塔式太阳能光热发电技术综述

塔式太阳能光热发电技术综述

李清岩

（中国水电工程顾问集团有限公司北京市100000)

摘要：太阳能热发电是利用太阳能聚光及换热系统将太阳辐射能转化为热能，然后经过各种方式转换为电能的技术形式，其中塔式太阳能发电技术是目前应用较为成熟的光热发电技术。本文简要阐述了塔式太阳能光热发电系统的工作原理和系统组成，探讨了技术发展趋势。

关键词：光热发电；储能；太阳能；技术发展

0引言

太阳能具有资源充足、长寿、分布广泛、安全、清洁，技术可靠等优点，在未来的能源战略中占有重要的地位。而光热发电作为太阳能发电模式之一，是目前唯一可同时实现友好并网与有效调峰的可再生能源发电技术，可在很大程度上解决新能源发电的随机性和波动性问题，因此近年来成为世界范围内可再生能源领域研发和投资的热点，如西班牙、美国、阿联酋、摩洛哥、南非等国家，呈现大力发展太阳能光热发电的发展趋势。截至2018年底，全球光热发电装机容量已达6.069GW，美国、西班牙等国有3GW装机容量已成功商运。【1】虽然我国光热发电技术的研究和商运较晚，但随着国家首批光热示范项目的推进，预计2019年底装机规模可突破50万kW。

1太阳能集热系统

尽管太阳辐射强度最高可达63MW/m2，然而受大气散射、太阳高度角等影响，地面太阳能可利用辐射强度仅为1kW/m2左右，且很难直接为介质提供较高的温度。因此，需要通过聚光系统来提高太阳能流密度，降低热量转换损失。聚光集热系统由面积较大的反射表面组成，收集入射的太阳辐射并将其集中到具有吸热器上。

根据聚光方式的不同，太阳能光热发电形式可分为槽式、塔式、碟式、线型菲涅尔式四种，图1为不同太阳能光热发电技术路线原理示意图。从集热方式上来看，槽式和菲涅尔式都属于线聚焦，塔式和碟式属于点聚焦；从运行特点来看，槽式需要单轴跟踪太阳，碟式和塔式需要双轴跟踪太阳运行，菲涅尔为固定安装；从光热电转化效率来看，碟式光热电转化效率最高，其次为塔式，槽式和菲尼尔都低于20％。【2】从商业成熟度来看，槽式和塔式是目前两种主流的光热利用技术。

2塔式光热发电技术

塔式太阳能光热发电技术是通过地面环绕定日镜将太阳光汇聚到环中央吸热塔顶部的光能收集器，加热导热介质产生高温蒸汽驱动汽轮机进行发电，系统主要包括：聚光系统、集热系统、储换热系统和发电系统等，如图2所示。相较于槽式太阳能发电系统而言，塔式太阳能发电系统运行过程中热交换回路少且短，热量损失较少，光电转换效率可达到10-25%；聚光比更高，一般为300~1500之间，而运行温度可达到500-1500℃,为储热提供基础【3】；更容易与常规火力发电技术相结合，适合大规模商业化运营。通过储热，光热电站的标称功率利用小时数可达到4500小时/年。

2.1聚光系统

在塔式太阳能热发电系统中，定日镜（反射镜）为塔式太阳能热发电系统的一个重要组成部分。定日镜将太阳光反射到吸热器上，对吸热介质进行加热，从而将光能转化为热能，进而驱动汽轮机发电。在整个塔式光热电站中，作为聚光系统的定日镜场的投资占总投资的50％左右。定日镜一般由反射镜、支撑机构以及跟踪传动系统、控制系统等组成。目前，定日镜的研发以高反射率、耐磨损、易清洗以及低成本为目标，镜场设计以提高聚光比、土地利用率为原则。【4】

目前商业化的电站中，定日镜的规格差异化明显，单台定日镜尺寸有上百平米的，也有几十甚至几平米的。大面积和小面积的定日镜各有其优势。小定日镜的安装调试更加简便，制造难度低，抗风强度更高；而大定日镜安装制造相对复杂，但电机和电气控制系统和网络简单。

