槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)綜述

郭蘇，劉德有，王沛，許昌

(河海大學 能源與電氣學院，南京 210098)

0 引言

21世紀，全人類都面臨著同樣的能源問題。當面臨全球污染嚴重、常規(guī)能源近乎枯竭，又急需大量能源的雙重矛盾時，全人類達成了共識：依靠科技進步，大規(guī)模開發(fā)利用太陽能、風能、生物質(zhì)能等可再生清潔能源。近年來，太陽能熱發(fā)電在歐美地區(qū)快速發(fā)展。目前，國際太陽能熱發(fā)電的發(fā)展趨勢是建設承擔基礎電力負荷的“大容量-高參數(shù)-長周期儲熱”電站。槽式太陽能熱發(fā)電符合太陽能熱發(fā)電的上述發(fā)展趨勢，也是世界上迄今為止商業(yè)化最成功的太陽能熱發(fā)電模式。本文對槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)(以下簡稱槽式系統(tǒng))進行詳細論述[1]。

1 槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)

槽式系統(tǒng)(如圖1所示)將由拋物線槽式聚光鏡、集熱管等構成的大量槽式太陽能聚光集熱器(以下簡稱槽式集熱器)布置在場地上，再將這些槽式集熱器加以串、并聯(lián)，拋物線槽式聚光鏡采用單軸跟蹤方式追蹤太陽運動軌跡，將直射太陽輻射聚焦到位于拋物線焦線的集熱管上，集熱管中的傳熱工質(zhì)被加熱到400 ℃左右用以產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，從而推動汽輪發(fā)電機組發(fā)電[1]。

圖1 美國加州SEGSIII槽式太陽能熱發(fā)電站[2]

槽式系統(tǒng)結(jié)構簡單、成本較低、土地利用率高、安裝維護方便，而且導熱油工質(zhì)的槽式太陽能熱發(fā)電技術(以下簡稱槽式技術)已經(jīng)相當成熟。由于槽式系統(tǒng)可將多個槽式集熱器串、并聯(lián)排列組合，因此可以構成較大容量的熱發(fā)電系統(tǒng)。但也因為其熱傳遞回路很長，傳熱工質(zhì)的溫度難以再提高，系統(tǒng)綜合效率較低。

集熱管里的工質(zhì)通常是導熱油，但隨著科學技術的發(fā)展，工質(zhì)可以擴展到熔融鹽、水、空氣等物質(zhì)。目前實際應用的工質(zhì)主要有2種，即導熱油和水。槽式技術按其工質(zhì)不同，分為導熱油槽式系統(tǒng)和直接蒸汽發(fā)電(DSG)槽式太陽能集熱系統(tǒng)(以下簡稱DSG槽式系統(tǒng))。

1.1 導熱油槽式系統(tǒng)

傳統(tǒng)槽式系統(tǒng)的工質(zhì)為導熱油，導熱油工質(zhì)被加熱后，流經(jīng)換熱器加熱水產(chǎn)生過熱蒸汽，借助于蒸汽動力循環(huán)推動常規(guī)汽輪發(fā)電機組發(fā)電[3]。導熱油槽式系統(tǒng)工作原理如圖2所示，主要由聚光集熱子系統(tǒng)、換熱子系統(tǒng)、發(fā)電子系統(tǒng)、蓄熱子系統(tǒng)、輔助能源子系統(tǒng)等構成。

圖2 導熱油槽式系統(tǒng)工作原理示意

聚光集熱子系統(tǒng)是系統(tǒng)的核心，由眾多分散布置的槽式集熱器組成，而槽式集熱器包括拋物線槽式聚光鏡、集熱管和跟蹤裝置等3部分。拋物線槽式聚光鏡為線聚焦裝置，陽光經(jīng)鏡面反射后，聚焦為一條線，集熱管就放置在這條線上，用于吸收陽光加熱工質(zhì)(如圖3所示)。目前，集熱管有真空集熱管和空腔集熱管2種結(jié)構形式。跟蹤裝置由單片機、伺服電機、傳感器等組成。太陽輻射傳感器瞬時測定太陽位置，通過計算機控制伺服電機，帶動反射鏡面繞軸跟蹤太陽。槽式集熱器的聚光比為10～30，集熱溫度可達400 ℃。

