塔式太阳能热发电系统的设计和技术发展方向

　国际能源署在其发布的《太阳能热发电技术路线图》（2014版）中，对各类技术路线的未来发展方向进行了展望。根据聚光方式的不同，太阳能热发电主要分为线聚焦系统（槽式和线性菲涅尔式）和点聚焦系统（塔式和碟式）。在8月31日国家光热联盟发布的微信文章中，已经对槽式和线性菲涅尔未来的技术发展进行了编译，本篇将主要介绍塔式系统。

图：BrightSource Ivanpah塔式电站

　　《太阳能热发电技术路线图》报告中指出，理论上，塔式系统比线性系统在设计上更高效，温度更高，这是发电模块效率更高的关键，但需要更大的聚光因子以尽量减少吸热器的热损失。然而，现实中，吸热器的实际效率是多样化的。在线性太阳能热发电站中，吸热器可以被隔离在一个抽真空的玻璃套管中，但塔式太阳能热发电站则不是这样。塔式热发电系统随季节变化的敏感性低于线性系统，后者冬天的光学损失更高。

一、塔式电站的设计

　　除了在以蒸汽和熔融盐为传热介质之间进行根本选择之外，塔式系统目前还提供了设计上的极大多样性。第一个涉及到将阳光反射至位于塔顶吸热器中的定日镜的尺寸（和数量）。定日镜的尺寸差异很大，从1平米到160平米。小定日镜可以是平面镜，迎风表面较小。大定日镜需要多个弯曲的镜子，从而将聚焦的太阳影像反射到中央吸热器上；同时也需要有力的支撑结构和电机以抗风。然而，对于相似的能量收集范围，小定日镜需要以千为量级进行分组，乘以电机和连接件的数量。制造商和专家对最佳尺寸仍存有分歧。定日镜和定日镜之间需要一定间隔，以减少当一面定日镜拦截部分接收到的能流（阴影）或由其他定日镜反射的能流（遮挡）引起的损失。

　　线性热发电系统需要平坦的土地，而塔式热发电系统（又称中央吸热器系统）则可适应一定的坡度，或者甚至从中受益，因为坡度可以减少遮挡和阴影，提高定日镜布置的密度。算法领域的优化可以帮助减少其对环境的影响，在进行所需的地面平整工作的同时优化产出。在低纬度地区，定日镜场往往是圆形的，围绕中央吸热器，而在高纬度地区，镜场通常在塔的极地侧（polar side）更密集。较大的镜场往往更圆，以限制吸热器和定日镜之间的最大距离，并尽量减少大气衰减。

　　吸热器设计有两个基本类型：外置式和腔体式。外置式吸热器的管道是垂直于从镜场汇聚的太阳通量，传热介质在管道内循环。在腔体式吸热器中，太阳通量进入腔体，理想状态下有个窗口进行封闭，但这大大增加了对材料的挑战。腔式设计被认为是更有效的，可减少热损失，但接受入射光的角度有限，因此以大定日镜场围绕的塔需要支撑多个吸热器。

　　为了优化吸热器上的太阳通量图（能流密度），定日镜场的控制系统必须确保正确的瞄准策略，从而获得最高的太阳能输入同时避免吸热器管壁上的任何局部热斑。如果是DSG（水工质）吸热器将会更困难。在DSG吸热器上不同类型太阳面板上的热流差别显著：过热器面板（通过过热蒸汽冷却，但效果很差）接收到的能流比蒸发器面板和预热器面板要低很多。

　　另一个重要的设计选择是一个汽轮机对应的塔的数量。在最外圈的远离太阳塔的定日镜需要非常精确的指向太阳塔，由于太阳光必须经过很长的近地行程，因此效率将有所损失。它们的几何（余弦）光学损失更大。由SolarReserve在美国内华达州Crescent Dunes建设的带有10小时储热的110MW塔式电站匹配的聚光场超过100万平米，这可能接近最大有效尺寸。

