熔鹽槽式光熱電站的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)詳解

  近日，德國(guó)光熱發(fā)電工程咨詢(xún)公司CCO Services應(yīng)本網(wǎng)之邀，撰寫(xiě)了一篇題為《熔鹽槽式光熱電站的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)》的文章，將熔鹽槽式光熱發(fā)電技術(shù)與傳統(tǒng)的以導(dǎo)熱油為傳熱工質(zhì)的槽式光熱發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)比較。文章指出，熔鹽槽式光熱發(fā)電技術(shù)將大大提升光熱發(fā)電效率，降低光熱發(fā)電的度電成本。

以下為文章的中譯版（摘選）：

　　當(dāng)前，槽式光熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中缺少創(chuàng)新，當(dāng)下已投運(yùn)的大部分商業(yè)化槽式光熱電站所采用的技術(shù)都是十年前的。

　　以前，槽式光熱發(fā)電技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)主要集中在槽式集熱器的結(jié)構(gòu)上。20世紀(jì)80年代初，第一個(gè)商業(yè)化槽式光熱電站在美國(guó)加利福尼亞光資源條件極好的Harper湖和Kramer的交界處建成。該項(xiàng)目所采用的LS 1集熱器基礎(chǔ)模塊的長(zhǎng)度只有50米左右，開(kāi)口寬度小于5米。同時(shí)，更大開(kāi)口的集熱器和更精準(zhǔn)的光學(xué)追蹤系統(tǒng)逐漸被研發(fā)出來(lái)，進(jìn)一步減少了系統(tǒng)所需要的驅(qū)動(dòng)裝置數(shù)量，同時(shí)使系統(tǒng)所需要的地基設(shè)施更少，管道更少，導(dǎo)熱流體用量也相應(yīng)減少，此外還降低了能源消耗率。目前，在這方面最具創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)是Ultimate Trough槽式集熱器，其優(yōu)化后的開(kāi)口寬度超過(guò)7.5米，長(zhǎng)度大約為250米。

　　而在槽式光熱電站的其他環(huán)節(jié)，我們不得不說(shuō)在過(guò)去10年里沒(méi)有發(fā)生哪些重大創(chuàng)新。另一方面，能源行業(yè)普遍抱怨光熱發(fā)電不能滿(mǎn)足人們對(duì)其發(fā)電成本降低的預(yù)期，尤其是跟風(fēng)電和光伏發(fā)電相比仍有一定差距。

　　因此，光熱發(fā)電未來(lái)的發(fā)展目標(biāo)很明確：CSP技術(shù)必須要更加高效，其相關(guān)組件應(yīng)該成為大眾化的產(chǎn)品，而不是必須采用量身定制的帶有壟斷特征的解決方案。

　　那么如何才能提高CSP系統(tǒng)的效率？如何才能使CSP系統(tǒng)的關(guān)鍵組件實(shí)現(xiàn)大規(guī)模批量化生產(chǎn)呢？

　　我們認(rèn)為，后者只能通過(guò)為制造商提供足夠市場(chǎng)容量的商業(yè)化行為來(lái)解決問(wèn)題。比如中國(guó)政府最近宣布，到2020年中國(guó)將完成規(guī)模為10GW的光熱電站裝機(jī)，這就可以為產(chǎn)業(yè)鏈各相關(guān)方提供充足的市場(chǎng)。許多制造商都有望借此機(jī)會(huì)，通過(guò)實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)來(lái)降低成本。

　　槽式光熱電站的效率提升意味著：用較少的資源、設(shè)備和相關(guān)設(shè)施可以生產(chǎn)更多的電力。考慮到光熱電站的發(fā)電原理，我們必須關(guān)注技術(shù)原理類(lèi)似的發(fā)電過(guò)程：在化石燃料發(fā)電站，提高蒸汽溫度可以有效提高發(fā)電效率。同樣，為了提高槽式光熱電站的效率，我們必須提高系統(tǒng)所有工作流體的運(yùn)行溫度。

　　因?yàn)橛袡C(jī)導(dǎo)熱油的化學(xué)穩(wěn)定性有限，我們需要找到運(yùn)行溫度可以高于400℃的替代工質(zhì)。水可以滿(mǎn)足溫度條件，但是水工質(zhì)的缺陷就是其較低的沸點(diǎn)和較高的系統(tǒng)壓力。另外，以蒸汽為基礎(chǔ)的能源存儲(chǔ)系統(tǒng)離商業(yè)化應(yīng)用還為時(shí)尚早。

　　目前，能達(dá)到高溫且最有前景的解決方案就是使用熔鹽，不僅用作儲(chǔ)熱工質(zhì)，也是主要的導(dǎo)熱流體。從積極的角度來(lái)看，導(dǎo)熱工質(zhì)的受熱膨脹問(wèn)題和系統(tǒng)清潔將不再是問(wèn)題，同時(shí)電站的環(huán)境友好性將大大加強(qiáng)。

