光熱發(fā)電儲(chǔ)能技術(shù)及系統(tǒng)分析

岳 松，李 明

(湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，武漢 430040)

0 引 言

傳統(tǒng)能源的日益匱乏和環(huán)境的日益惡化，極大的促進(jìn)了新能源的發(fā)展，其發(fā)電規(guī)模也快速攀升。以風(fēng)電、太陽(yáng)能為基礎(chǔ)的新能源發(fā)電取決于自然資源條件，具有波動(dòng)性和間歇性， 其調(diào)節(jié)控制困難，大規(guī)模的并網(wǎng)運(yùn)行會(huì)給電網(wǎng)的安全穩(wěn)定帶來(lái)顯著影響。儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用可以在很大程度上解決新能源發(fā)電的隨機(jī)性和波動(dòng)性問(wèn)題，使間歇性的、低密度的可再生清潔能源得以廣泛有效的利用。

太陽(yáng)能光熱利用收到光照、氣候、季節(jié)、地域等因素的共同影響，制約了太陽(yáng)能熱發(fā)電的連續(xù)性和穩(wěn)定性。解決太陽(yáng)能熱發(fā)電的持續(xù)可供性是實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用、提高效率和降低成本的關(guān)鍵所在。有效克服光熱發(fā)電技術(shù)波動(dòng)性特點(diǎn)的方法是采用儲(chǔ)熱技術(shù)。儲(chǔ)熱技術(shù)是在日光充足的條件下將熱能儲(chǔ)存起來(lái)，在日光輻射不足或者在夜間時(shí)釋放出來(lái)生產(chǎn)蒸汽發(fā)電。電力需求不足時(shí)將熱能存儲(chǔ)起來(lái)，在電力需求峰值的時(shí)候發(fā)電用來(lái)滿足電力需求，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的削峰填谷的作用。

1 儲(chǔ)能技術(shù)分類及特點(diǎn)

按照能量存儲(chǔ)的方式不同，儲(chǔ)能可以分為物理儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能和熱能儲(chǔ)能等， 其中物理儲(chǔ)能主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能等；化學(xué)儲(chǔ)能有鉛酸電池、鋰電池等；電磁儲(chǔ)能包括超級(jí)電容儲(chǔ)能等；熱能儲(chǔ)能應(yīng)用最多、儲(chǔ)量最大，主要包括顯熱儲(chǔ)能、潛熱儲(chǔ)能和相變儲(chǔ)能等。

熱儲(chǔ)能技術(shù)包括顯熱儲(chǔ)能，潛熱儲(chǔ)能和化學(xué)反應(yīng)儲(chǔ)能，其在工業(yè)生產(chǎn)，光熱發(fā)電和集中供暖等領(lǐng)域有較多的應(yīng)用。顯熱和潛熱儲(chǔ)能在使用方式上比較簡(jiǎn)單，技術(shù)發(fā)展比較成熟，設(shè)備設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，運(yùn)行管理方便，是十分具有潛力的儲(chǔ)能技術(shù)。顯熱儲(chǔ)熱的存儲(chǔ)介質(zhì)多樣，其應(yīng)用范圍也各不相同，表1顯示了各種傳熱介質(zhì)的比較。

表1各種傳熱儲(chǔ)熱介質(zhì)比較

以上分析可以看出，混凝土、水蒸汽和導(dǎo)熱油均存在使用溫度低的缺陷，在塔式光熱電站中，高溫介質(zhì)的溫度高達(dá)近 600 ℃，因此限制了這些工質(zhì)在塔式光熱電站中的應(yīng)用。另一方面，熔融鹽，尤其是硝酸鹽具有較高的使用溫度，同時(shí)其傳熱性能好，飽和蒸汽壓低，壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，特別適用于光熱電站中。

介質(zhì)特性的研究作為太陽(yáng)能熱發(fā)電研究方向之一，也是其中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。遺憾的是，目前無(wú)論是硝酸鹽類、碳酸鹽類或其他混合鹽類，某些指標(biāo)仍然不能達(dá)到理想要求，如熔鹽的熔點(diǎn)溫度等。要滿足蓄熱發(fā)電的目的，目前還需要找到更好的儲(chǔ)熱介質(zhì)，并希望這一介質(zhì)在儲(chǔ)熱的工作范圍內(nèi)，都是以液體的形式存在，并且液態(tài)的單位熱容和導(dǎo)熱率要盡可能的大， 流動(dòng)性能好。作為熔鹽材料，希望找到熔鹽的凝固點(diǎn)要盡量接近常溫，氣化點(diǎn)要盡量遠(yuǎn)離最高工作溫度點(diǎn)，另外，由于在太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中的熔鹽使用量大，因此要保證熔鹽的成本要盡量低。

2 熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)在光熱電站中的應(yīng)用

目前，熔鹽儲(chǔ)能技術(shù)在光熱電站中應(yīng)用較為廣泛，其經(jīng)濟(jì)性和安全性都表現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性。應(yīng)用較廣的是美國(guó)SolarTwo電站使用的SolarSalt(40%KNO3和60%NaNO3)，1996年美國(guó)建成塔式熔鹽電站，首次采用Solar Salt作為介質(zhì)，后西班牙Andasol電站也采用該介質(zhì)，使之得以推廣。