圖3 槽式系統(tǒng)聚光原理示意

換熱子系統(tǒng)由預熱器、蒸汽發(fā)生器、過熱器和再熱器組成。導熱油槽式系統(tǒng)采用雙回路結(jié)構，即集熱管中的工質(zhì)油被加熱后，進入換熱子系統(tǒng)中產(chǎn)生過熱蒸汽，過熱蒸汽通過蒸汽回路進入汽輪發(fā)電子系統(tǒng)發(fā)電。

發(fā)電子系統(tǒng)基本組成與常規(guī)發(fā)電設備類似，但太陽能加熱系統(tǒng)與輔助能源系統(tǒng)聯(lián)合運行時，需要配備一種專用控制裝置，用于工作流體在太陽能加熱系統(tǒng)與輔助能源系統(tǒng)之間的切換。

蓄熱子系統(tǒng)是槽式系統(tǒng)不可缺少的組成部分。槽式系統(tǒng)在早晚或云遮時通常需要依靠儲能設備維持系統(tǒng)的正常運行。蓄熱器就是采用真空或隔熱材料作良好保溫的貯熱容器。蓄熱器中貯放蓄熱材料，通過換熱器對蓄熱材料進行貯熱和取熱。蓄熱子系統(tǒng)采用的蓄能方式主要有顯式、潛式和化學蓄熱3種，不同的蓄熱方式應選擇不同的蓄熱材料。

輔助能源子系統(tǒng)一般應用于夜間或陰雨天系統(tǒng)運行時，采用天然氣或燃油等常規(guī)燃料作輔助能源。Al-sakaf[4]提出，電廠通?？梢允褂?5%以上的化石類燃料以作不時之需，這樣可以節(jié)省昂貴的能量儲存裝置，降低整個太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的初次投資，而且優(yōu)化了太陽能熱發(fā)電站的設計，大大降低了生產(chǎn)單位電能的平均成本[5]。

1.2 DSG槽式系統(tǒng)

目前，導熱油槽式技術已經(jīng)比較成熟，但導熱油工質(zhì)本身卻存在著很多不足之處[6]。

(1)導熱油在高溫下運行時，化學鍵易斷裂分解氧化，從而引起系統(tǒng)內(nèi)壓力上升，甚至出現(xiàn)導熱油循環(huán)泵的氣蝕。因此，導熱油槽式系統(tǒng)一般運行溫度為400 ℃，不易再提高，這直接造成導熱油槽式系統(tǒng)的效率不高。

(2)導熱油在爐管中流速必須在2 m/s以上，流速越小油膜溫度越高，易導致導熱油結(jié)焦。

(3)油溫必須降到80 ℃以下，循環(huán)泵才能停止運行。

(4)一旦導熱油發(fā)生滲漏，在高溫下將增加引起火災的風險。美國LUZ公司的SEGS電站就曾經(jīng)發(fā)生過火災，并為防止油的泄漏和對已漏油的回收投入大量資金。

鑒于導熱油工質(zhì)的上述問題，Cohen和Kearney[7]于1994年提出了以水為工質(zhì)的DSG槽式集熱器概念，作為槽式集熱器未來的發(fā)展方向。DSG槽式系統(tǒng)是采用DSG槽式集熱器，利用拋物線形槽式聚光器將太陽光聚焦到集熱管上，直接加熱集熱管內(nèi)的工質(zhì)水，直至產(chǎn)生高溫高壓蒸汽推動汽輪發(fā)電機組發(fā)電的系統(tǒng)[8-11]。與導熱油槽式系統(tǒng)相比，DSG槽式系統(tǒng)同樣由聚光集熱子系統(tǒng)、發(fā)電子系統(tǒng)、蓄熱子系統(tǒng)、輔助能源子系統(tǒng)構成，但由于利用水工質(zhì)代替了導熱油工質(zhì)，因此沒有換熱環(huán)節(jié)。DSG槽式系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：用水替代導熱油，消除了環(huán)境污染風險；省略了油/蒸汽換熱器及其附件等，減少了換熱環(huán)節(jié)的能量損失，電站投資大幅下降；簡化了系統(tǒng)結(jié)構，大幅降低了電站的運營成本；具有更高的蒸汽溫度，電站發(fā)電效率較高[8-10,12-14]。近年來各國專家學者均將目光投向了DSG槽式系統(tǒng)。