2.2集热系统

在塔式光热电站中，吸热器作为吸收太阳热辐射能的主要设备，其作用为直接加热集热器内介质转换成热能，用来发电或热。吸热器一般布置于吸热塔的顶部。吸热器从结构形式可分为外露管状吸热器（ExternalTubeReceiver）、腔式吸热器（CavityReceiver）、容积式吸热器（VolumetricReceive）等【5】，其中商业化应用较多的为圆柱型管式吸热器。管式吸热器一般由吸热管、集箱、支撑、管夹、保温层、进出口缓冲罐、电伴热、阀门及测量仪表等组成。吸热器正常工作时需要耐受600℃以上的高温条件、2MPa左右的工作压力，且其要在高温腐蚀的工况下运行，因此对吸热器管材的选择提出了非常高的要求。目前众多吸热器厂商普遍选用镍基合金材料，如625耐蚀合金钢或Haynes230等。

2.3储换热系统

塔式光热的储热材料分为显热和潜热储热等。显热高温储热材料具有性能稳定价格便宜等优点，潜热高温储热材料存在着高温腐蚀、价格较高等问题。储热材料中，高温熔盐作为显热材料是塔式光热电站应用较多的一种，具有较高的使用温度、高热稳定性、高比热容、高对流传热系数、低粘度、低饱和蒸汽压、低价格等优势。常见的光热熔盐品种有二元盐（40%KNO3+60%NaNO3）、三元盐（53%KNO3+7%NaNO3+40%NaNO2）和低熔点熔盐产品等。目前商业化运行的塔式光热发电中，二元熔盐的应用最为广泛和成熟。

实现熔盐与水工质之间的热交换的系统为蒸汽发生器系统，包括预热器、蒸发器、过热器和再热器等。自高温储罐的高温熔盐分两路分别进入过热器与再热器，经换热后在出口混合再依次进入蒸汽发生器和给水预热器，最后变为低温熔盐后返回低温储罐，而来自高压加热器的给水则依次流经给水预热器、蒸发器和过热器，从而实现熔盐与水工质的热交换，产生符合汽轮机运行要求的过热蒸汽。汽轮机高压缸排汽进入再热器，经再热器熔盐加热后进入汽轮机再热汽阀。

2.4发电系统

塔式光热电站的常规岛发电系统与火电的发电系统相似，包括：汽轮机、发电机、热力系统、电气系统等设备。汽轮机效率提高1个百分点，年发电收益可提高2%甚至更多。若按50MW电站设计发电小时数4000h计算，电价1.15元/kWh，则一年因此项增加的收益大约460万人民币。同常规火电相比，光热电站的能量来源具有不稳定性，因此其发电系统对设计和工艺制造能力的要求也要远高于传统火电汽轮机，需要特别关注长时间低负荷运行、快速启动、频繁启停等苛刻工况。

3发展趋势

随着国家首批光热示范项目的启动和部分项目的并网运行，我国光热技术的研发和建设实现了突破性发展。总体来看，光热涉及到机械、化工、电气等多个专业、领域和系统之间的配合与协调，是一个技术、资金、人才密集的新型产业。降低电站造价和发电成本、提高电站运行的自动化、实现多能互补是光热技术发展的重要趋势。目前光热发电的成本仍比较高，部分设备和材料依赖进口，要降低成本必须推动关键设备的国产化。而同光伏、风电等可再生能源相比，光热电站的自动化和智能化程度还有待提高，电厂实时监测、控制、管理、决策等系统的可靠性有待验证，特别要重视光能预测、跟踪控制和镜场清洗清洗等系统的自动化程度；我国目前已建在建的光热电站，大部分位于太阳辐射量高的西部地区，海拔高、大风、扬沙等气候特征显著，还必须充分考虑电站的维护等问题。

风电、太阳能光伏发电和光热发电等多种发电模式结合是未来我国能源智能化发展的重要模式。光热电站因具备储热系统，具有调峰能力，在多能互补系统中发挥重要的耦合作用。在多能互补系统中，光热电站可以将风电、光伏等发出的未上网的电储存起来，使光伏和风电的出力曲线进行平滑，以更好的适应电网对电能质量的要求，削峰填谷，吸纳部分弃电，因此可以更加有效的利用风能、太阳能资源。

参考文献

[1]张福君,李凤梅.综述太阳能光热发电技术发展[J].锅炉制造,2019(4):33-36,46.

[2]王金平.槽式太阳能光热电站关键技术及运行特性的研究[D].南京:东南大学,2017.

[3]苏娟.太阳能光热发电产业经济性分析及发展政策研究[D].北京:华北电力大学,2017.

[4]王军伟.我国光热发电关键设备及监理研究[D].北京:华北电力大学,2016.

[5]田枫,祝雪妹.塔式太阳能热发电相关技术的最新进展[J].太阳能,2017(1):12-14.