塔式太陽能熱發電的技術探討

孫 泓， 毛申允

（上海電氣電站設備有限公司電站輔機廠，上海，200090）

1 概 述

太陽每秒鐘放射的熱量約3.75×1023kW，其中到達地球陸地表面的輻射能約1.7×1013kW，相當于目前全世界1年內消耗各種能源所產生總能量的35000多倍，這還不包括輻射在海洋上的能量。如能利用其中極少部分（輻射在世界沙漠面積的1%）用于發電，就足夠全世界的能源消耗。太陽的壽命至少尚有40億年，相對于人類歷史來說，源源不斷地供給地球的太陽能，真可謂取之不盡用之不竭。

我國的太陽能資源非常豐富，從青藏高原、新疆到內蒙古高原的廣大西部地區，都是太陽能的高輻射地區。其中約80多萬km2的荒漠地帶是太陽能輻射最豐富的地區，每平方公里的太陽能輻射功率達百萬千瓦級。如果按照35%的熱電轉換效率計算，每平方公里的發電量可達約35萬kW·h。這80多萬km2的荒漠中，只需利用幾個百分點的土地，就可達到10億千瓦級的供電水平。利用我國西部地區約10萬km2的面積地域，就可以產生滿足我國1年消耗的電能。太陽能熱發電具有明顯的環境優勢。據估計每10MW太陽能熱發電將減排CO2約5000噸／年，且不產生固體廢料。因此，利用太陽能熱發電，對于緩解全世界特別是我國能源緊張和環境惡化的局面具有重要的戰略意義。

在太陽能利用中，光伏發電和光熱發電是兩個不同的發展方向。首具商業化水平的是以太陽能電池為代表的太陽能光伏發電系統。光伏發電是利用硅板直接將太陽能轉化成微電流，通過收集系統匯集成一定量的電能達到商業使用所要求的能級。近年來，雖然我國光伏發電發展很快，但還不能解決電能的大規模儲存問題，所以，以此替代化石燃料供電還有很長的路要走。

太陽能熱利用的另一個發展方向，是通過光熱轉換來獲取熱能并加以利用。其典型例子即是已進入家庭的太陽能熱水器，這是低溫范疇的光熱轉換系統（100℃等級）。另外，近年開始運用的建筑綠色能源系統，則把太陽能熱利用提高到了中溫等級（100～400℃）。用于房屋采暖、照明、空調、通風等綜合能源系統。

太陽能利用具有明顯的不穩定性，在陰天或晚上，便無法正常工作，即使在陽光充足的白天，只要有大片云彩飄過，太陽光就會大打折扣。要想大規模利用太陽能，進而取代化石燃料向電網輸送綠色能源，必須解決采集和輸送的不穩定性，規避其對電網的沖擊波動。應使太陽能發電裝置能在微弱日光的環境下，還能穩定正常地發電，必須走大規模儲存太陽能熱發電道路。

近年，在這一領域已初步形成了具有高效率、大容量、高參數、高聚光比，能與大型汽輪發電機組或蒸汽－燃氣聯合循環機組配合，取代燃煤鍋爐直接向電網供電的“集聚型太陽能熱發電”系統，簡稱CSP（Concentration Solar Power）。國際上主導的太陽能熱發電系統型式有三種：“碟式”、“槽式”和“塔式”。

這三種太陽能發電方式中，塔式的聚光比最大，達到了800：1的高倍數，極大地提高了單套機組的效率，同時大幅度降低了投資成本，成為目前國際上領先的太陽能熱發電裝置。

塔式太陽能熱發電裝置能把大量日光反射到一個小范圍的區域，從而極大地提升了接收區域的溫度水平，使得高通量的熱流被盡可能地集中收集，避免了收集過程的散熱損失。目前已實踐的塔式接收裝置，其集熱器的外表面溫度可達1000℃以上，這使得作為吸熱工質的水介質瞬間達到臨界參數以上。這為整個機組的發電效率達到朗肯循環機組效率成為可能。塔式太陽能熱發電裝置，見圖1所示。

圖1 塔式太陽能熱發電裝置原理圖

塔式裝置中的儲熱系統，能將白天收集到的太陽能儲存起來，在沒有陽光的條件下，也能向發電機組提供穩定的熱源供其發電。目前，國際上均按13h汽輪發電機組銘牌出力連續運行，作為儲熱系統熱容量的設計標準。在采用熔融鹽作為儲熱介質的裝置中，熱儲罐中的550℃的熱融鹽在儲存1個月后，溫度仍可保持在475℃左右，僅下降75℃。由于有了高通量的塔式集熱器，以及高儲熱效率的融鹽儲罐，使得塔式太陽能熱發電技術趨于成熟。克服了太陽能發電的不穩定性，避免了對電網的沖擊，使得這種技術進入商業市場，逐步取代化石燃料火電機組成為可能。

根據國外研究，一套完善的塔式太陽能熱發電機組在單獨運行條件下，已可達到年投運率65%的水平，如采用與其他能源方式聯合運行（比如蒸汽－燃氣聯合循環或火電、水電、風電等）則可以極大提升綠色能源比重，大幅減少環境污染和對化石燃料的倚重。