DSG槽式系統(tǒng)有3種運行模式，分別是直通模式、注入模式和再循環(huán)模式[15-18]，如圖4所示。在直通模式DSG槽式系統(tǒng)中，給水從集熱器入口至集熱器出口，依次經(jīng)過預熱、蒸發(fā)、過熱，直至蒸汽達到系統(tǒng)參數(shù)，進入汽輪機組發(fā)電。注入模式DSG槽式系統(tǒng)與直通模式DSG槽式系統(tǒng)類似，區(qū)別在于注入模式DSG槽式系統(tǒng)中集熱器沿線均有減溫水注入。而再循環(huán)模式DSG槽式系統(tǒng)最為復雜，該系統(tǒng)在集熱器蒸發(fā)區(qū)結(jié)束位置裝有汽水分離器。上述3種模式中，直通模式是最簡單、最經(jīng)濟的運行模式，再循環(huán)模式是目前最保守、最安全的運行模式[19]，而由于注入模式的測量系統(tǒng)不能正常工作[17]，因此一般不采用注入模式。由于DSG槽式系統(tǒng)運行中集熱器內(nèi)存在水-水蒸氣兩相流轉(zhuǎn)化過程，因此，其控制問題比導熱油工質(zhì)槽式系統(tǒng)更加復雜[17-19]。

圖4 DSG槽式系統(tǒng)運行模式簡圖

2 槽式系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

槽式系統(tǒng)作為商業(yè)化程度最高的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，從1980年美國與以色列聯(lián)合組建的LUZ公司研制開發(fā)槽式線聚焦系統(tǒng)開始，至今已經(jīng)發(fā)展了近30年。

1985年，LUZ公司在美國加利福尼亞州建立了第1座槽式太陽能熱發(fā)電站(槽式電站)SEGSⅠ，實現(xiàn)了槽式技術的商業(yè)化運行[20-21]。在隨后的6年里，LUZ公司又在SEGSⅠ電站附近建設了8座大型槽式電站(SEGSⅡ-Ⅸ)，這9座電站的裝機容量分別在14～80 MW之間，總?cè)萘窟_到354 MW，總的占地面積已超過7 km2，全年并網(wǎng)發(fā)電量在800 GW·h以上，發(fā)出的電力可供50萬人使用，其光電轉(zhuǎn)化效率已達到15%，至今運行良好[22-23](如圖5所示)。

圖5 美國SEGS電站

SEGSⅠ-Ⅸ槽式電站已經(jīng)成為了世界許多國家研究槽式技術的模型和樣例，是槽式技術具有里程碑意義的代表作，具有深遠的影響力。

2007年6月，Nevada Solar One電站正式并網(wǎng)運行。該電站是16年內(nèi)美國境內(nèi)建設的第2座太陽能熱發(fā)電站，也是1991年以來世界上最大的一座太陽能熱發(fā)電站。Nevada Solar One電站坐落在內(nèi)華達州，由西班牙Acciona Energia公司建設，額定容量為64 MW，最大容量為75 MW，年產(chǎn)電量為134 GW·h。該電站總占地面積1 214 058 m2，擁有760臺槽式集熱器，采用導熱油作為工質(zhì)。集熱管出口工質(zhì)溫度為391 ℃，經(jīng)過熱交換器加熱水產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動西門子SST-700汽輪機組發(fā)電。Nevada Solar One電站項目總投資達到了2.66億美元[24]。

