zhì)為導(dǎo)熱油和石塊, 所儲存的熱量可保證4h的7MW電能輸出,保證了在惡劣的氣候條件下及夜間正常運行。1981年, 美國在加利福尼亞州南部Barstow沙漠地區(qū)附近建成塔式太陽能熱發(fā)電站,1982年投入運行, , 共有定日鏡1818臺, 每臺定日鏡面積40㎡。 20世紀(jì)80年代末, 安裝在意大利西西里島的,由法國、原聯(lián)邦德國和意大利等歐洲9國聯(lián)合建造的, 世界上第一座塔式太陽能熱電站并網(wǎng)運行。1950年, 前蘇聯(lián)設(shè)計了世界上第一座塔式太陽能熱發(fā)電站的小型實驗裝置, 對太陽能熱發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了廣泛的、基礎(chǔ)性的探索和研究。在蒸汽發(fā)生器中放出熱量的傳熱介質(zhì)重新回到低溫蓄熱罐中, 再送回吸熱器加熱。 塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng), 也稱集中型太陽能熱發(fā)電系統(tǒng), 主要由定日鏡陣列、高塔、吸熱器、傳熱介質(zhì)、換熱器、蓄熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及汽輪發(fā)電機(jī)組等部分組成, 基本原理是利用太陽能集熱裝置將太陽熱能轉(zhuǎn)換并儲存在傳熱介質(zhì)中, 再利用高溫介質(zhì)加熱水產(chǎn)生蒸汽, 驅(qū)動汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。熱管中的熱載體一般為水，水被加熱至300℃以上后再送回動力系統(tǒng)，同時冷管中的熔鹽也再次被送回太陽場以吸收熱能。然而，近年來人們正在研制一種由多個小型平面反射鏡組成的環(huán)帶太陽能集熱器系統(tǒng)，這種技術(shù)可以大大降低反射鏡的制造難度，但其可靠性和經(jīng)濟(jì)性還需作進(jìn)一步驗證。一般的太陽能發(fā)電站都采用單軸跟蹤方式使拋物面對稱平面圍繞南北方向的縱軸轉(zhuǎn)動。溫度一般在400℃左右，屬于太陽熱能的中低溫利用。 吸收器一般采用雙層管結(jié)構(gòu)，被置于拋物面聚光器焦線上，內(nèi)側(cè)為熱載體，外側(cè)為真空，以防熱流失。在太陽能熱電系統(tǒng)中配置高溫蓄熱裝置是為解決太陽能的間歇不穩(wěn)定性而設(shè)計的，它可以在太陽光充裕的時候把熱能存儲下來，當(dāng)太陽光不足時再放出熱能，實現(xiàn)電廠的持續(xù)發(fā)電。槽式太陽能熱發(fā)電主要是借助槽形拋物面聚光器將太陽光聚焦反射到接收聚熱管上，通過管內(nèi)熱載體將水加熱成蒸汽，推動汽輪機(jī)發(fā)電。隨著制造工藝的不斷改進(jìn)，%%；建造費用由5976美元/KW降低到3011美元/KW。LUZ公司1980年開始開發(fā)此類熱發(fā)電系統(tǒng)，5年后實現(xiàn)了商業(yè)化運行。用于聚焦太陽光的拋物面聚光器加工簡單，制造成本較低，拋物面場每平方米陽光通徑面積僅需18kg鋼和11Kg玻璃，耗材最少。按集熱器類型的不同，聚光式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)可分為槽式系統(tǒng)、塔式系統(tǒng)和碟式系統(tǒng)。這對我國在太陽能領(lǐng)域的應(yīng)用開發(fā)中縮短與國外的差距有著重要的意義。國家“ 八五”計劃安排了小型部件和材料的攻關(guān)項目，帶有技術(shù)儲備性質(zhì)，與國外差距很大。這對我國太陽能熱發(fā)電開發(fā)應(yīng)用有著重要的意義。此外，80年代初，湖南湘潭電機(jī)廠與美國公司合作，設(shè)計并研制出功率為5kW 的盤式太陽能熱發(fā)電裝置樣機(jī)。在北京，中科院電工研究所對