熔鹽和導(dǎo)熱油蓄熱儲能技術(shù)在光熱發(fā)電中的應(yīng)用研究

文_何軍 深圳市愛能森科技有限公司

現(xiàn)階段，聚光型太陽能發(fā)電系統(tǒng)獲得了最廣泛的研究并實現(xiàn)了商業(yè)化運作，可以將該系統(tǒng)分成碟式、槽式、塔式、菲涅爾式等各類不同的形式?？紤]到太陽輻射強(qiáng)度始終處于不斷的變化過程中，這就要求太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)利用存儲能量來實現(xiàn)早晚或陰天等無陽光條件下的持續(xù)運行。同時為確保實現(xiàn)穩(wěn)定的發(fā)電狀態(tài)，還要設(shè)置有效的蓄熱措施，從而使電網(wǎng)獲得能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定與連續(xù)性調(diào)節(jié)的電能。

1 熱載體蓄熱方法

1.1 熔鹽蓄熱儲能技術(shù)

在初期光熱發(fā)電階段所使用的蓄熱儲能材料通常是三元混合熔鹽，其配比為KNO3：NaNO2：NaNO3的質(zhì)量比為53：40：7。目前光熱發(fā)電通常選擇二元混合熔鹽，其組成是KNO3：NaNO2的質(zhì)量比為40：60，此熔鹽的初始熔融溫度為 221℃，并且在低于600℃的溫度下都具有良好的熱穩(wěn)定性，并可以通過加入添加劑的方法來顯著減小上述二元混合熔鹽的熔點，并依然維持混合熔融鹽的良好穩(wěn)定性，某些情況下還可以有效提升熔鹽使用溫度的上限。對于未來的光熱發(fā)電領(lǐng)域還將出現(xiàn)性能更優(yōu)的熔鹽混合物來實現(xiàn)傳熱及蓄熱的功能，采用這類熔鹽混合物可以滿足更高溫度的儲能需求，使發(fā)電量明顯提升；并且可以獲得更低的熔點，從而降低固化過程所消耗的能量。

（1）雙罐熔鹽蓄熱系統(tǒng)

從圖1中可以看到采用槽式聚光導(dǎo)熱油傳熱方式的熔鹽雙罐蓄熱系統(tǒng)運行流程。該系統(tǒng)的運行原理是處于白天光照充分的情況下，經(jīng)過槽式集熱管加熱之后的高溫導(dǎo)熱油一方面可以對蒸汽發(fā)生器內(nèi)的水進(jìn)行加熱生成蒸汽后再進(jìn)行發(fā)電，另一方面高溫導(dǎo)熱油還可以對熔鹽換熱器內(nèi)的低溫熔鹽進(jìn)行加熱生成溫度更高的熔鹽再通過熱鹽罐將其蓄存起來。到了夜晚沒有光照的情況下，流過蒸汽發(fā)生器內(nèi)的低溫導(dǎo)熱油將會在熔鹽換熱器內(nèi)被高溫熔鹽進(jìn)行加熱而變?yōu)楦邷貙?dǎo)熱油，之后通過蒸汽發(fā)生器生成蒸汽的方式來完成發(fā)電的目的。

（2）雙罐顯熱蓄熱系統(tǒng)

如圖2所示，是槽式太陽能熱電站的雙罐蓄熱系統(tǒng)?？梢园l(fā)現(xiàn)，此蓄熱系統(tǒng)內(nèi)的熔鹽一方面可以起到傳熱功能，同時也可以實現(xiàn)蓄熱的目的。其工作的具體方式為處于白天具有充足太陽的情況下，低溫熔鹽將從冷鹽罐內(nèi)抽出并到達(dá)槽式真空管集熱器中，吸熱后轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷厝埯}并被儲存于熱鹽罐內(nèi)，還有一部分高溫熔鹽將從熱鹽罐內(nèi)被抽出后到達(dá)蒸汽發(fā)生器內(nèi)對水進(jìn)行加熱形成水蒸氣再對汽輪機(jī)進(jìn)行驅(qū)動發(fā)電，當(dāng)蒸汽發(fā)生器內(nèi)的高溫熔鹽完成放熱之后將變成低溫熔鹽并進(jìn)入冷鹽罐內(nèi)。相對于以導(dǎo)熱油為介質(zhì)的蓄熱系統(tǒng)，采用此蓄熱系統(tǒng)可以實現(xiàn)更少數(shù)量的二次換熱器，使系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜性得到降低，明顯減小系統(tǒng)的運行成本。而選擇熔鹽作為傳熱介質(zhì)時能夠有效克服導(dǎo)熱油只能承受最高400℃的溫度上限，使蒸汽發(fā)生器內(nèi)的傳熱介質(zhì)溫度上升高達(dá)500℃，顯著優(yōu)化汽輪機(jī)的進(jìn)口參數(shù)，促進(jìn)發(fā)電效率的提升。