2009年3月，Andasol-1電站(如圖6所示)并網(wǎng)發(fā)電。該電站是歐洲的第1座槽式電站，位于西班牙安達盧西亞省。Andasol-1電站裝機容量為50 MW，年產(chǎn)電力180 GW·h，占地面積2 km2，總集熱面積達510 120 m2，其集熱場進出口工質(zhì)溫度為293/393 ℃。該電站帶有大型蓄熱裝置，2個蓄熱罐每個高14 m，直徑36 m，蓄熱介質(zhì)為熔融鹽(NaNO3占60%，KNO3占40%)，共計28 500 t，蓄熱總量為1 010 MW·h，可使汽輪發(fā)電機組滿載發(fā)電7.5 h；采用ET-150型集熱管，以Diphenyl/Diphenyl oxide導熱油為傳熱工質(zhì)。采用西門子50 MW再熱式汽輪機，循環(huán)效率38.1%；電站總投資26.5億歐元，發(fā)電成本為0.158歐元/(kW·h)[25-26]。

圖6 Andasol-1電站全景照片

Archimede槽式發(fā)電站位于意大利西西里島的Priolo Gargallo，于2010年7月建成。該電站裝機容量為5 MW，集熱器出口工質(zhì)溫度達到550 ℃，鏡場面積30 000 m2，使用了世界上較為先進的ENEA太陽能聚光器。Archimede電站是第1座采用熔融鹽為傳熱、儲熱工質(zhì)的燃氣聯(lián)合循環(huán)電站[27]。

2013年10月，目前全球最大的槽式電站Solana電站正式實現(xiàn)投運。該電站裝機容量達到280 MW，是美國首個配置熔鹽儲熱系統(tǒng)的太陽能電站，儲熱時長6 h。Solana電站位于美國亞利桑那州，年發(fā)電量高達944 GW·h，可滿足7萬個家庭的日常用電需求，電站總投資額高達20億美元[28]。

導熱油工質(zhì)的槽式技術已經(jīng)較為完善，但導熱油工質(zhì)由于其自身特性使整個發(fā)電系統(tǒng)有無法彌補的缺陷。因此，各國專家在建設導熱油槽式電站的同時，也在尋求工質(zhì)為水的DSG槽式電站的研究和發(fā)展。

1996年，在歐盟的經(jīng)濟支持下，CIEMAT公司聯(lián)合DLR公司、ENDESA公司等8家公司在CIEMAT-PSA實驗中心共同研發(fā)了1個槽式太陽能直接蒸汽發(fā)電實驗項目DISS(Direct Solar Steam)[29-30]，DISS槽式太陽能熱發(fā)電站如圖7所示。DISS項目的目的是研發(fā)DSG槽式電站，并測試其可行性。DISS總裝機容量為1.2 MW[31]。DISS項目分2個階段：第1階段為1996年1月至1998年11月，主要是在PSA設計并建成一個與實際電站一樣大小的實驗系統(tǒng)；第2階段為1998年12月至2001年8月[32-33]，主要是利用該實驗系統(tǒng)在真實太陽輻射條件下研究DSG槽式系統(tǒng)的3種基本運行方式(即直通模式、再循環(huán)模式和注入模式)，找出最適用于商業(yè)電站的運行模式，并為未來DSG槽式電站的設計積累經(jīng)驗[34]。DISS電站工質(zhì)為水，出口工質(zhì)流量為0.8 kg/s，工質(zhì)溫度約為400 ℃，壓力為10 MPa[35]。

圖7 DISS槽式太陽能熱發(fā)電站

DISS電站的運行結(jié)果表明，DSG槽式技術是完全可行的，并且在回熱蘭金循環(huán)下，汽輪機入口溫度為450 ℃時，DISS電站太陽能轉(zhuǎn)化為電能的轉(zhuǎn)化率為22.6%。而導熱油槽式系統(tǒng)，汽輪機入口溫度為375 ℃(這一溫度由導熱油的穩(wěn)定極限限制)時，太陽能轉(zhuǎn)化為電能的轉(zhuǎn)化率僅為21.3%[34]。