　　另外，較高的運(yùn)行溫度，以及相對(duì)更大的換熱溫度區(qū)間可以大大減少傳熱工質(zhì)的使用量，系統(tǒng)使用的熔鹽總量會(huì)非常小。以?xún)?chǔ)熱罐為例，如果儲(chǔ)存相同的熱量，使用熔鹽的儲(chǔ)罐體積比使用導(dǎo)熱油的儲(chǔ)罐體積可以減少65%以上。使用導(dǎo)熱油的槽式光熱電站設(shè)計(jì)限制了可以吸收光資源的最高水平。換句話(huà)說(shuō)，從光資源角度來(lái)講光場(chǎng)可以按900或者1000W每平米的輻照來(lái)設(shè)計(jì)，但因?yàn)榻橘|(zhì)問(wèn)題只能設(shè)計(jì)為700或者800W每平米。這樣做主要是出于經(jīng)濟(jì)方面的考慮，因?yàn)橐崭嗵?yáng)能，必須增大導(dǎo)熱油用量來(lái)避免導(dǎo)熱油過(guò)熱碳化變質(zhì)。同時(shí)，導(dǎo)熱油量增多將導(dǎo)致系統(tǒng)必須采用更多和更大的輔助設(shè)備，包括鹽/油換熱器，管道，蒸汽發(fā)生系統(tǒng)及所有與光場(chǎng)相關(guān)聯(lián)的高壓裝置。

　　熔鹽可以在560℃以上穩(wěn)定運(yùn)行，甚至直接在大氣中曝光也不會(huì)改變特性。因此，熔鹽系統(tǒng)無(wú)須使用運(yùn)維成本高昂的氮封系統(tǒng)。

　　總結(jié)來(lái)說(shuō)，用熔鹽作為主要的傳熱工質(zhì)，具有以下特點(diǎn)：工作溫度更高，可達(dá)550℃以上；熱-電轉(zhuǎn)換效率更高；相比導(dǎo)熱油工質(zhì)無(wú)毒和不易燃；無(wú)須擔(dān)心傳熱工質(zhì)膨脹問(wèn)題，系統(tǒng)運(yùn)維更加簡(jiǎn)單；儲(chǔ)熱容量相同時(shí)儲(chǔ)罐體積更?。粺o(wú)須使用鹽/油換熱器；系統(tǒng)自耗電量更少。

　　開(kāi)發(fā)熔鹽槽式光熱電站將面臨的挑戰(zhàn)

　　不過(guò)，把熔鹽作為傳熱工質(zhì)也要承擔(dān)一些風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)，這些問(wèn)題需要在工程系統(tǒng)中考慮和解決。

　　建立性能模型

　　針對(duì)光熱電站的特點(diǎn)創(chuàng)建一個(gè)合適的性能模型對(duì)電站所有利益相關(guān)方都是至關(guān)重要的：業(yè)主需要針對(duì)他們的商業(yè)計(jì)劃得出一個(gè)可靠的輸出預(yù)測(cè)報(bào)告；EPC承包商需要設(shè)備選型和預(yù)測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)；運(yùn)營(yíng)商則需要計(jì)算出實(shí)際運(yùn)營(yíng)階段需要達(dá)到的額定功率數(shù)據(jù)。

　　理想狀態(tài)下，性能模型需要通過(guò)對(duì)比計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果和實(shí)際運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證。但由于目前熔鹽槽式光熱電站非常少，所以可用于驗(yàn)證結(jié)果的電站實(shí)操數(shù)據(jù)非常少。這就給建立可靠的性能模型帶來(lái)了困難。

　　熔鹽防凝問(wèn)題

　　目前，全球許多研發(fā)項(xiàng)目都希望找到一種在600℃以上的高溫情況下也能保持穩(wěn)定運(yùn)行的流體工質(zhì)，同時(shí)該工質(zhì)的凝固溫度也很低，可以滿(mǎn)足冬天光熱電站的運(yùn)行需要。但是到目前為止，這一研究課題還沒(méi)有取得突破性進(jìn)展。目前，我們可以通過(guò)配置熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)或者備用加熱器來(lái)解決防凍難題，在一些試驗(yàn)設(shè)施和工業(yè)應(yīng)用項(xiàng)目上上述防凍保護(hù)管理措施已經(jīng)被證明是可行的。因此，防凍管理技術(shù)將成為一項(xiàng)專(zhuān)門(mén)的技術(shù)，而且在熔鹽槽式光熱電站等應(yīng)用領(lǐng)域，上述已經(jīng)比較先進(jìn)的防凍技術(shù)還有很大的提升空間。

　　雖然有上述安全措施作為保障，但熔鹽仍有發(fā)生凝固的可能，這時(shí)我們可以利用集膚效應(yīng)原理，用電來(lái)加熱吸收器管道。在其他一些示范性項(xiàng)目中，這一解凍技術(shù)已被意大利Priolo Gargallo的ISCC電站證明是可行的，而且不會(huì)對(duì)設(shè)備造成任何損壞。管道電阻抗加熱是可以應(yīng)用在熔鹽槽式光熱電站的一項(xiàng)專(zhuān)業(yè)技術(shù)。