　　为限制光学吸收，但从大汽轮机更高的效率和规模经济中受益，可以将几个塔连接到一个汽轮机上。这种设计还可以有助于对腔式吸热器设计的选择。如果塔式系统采用熔融盐作为低压传热介质，保温良好的自排空管道将几个塔的传热流体运送到一个单个汽轮机，应该相对简单。建立几个塔的额外成本可以由多塔设计的更高的光学和热学效率弥补。然而，最佳的镜场尺寸和塔的数量取决于现场的大气混浊度，其在适合太阳能热发电（CSP）电站的地区差异很大。加利福尼亚的eSolar公司提出了一个项目建议，该项目为100MW熔融盐塔式电站，由14个聚光场、14个单塔吸热器、一个中央空冷发电模块组成，带有13小时储热，容量因子75%（Tyner，2013）。

　　更高温度的可能性也应该通过采用不同吸热器技术进行探索。其中一个选择是超临界蒸汽循环，正如那些在现代燃煤电厂中使用的那样，通过超临界和超超临界设计（热-电效率45%-50%），其整体效率可以达到42%-46%。通常，现代燃煤火电厂使用的蒸汽高达620℃/24MPa-30MPa，但是到2020年将能达到700℃/35MPa，使用镍基合金的总体效率将接近50%。然而，将这种技术应用于太阳能塔式热发电站将需要一些改进。超临界发电机组目前都在400MW及以上。除非汽轮机生产商决定将小型汽轮机商业化，这种容量将至少需要两个塔，或更多的塔，因为它将可能涉及非常大的储热规模。BrightSource公司正在考虑一种不同的关联——一个DSG塔，当白天有阳光时能提供较便宜的热能；一个熔融盐塔，在日落或清晨时候通过储热供热。此外，也有研究人员设想采用LFR提供约75%的便宜的热输入，同时实现塔式系统所能达到的高温蒸汽温度（Goffe等，2009）。

　　最后，在一个不断变化的电力结构背景下，研究人员重新思考这些选项，产生了一些新的概念想法。随着可变能源份额的提升，基础负荷电站由于其使用率减少将变得不那么经济有效。同时，更多的峰值和中峰电厂变得有必要。低于一定负荷因子——约2000满负荷小时数——开式循环燃气轮机成为一个比联合循环电站更好的经济选择，但它们由于产生大量的废热，因此能效方面差些。开式循环燃气轮机可以与带储热的CSP电站集成，然而，其中蒸汽轮机不能以很高的容量因子被使用。当太阳落山后，废热很大程度上被收集到熔融盐系统中的热罐中。每当有需求时，这部分能量随即可被引入蒸汽轮机进行发电。如果需要更多的电能，而此时阳光充足可以转动蒸汽轮机，那燃气轮机的热能将被引入储热系统中。在这两种情况下，很大一部分的废热都将被利用。这一概念区别于现有的ISCC（联合循环）电站，在ISCC电站中，太阳能只是提供补充，储热的存在可以完全反转太阳能和燃气的比重（Crespo，2014）。欧盟第七框架计划资助的Hysol技术研发和示范项目，其主要目的就是示范这一概念的可行性。同样，在一些风很大的地区，为了安全起见，一些CSP电站的储热系统配有电加热器，可以在冬季使用以减少对多余风电的限制。

二、太阳能热发电技术发展

　　以提高效率、降低发电成本为目的的研究正在对许多新选项进行探索，包括光学系统、吸热器、传热介质和储热系统。

　　创新的、非成像光学可以对槽式和菲涅尔反射器进行重新设计，在使用现有吸热管的情况下获得更大的聚光比和效率。由于多重反射，总光学效率会降低，多于70%的能量将被传递到吸热管，吸热管、管道、泵的数量，传热介质体积和相关损失减少约2倍。较大的抛物线也可以使反射镜-接收器的质量中心更靠近吸热管的中心，以使吸热管保持固定状态，而反射镜无需很大的机械力度就能实现对太阳的跟踪（Collares Pereira，2014）。

　　熔融盐在更高温度下会分解，而腐蚀限制了蒸汽轮机的温度。更高的温度和效率可以依赖使用含氟液体盐作为传热介质，达到700℃-800℃的高温，使用氦气或氮气的闭环多级再热布雷顿循环，这种循环最初为高温核反应堆而开发。除了可以实现更高的电站效率，这样的发电系统在相对较高的压力和功率密度下运行，所需设备比蒸汽循环中的更小，因此成本可以更低。