2006年，Zarza，Esther Rojas M[36]等人提出了世界上第1座準商業(yè)化DSG槽式電站INDITEP電站的設計方案(如圖8所示)。該設計方案指出，INDITEP電站是一座再循環(huán)模式的DSG槽式電站，由歐盟提供經(jīng)濟支持，德國與西班牙合作建設。INDITEP電站是DISS項目的延續(xù)，依據(jù)DISS項目開發(fā)的設計和仿真工具均被應用到INDITEP電站中。建設INDITEP電站的目的是通過實際電站運行驗證DSG槽式技術的可行性，并逐步提高該技術在運行中的靈活性和可靠性。該電站裝機容量為5 MW，采用過熱蒸汽蘭金循環(huán)，選用ET-100型槽式集熱器南北向排列，共70臺槽式集熱器，每排由10臺槽式集熱器組成，蒸發(fā)區(qū)與過熱區(qū)由汽水分離器連接。集熱場入口水工質(zhì)的溫度/壓力是115 ℃/8MPa，給水流量為1.42 kg/s，出口產(chǎn)生流量1.17 kg/s，410 ℃/7 MPa的過熱蒸汽。集熱場設計點為太陽時6月21日12時。

圖8 INDITEP電站集熱場示意

2012年1月，TSE-1電站并網(wǎng)發(fā)電，這是世界上首座商業(yè)化DSG槽式電站。TSE-1電站位于泰國Kanchanaburi省，裝機容量為5 MW，運行溫度和壓力為330 ℃/3 MPa，集熱場占地面積110 000 m2，聚光鏡面積45 000 m2，年發(fā)電量9 GW·h，由Solarlite公司提供技術支持[37-38]。

與國外相比較，我國槽式技術起步較晚。在導熱油槽式系統(tǒng)方面，中科院工程熱物理所[25]搭建了導熱油工質(zhì)真空集熱管測試平臺，驗證了太陽輻照強度、流體溫度與流量對集熱性能的影響。2013年8月，龍騰太陽能槽式光熱試驗項目在內(nèi)蒙古烏拉特中旗巴音哈太正式投入使用，試驗期限為2年。該項目將為未來華電集團在烏拉特中旗開發(fā)50 MW太陽能光熱發(fā)電項目提供設備及安裝服務奠定堅實的基礎。在DSG槽式系統(tǒng)方面，河海大學搭建了DSG槽式集熱器測試平臺，目前處于平臺測試階段。

3 槽式技術發(fā)展方向

槽式技術作為最成熟、最完善的太陽能熱發(fā)電技術，已經(jīng)成功商業(yè)運行了近30年，目前世界上槽式太陽能熱發(fā)電的發(fā)展方向是完善工質(zhì)為水的DSG槽式技術。德國航空航天中心(DLR)太陽能研究所的項目總監(jiān)Fabian Feldhoff給出了DSG槽式太陽能熱發(fā)電具體的研究方向[39]。

(1)產(chǎn)業(yè)方面。提高系統(tǒng)運行參數(shù)(達到11 MPa/500 ℃)；優(yōu)化集熱管參數(shù)，使其承受更高壓力和溫度的同時降低其成本；改進電站結(jié)構，降低發(fā)電費用。

(2)研發(fā)技術方面。優(yōu)化再循環(huán)模式和直通模式的集熱場性能；優(yōu)化電站啟動過程，提高運行控制的穩(wěn)定性；降低儲能成本，提高儲能性能；實現(xiàn)DSG槽式電站與其他形式電站的聯(lián)合運行，達到優(yōu)勢互補的目的。

4 結(jié)論

相對其他太陽能熱發(fā)電形式而言，槽式系統(tǒng)結(jié)構簡單、成本較低，是最符合商業(yè)化運行特點的太陽能熱發(fā)電形式。根據(jù)傳熱工質(zhì)的不同，導熱油槽式系統(tǒng)和DSG槽式系統(tǒng)具有不同的結(jié)構特點。導熱油槽式系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展得較為成熟，而DSG槽式系統(tǒng)作為槽式系統(tǒng)的發(fā)展方向，仍需進一步完善。在常規(guī)能源日益短缺的今天，我國應大力推廣槽式太陽能熱發(fā)電技術，以滿足我國能源、經(jīng)濟、社會的發(fā)展需求。

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