1.2 導(dǎo)熱油蓄熱儲能技術(shù)

用于光熱發(fā)電領(lǐng)域的導(dǎo)熱油應(yīng)選擇化學(xué)合成的導(dǎo)熱油類型，發(fā)生劣化后還能經(jīng)再生處理實現(xiàn)重復(fù)利用的過程，有效降低運行成本。選用何種導(dǎo)熱油應(yīng)結(jié)合實際使用工況來確定。

（1）二苯醚與聯(lián)苯組成的混合物

進(jìn)行光熱發(fā)電時所使用的導(dǎo)熱油溫度介于 350～400℃之間，根據(jù)耐熱性要求應(yīng)使用二苯醚與聯(lián)苯組成的混合物，同時利用膨脹槽進(jìn)行加壓之后再將其用于液相系統(tǒng)。采用化學(xué)合成方法得到的導(dǎo)熱油是由聯(lián)苯和二苯醚混合形成的產(chǎn)物，因為在苯環(huán)結(jié)構(gòu)上不存在烷烴側(cè)鏈基團(tuán)，因此可以實現(xiàn)良好的耐熱性。同時考慮到這種混合物的凝固點是12℃，因此對于氣溫較低的情況需為配管、儀器、貯槽、儀表配備專門的防凍保護(hù)結(jié)構(gòu)。

（2）氫化三聯(lián)苯

在循環(huán)系統(tǒng)的導(dǎo)熱油溫度介于300～350℃ ，因此可使用氫化三聯(lián)苯作為導(dǎo)熱介質(zhì)，通常可將其應(yīng)用于常壓條件下的膨脹槽中。采用化學(xué)合成方法得到的導(dǎo)熱油是由3個苯環(huán)相互連接形成的三聯(lián)苯結(jié)構(gòu)，加入了結(jié)合氫，同時存在局部開環(huán)的一類化合物。其中，結(jié)合氫可以減小三聯(lián)苯的熔點，例如，對位氫化三聯(lián)苯的熔點約為211℃， 同時氫化率的高低也會對化合物化學(xué)穩(wěn)定性與物理性能參數(shù)產(chǎn)生較大影響。通常，當(dāng)氫化率低于25%時在常溫下是一種固體狀態(tài)，可以將氫化率設(shè)定在25%～40%的合理范圍內(nèi)，從而獲得最優(yōu)的熱穩(wěn)定性。

（3）二苯甲基二甲苯

為了適應(yīng)冬季寒冷條件下的光熱發(fā)電要求，對于導(dǎo)熱油循環(huán)系統(tǒng)溫度范圍介于300～350℃之間時，可使用二苯甲基二甲苯作為導(dǎo)熱介質(zhì)，也是在常壓膨脹槽內(nèi)使用。對甲苯進(jìn)行加成反應(yīng)可以得到二苯甲基型，該化合物的苯環(huán)外側(cè)連接了一個甲基。二苯甲基甲苯型的沸點高達(dá) 390℃，可以滿足良好的耐熱性要求，并在-60℃時開始凝固，表現(xiàn)出優(yōu)異的耐低溫性能，完全能夠滿足冬季嚴(yán)寒區(qū)域的使用要求。二苯甲基甲苯存在多種同分異構(gòu)體，各類異構(gòu)體的混合比例對于導(dǎo)熱油耐高低溫與應(yīng)用穩(wěn)定性都具有顯著影響。

2 光熱發(fā)電站中的熔鹽蓄熱儲能應(yīng)用情況

西班牙 Torresol ENergu 公司構(gòu)建得到了功率為50MW的槽式光熱電站，所使用的蓄熱載體是熔鹽，同時以化學(xué)合成得到的導(dǎo)熱油作為吸熱循環(huán)載體。利用太陽能槽式聚光器把低溫導(dǎo)熱油升溫至400℃，把導(dǎo)熱油的所有并聯(lián)分管相互連結(jié)并匯集至一個總管中，將其中一部分導(dǎo)熱油用于發(fā)電，另一部分導(dǎo)熱油用于儲熱，到了晚上無太陽的情況下利用儲熱能來推動蒸汽輪機(jī)工作以實現(xiàn)繼續(xù)發(fā)電的目的。槽式拋物鏡擁有50萬m2的面積，能夠高效聚焦太陽能。此光熱發(fā)電站可以實現(xiàn)1.7億kWh的年發(fā)電量，即使不采用儲熱技術(shù)也可以實現(xiàn)1.15億kWh的年發(fā)電量。