　　纳米流体可能是未来线性CSP电站的创新性传热流体之一。分散在流体中的固体颗粒强化热导率，但颗粒在流体中沉降迅速。和表面活性剂/稳定剂强化的纳米颗粒几乎可以无限期的保持悬浮状态，每单位体积的表面积比微小颗粒的大100万倍，传热性能得以提高。压缩气，目前正在西班牙PSA进行测试，是未来传热介质的另一个选择。

　　高温塔式概念包括以空气作为传热介质（在德国1.5MWJulich塔式电站中进行过测试），采用固体材料储热。这种系统与燃气轮机结合具有高的负荷灵活性，在阿尔及利亚被认为是下一步放大的项目。由于空气的温度可以高达800℃，该系统也适合生产用热或化学应用。这样的塔式系统可以实现高达约25%的光-电效率，但是目前尚不清楚是否效率上的增益会弥补成本和循环复杂性的增加。

　　基于太阳能的开式布雷顿循环提供了一个完全不同的利用塔式系统可以达到更高工作温度的方式。加压空气在吸热器中被加热，然后以超过800℃的温度直接送往燃气轮机；驱动燃气轮机后多余的热量可以被送到蒸汽循环中运行第二个发生器。光-电效率可以高于30%。DLR（德国宇航中心）牵头的100kW Solgate项目就示范了与加压空气储热系统结合的基于绝热的热存储技术。法国研究中心CNRS搭建了2MW Pegase示范项目，设计了一个不同的吸热器。

图1：带加压空气吸热器的太阳能/燃气混合塔式电站

　　加压空气吸热器可以是表面吸热器——即，换热器被聚集的太阳通量照射——或者容积式。在容积式吸热器中，空气通过多孔材料进入，多孔材料也吸收汇聚的太阳辐射。容积式吸热器比表面吸热器更有效，但需要一个必须抗空气压力的透明的石英窗：因此，将这样的吸热器增大至MW级别或更大看上去并不可行。在较低温度下，采用高温合金的管式概念是合适的。使用超临界二氧化碳而非加压空气因此可以成为一个选择。这样的一个概念能在低于800℃温度的单一循环中提供高的效率。另外一个选择是使用颗粒形成一种特殊类型的传热“流体”，如陶瓷颗粒。在DLR近期的一个实验中，充满陶瓷颗粒的旋转汽包被插入到吸热器中。颗粒通过离心力保持在内部。在被聚集的太阳辐射加热后，颗粒从汽包中落入隔热的容器中，在那里，被加热的颗粒既可以被用来即时发电，也可以储存供以后使用。

　　过去十年中核反应堆的安全性进步已经导致使用液态金属，诸如钠或铅和铋的聚合物，作为先进的传热介质的想法的复兴，以克服熔融盐的温度限制。初期实验室规模的装置正在筹备中。

　　当前商业化的储热方案——双罐熔融盐显热储热——并非是唯一的选择。如前所述，DSG似乎需要其它的技术——但其它电站设计也可以从先进的储热技术中受益。相变材料可以插入到储热罐中。一些开发人员仍在考虑单罐“温跃层”系统，以及将蒸汽发生器嵌入到熔融盐罐中。也有人在研究热化学储热，其也提供了通过可逆化学反应存储热能的新方法。

　　最后，终极发展可能是在完全集成的吸热器中，将太阳能热发电技术和光伏技术混合——充分有效地利用整个太阳光谱，减少总电力成本——当需要时，有大概一半的电力是可用于调度的。美国高级项目研究部-能源（ARPA-E）的太阳全光谱优化转化和利用（聚焦）项目正对12个这样的项目进行支持。可以通过不同的途径将光伏和太阳能热发电充分混合：在从反射镜到吸热器的路径中在不同的点对太阳光谱进行分割，或者收集高温“topping”太阳能电池的损失。例如，在阳光到达聚光装置的途中，在一些点沉积针对一些高能量光子的光伏层，想必是在镜面上，无论是主要的还是次要的（如果使用了多级反射）。这个光伏层将只吸收一些太阳光的波长。其它的将被留下来加热介质。如果光伏层是直接在吸热器上沉积，光伏转化损失将被作为热能进行收集——如果有人能够开发在400℃或以上温度足够有效的光伏材料。（杜凤丽 编译）