　　材料方面的挑戰(zhàn)

　　在400℃以上的運(yùn)營(yíng)溫度下需要使用不銹鋼或特殊合金鋼。對(duì)熔鹽槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這意味著在高溫情況下，要求相關(guān)系統(tǒng)組件的級(jí)別更高，自然成本也會(huì)更昂貴，質(zhì)量控制也需要更加嚴(yán)格。但與導(dǎo)熱油系統(tǒng)相比，熔鹽槽式光熱系統(tǒng)的管道總需求量、傳熱介質(zhì)需求量以及相關(guān)支持系統(tǒng)需求量明顯減少，因此使用高合金鋼所帶來(lái)的額外成本就得到了一定的補(bǔ)償。

　　熔鹽槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)和導(dǎo)熱油槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)的性能和商業(yè)化對(duì)比

　　一般性對(duì)比

　　從基本原理來(lái)看，熔鹽被選為傳熱介質(zhì)，因?yàn)樗軐?shí)現(xiàn)更高的效率和能源密度。工作溫度可以達(dá)到550℃以上，較高的系統(tǒng)溫度使整個(gè)系統(tǒng)所需熱工質(zhì)的總量大大減少。例如，采用運(yùn)行溫度范圍在290℃到550℃的熱工質(zhì)槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)與采用運(yùn)行溫度范圍在290℃到390℃的熱工質(zhì)（以導(dǎo)熱油為傳熱工質(zhì)的常規(guī)槽式光熱電站）相比，熱工質(zhì)存儲(chǔ)儲(chǔ)罐的體積可以縮小60%左右。

　　其實(shí)從運(yùn)行工作溫度角度來(lái)說(shuō)，采用熔鹽為傳熱工質(zhì)的光熱系統(tǒng)和采用導(dǎo)熱油為傳熱工質(zhì)的光熱系統(tǒng)在本質(zhì)上是兩種技術(shù)思路完全不同的光熱系統(tǒng)。

　　針對(duì)上述不同的光熱發(fā)電設(shè)計(jì)進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化之后便形成了不同規(guī)模的電廠(chǎng)。因?yàn)榻ㄔO(shè)一個(gè)大規(guī)模存儲(chǔ)系統(tǒng)所帶來(lái)的巨大成本，以及在釋放熱量時(shí)系統(tǒng)整體凈效率較低，所以采用導(dǎo)熱油做傳熱工質(zhì)的光熱電站所配置的儲(chǔ)熱系統(tǒng)的儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)一般不會(huì)超過(guò)8小時(shí)。反之，采用熔鹽做傳熱工質(zhì)的光熱系統(tǒng)儲(chǔ)熱成本較低，為了盡可能降低發(fā)電成本，根據(jù)地域不同儲(chǔ)熱系統(tǒng)的儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)最高可以達(dá)到14個(gè)小時(shí)以上。這意味著配置長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)熱系統(tǒng)的光熱電站可預(yù)見(jiàn)性的成為幾周或者幾個(gè)月的基礎(chǔ)電力負(fù)荷。

　　集熱器的規(guī)格和聚光比對(duì)比

　　事實(shí)上，比較技術(shù)是非常復(fù)雜的。首先要了解不同技術(shù)適合不同的集熱器。因?yàn)槿埯}系統(tǒng)的運(yùn)行溫度更高，顯而易見(jiàn)，它的熱損失也要高得多。因此，一般來(lái)說(shuō)使用熔鹽做傳熱工質(zhì)時(shí)系統(tǒng)集熱效率較低。但是，系統(tǒng)工作溫度越高，郎肯循環(huán)的效率更高，因此發(fā)電效率也會(huì)更高。

　　綜合來(lái)看，采用熔鹽為傳熱工質(zhì)的系統(tǒng)整體效率會(huì)更高。為了使整體效率最大化，收集太陽(yáng)能的效率應(yīng)盡可能高，這可以通過(guò)提高聚光比來(lái)實(shí)現(xiàn)。下面用一個(gè)試驗(yàn)來(lái)描述，下圖記錄了應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的直徑為70毫米的集熱管和其它不同直徑大小的集熱管時(shí)，分別采用熔鹽和導(dǎo)熱油時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行的不同溫度。導(dǎo)熱油的運(yùn)行溫度上限一般是390℃左右，而熔鹽的運(yùn)行溫度上限溫度一般是550℃左右。從圖中可以看出，系統(tǒng)的整體效率（綜合汽輪機(jī)效率和集熱器效率）隨著集熱管的直徑增大而增加，并且熔鹽系統(tǒng)比導(dǎo)熱油系統(tǒng)效率增加的更明顯。

圖：不同熔鹽系統(tǒng)和導(dǎo)熱油系統(tǒng)的集熱效率和系統(tǒng)整體效率