3 熔鹽蓄熱儲能技術(shù)分析

3.1 熔鹽蓄熱儲能的循環(huán)系統(tǒng)設(shè)計

在光熱發(fā)電站中存在冷熔鹽與熱熔鹽兩類儲罐，當(dāng)系統(tǒng)開始工作時，首先輸送泵把冷熔鹽儲罐中的熔融鹽傳輸至集熱器中，從外部吸收熱能之后完成升溫過程并到達(dá)熱熔鹽儲罐內(nèi)，之后熱熔鹽儲罐內(nèi)的高溫熔融鹽開始流入蒸汽發(fā)生器中，對冷水進(jìn)行加熱形成過熱蒸汽，推動蒸汽渦輪機(jī)運動并實現(xiàn)發(fā)電的功能，當(dāng)熔融鹽的溫度下降后便會重新流回至冷熔鹽儲罐內(nèi)。

3.2 熔鹽儲罐結(jié)構(gòu)設(shè)計

熔鹽儲罐的直徑與高度主要根據(jù)熔鹽的實際存儲容量需求來確定，儲罐壁厚根據(jù)薄壁圓筒壁厚公式進(jìn)行計算得到。對儲罐壁厚進(jìn)行設(shè)計時還需分析風(fēng)壓、地震等自然因素的作用，這些因素會引起壁板的失穩(wěn)現(xiàn)象，因此為了避免以上問題的發(fā)生需為儲罐外側(cè)設(shè)置加強(qiáng)圈或適當(dāng)提高壁板厚度。采用雙面對接焊的方法制作儲罐壁板，對縱向接頭進(jìn)行全焊處理，按照儲罐直徑來選擇上部的包邊角鋼規(guī)格。為熔鹽的儲罐頂部設(shè)置圓錐頂形式，對于直徑在10m以下的儲罐，需通過頂板來支撐罐頂圓錐，應(yīng)將頂板設(shè)置成與直徑平行的排列形式，遇到較大的坡度情況時，應(yīng)選擇射線狀的支撐型圓錐頂。對于直徑介于10～30m之間的熔鹽儲罐，應(yīng)選擇柱式圓錐頂結(jié)構(gòu)。對罐體結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度計算時，根據(jù)梁彎曲理論來設(shè)計柱體結(jié)構(gòu)，確保能夠有效承受罐頂自重的作用以及其它附加載荷的影響，保證柱體達(dá)到良好的穩(wěn)定性能。同時為避免頂板支承構(gòu)件發(fā)生旋轉(zhuǎn)的情況，應(yīng)利用拉桿連接最外圈的支柱。對于直徑超過30m的熔鹽儲罐，應(yīng)選擇桁架型的圓錐頂結(jié)構(gòu)。各結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計算方式與之前一樣，確保能夠有效承受罐頂自重的作用以及其它附加載荷的影響，使梁獲得良好穩(wěn)定性。同時，為避免受到橫向載荷作用后出現(xiàn)旋轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，應(yīng)設(shè)置專門的斜撐保護(hù)結(jié)構(gòu)，并且頂角要能夠充分承受桁架產(chǎn)生的載荷。為盡量減小熔鹽熱量損耗，應(yīng)使用具備良好隔熱性能的保溫材料。對于熔鹽儲罐應(yīng)選擇石棉與酸鋁纖維交疊的保溫結(jié)構(gòu)。為尺寸較小的儲罐設(shè)置保溫層時需通過鍍鋅鐵絲以Y型錨釘?shù)姆绞竭M(jìn)行固定，當(dāng)儲罐直徑較大時應(yīng)通過鍍鋅鐵絲網(wǎng)與鋼帶完成固定。同時為儲罐加裝鍍鋅鐵皮外防護(hù)層。

4 結(jié)語

在光熱發(fā)電系統(tǒng)中采用熔鹽蓄熱儲能技術(shù)可以實現(xiàn)太陽能熱發(fā)電站的持續(xù)運行目的，克服了夜間無太陽能可用的問題，充分適應(yīng)了天氣變化所造成的影響，這使得太陽能光熱發(fā)電的運行可控性得到了極大提升。本文采用熔鹽蓄熱儲能循環(huán)技術(shù)可以有效減小光熱電站運行成本，獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益。