Solar salt熔鹽的主要性能是穩(wěn)定性好，不燃燒，無(wú)爆炸危險(xiǎn)，泄漏蒸汽無(wú)毒，在現(xiàn)場(chǎng)不會(huì)產(chǎn)生二次污染。在液態(tài)條件下壓力與溫度無(wú)關(guān)，使得在工程應(yīng)用中，儲(chǔ)存容器可以在常壓或者微正壓條件下運(yùn)行。其不足之處在于熔點(diǎn)高，溫度范圍窄，機(jī)組冷態(tài)啟動(dòng)過(guò)程復(fù)雜，耗熱量大，系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用高，熔鹽的成本也較高。

作為顯熱儲(chǔ)熱介質(zhì)，應(yīng)充分利用其溫度區(qū)間，否則將會(huì)帶來(lái)設(shè)備和成本的大幅增加，對(duì)其經(jīng)濟(jì)性的影響較大。文中以50 MW光熱電站為例，以Solar salt熔鹽作為儲(chǔ)熱介質(zhì)，研究槽式和塔式光熱電站的儲(chǔ)熱容量及其經(jīng)濟(jì)性。

Solar salt熔鹽開(kāi)始熔解的溫度為207 ℃，開(kāi)始凝固的溫度為238 ℃，在這范圍內(nèi)是固液共存狀態(tài)，在300 ℃～600 ℃的范圍內(nèi)，其物理特征屬性可通過(guò)擬合方程求的：

ρ= 2090-0.636T

(1)

c= 1443+0.172T

(2)

μ=22.714-0.12T+ 2.281×10-4T2

-1.474×10-7T3

(3)

k= 0.443+ 1.9×10-4T

(4)

式中，ρ為密度，kg/m3；c為比熱容，J/(kg·k)；μ為動(dòng)力粘度，mPa·s；k為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·k)。

在光熱電站中，熱電轉(zhuǎn)換效率包括儲(chǔ)熱效率、換熱效率、循環(huán)效率和發(fā)電機(jī)效率等，其熱電轉(zhuǎn)化效率約為 40%：

ηthermal-elec=ηstorage·ηtransfer·ηcycle·ηgenerator

(5)

(6)

(7)

式中，ρ為密度，kg/m3；c為比熱容，J/(kg·k)；C為熱容量，MWht；t為儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)，h；η為熱電轉(zhuǎn)化效率；md為設(shè)計(jì)狀態(tài)下熔鹽重量，kg。考慮到在工程實(shí)際應(yīng)用中，熔鹽罐底部有殘留容積，管道及設(shè)備中也考慮部分殘留容積，因此實(shí)際熔鹽用量為：

ms=1.2*md

(8)

表2 熔鹽用量和熔鹽價(jià)格

從圖1至圖2中可以看出塔式光熱電站在儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)為9 h時(shí)，其熔鹽使用量為1.16萬(wàn)噸，而槽式光熱電站的熔鹽使用量達(dá)到了3.6萬(wàn)t，僅熔鹽的價(jià)格就達(dá)到了1.2億元，這是塔式光熱電站的3倍以上，這是因?yàn)椴凼诫娬緹崛埯}出口溫度較低，為380 ℃左右，而塔式光熱電站熔鹽出口溫度可達(dá)565 ℃，單位質(zhì)量的熔鹽存儲(chǔ)的熱量少，熔鹽的使用量就大大增加。因此相對(duì)于槽式電站來(lái)說(shuō)，塔式電站可大幅降低熔鹽的使用量，僅熔鹽的成本也能降低一半以上。同時(shí)可以得到，從熔鹽成本角度分析，選用何種熔鹽要綜合考慮熔鹽的熔點(diǎn)，單價(jià)和溫度使用范圍，才能得到最經(jīng)濟(jì)的解決方案。

圖1 熔鹽量隨儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)關(guān)系圖

圖2 熔鹽價(jià)格隨儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)的關(guān)系曲線

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)在光熱電站中，多用顯熱儲(chǔ)熱技術(shù)，由于其具有技術(shù)發(fā)展比較成熟，設(shè)備設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，運(yùn)行管理方便等特點(diǎn)，是十分具有潛力的儲(chǔ)能技術(shù)。分析不同的儲(chǔ)熱介質(zhì)發(fā)現(xiàn)，熔鹽具有較高的使用溫度，同時(shí)其傳熱性能好，飽和蒸汽壓低，壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，特別適用于光熱電站中。

(2)分析了熔鹽儲(chǔ)能系統(tǒng)在光熱電站中的應(yīng)用，通過(guò)以 50MW槽式和塔式光熱電站為例， 分析了兩者的熔鹽用量情況，得出：槽式光熱電站的熔鹽使用量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于塔式光熱電站，其熔鹽成本約為塔式成本的 3.1倍，其原因是塔式光熱電站能充分利用熔鹽的溫度使用區(qū)間， 使單位儲(chǔ)熱密度大幅提高。