2 塔式太陽能熱發電的技術分析

現以美國南加州太陽二號為例，分析塔式太陽能發電機組設備構成及運行特點。

太陽二號的額定發電功率為10MW，由2000面定日鏡將太陽光反射聚集到集熱器，集熱器位于一座300英尺高的塔頂。通過集熱器的吸熱，將熱量傳遞給內部的吸熱工質，這個工質為熔融鹽，由60%的硝酸鈉和40%的硝酸鉀組成。工質在熔鹽冷儲罐里預加熱為液態后，被泵到集熱器里吸熱，成為高溫工質后再回流至高溫儲罐里。當儲罐內的熱工質聚集到一定容量后，被泵入蒸汽發生器將熱量傳遞給給水。給水被加熱蒸發后，形成過熱蒸汽，送入汽輪發電機組沖轉汽輪機發電，放出熱量后的熔融鹽返流到冷儲罐里待用。

太陽二號主要設備由定日鏡與鏡場、聚光塔、集熱器、融鹽儲罐、融鹽泵、蒸汽發生器和朗肯循環汽輪發電機組主輔設備組成（包括汽輪機、發電機、凝汽器、冷卻塔、凝泵、給泵、高低壓加熱器、除氧器、補水處理設備等）。與火力發電機組相比較，最主要是省去了化石燃料鍋爐及其輔助設備。

2.1 定日鏡與鏡場

定日鏡有2000面，鏡場面積總共81000m2，每面鏡的外框尺寸41m2，由16塊小鏡子組成，2000面定日鏡呈360℃范圍環繞聚光塔布置，見圖2所示。

圖2 太陽二號鏡場實景

定日鏡原理與日常使用鏡子類同，但是對玻璃材質、幾何尺寸和鏡背的鍍層均有很高要求，鏡子的光熱反射率為98%，既要耐腐蝕，耐風沙磨損，又要耐高溫灸烤。定日鏡架必須尺寸精準，傳動裝置跟蹤響應同步平衡，抗風能力強。在計算機程序的精確計算下，每天每時各個鏡子的反射角度均不同，需要很復雜的動態跟蹤系統，見圖3所示。由于反射余弦角不可互相干涉，鏡場占地的大小與聚光塔的高度、鏡面大小、地理緯度、檢修空間等有關，需綜合評估投資、運行、維護等因素來確定，由于定日鏡和鏡場（包括土地成本）占到了機組總投資成本的近一半，所以科學布局定日鏡場是非常必要的。土地成本則因地而異，在美國南加州的戈壁灘上，地價可以很便宜，在我國的青藏高原、內蒙古中西部沙漠、新疆的戈壁灘，其土地成本較低，但其他費用會相應升高。在我國東部沿海地區，則土地成本會大幅度增加，但其他費用會有所下降，這需要綜合考慮評判。

圖3 太陽二號的定日鏡

2.2 聚光塔

聚光塔的作用是將集熱器的位置盡可能地抬高，以便最大限度地利用有限的土地，更密集地布置定日鏡數量，見圖4所示。

圖4 太陽二號的聚光塔

太陽二號的塔高已達300英尺（將近100m），這僅為10MW發電功率的機組，如果是50MW，甚至是400MW的機組，塔高是不可能按比升高的，當塔高被限制在一定限度內時，如何設計定日鏡場以提高單機出力，將是這種形式太陽能熱發電裝置的發展關鍵。聚光塔通常為鐵塔和鋼筋水泥塔二種，抗風防雷是關鍵。但水泥是少不了的材料，使用耐高溫的混凝土成為必然，近千度的高溫會燒壞塔表面的一切構件。我國已研制出可耐溫900℃的新型混凝土材料。

2.3 集熱器

集熱器的功用是收集定日鏡反射來的陽光并傳遞能量給系統工質，是整個系統的關鍵設備，也是太陽能系統與熱電系統的轉換點。世界各大公司對集熱器均有深入研究，設計方法和型式結構也大不相同，見圖5所示。對于扇型布置的鏡場多采用單面布置集熱器，比如內腔式集熱器。對于環形布置的鏡場則需要采用外表面式集熱器。

圖5 太陽二號的集熱器

太陽二號采用的集熱器是一種園柱型、外表面式集熱器，由24個管屏圍成園殼狀，園殼直徑約5m，有效高度超過6m，有效受熱面約97m2。平均每平方米的受熱面的能流密度達430kW，整個集熱器的吸收功率為42MW。在吸熱管的外表面需鍍履黑色鍍層，這種鍍層具有強度高、耐高溫循環等材料特性，對陽光的吸收率達95%。集熱器能適應溫度的急劇變化，在晴天，當有云層飄過遮蔽陽光時，集熱器的工作溫度可在1min內，從565℃下降到287℃，所以，集熱器的吸熱面不僅要選用很好的材料，結構強度也要能承受交變熱應力的沖擊。集熱器是塔式太陽能熱發電的關鍵設備，直接影響到整個機組的效率和安全可靠性。

2.4 熔融鹽

太陽二號集熱器換熱管內的工質是熔融鹽，其特性是具有很大的熱比容，并且熔點和沸點均很高，經研究，太陽二號的熔融鹽其熔化溫度為290℃，汽化溫度約為565℃，設計控制集熱器內的最高溫度不超過545℃，這保證了工質不會因汽化相變而產生高壓。熔融鹽加熱融化后，其粘度與水很接近，以此取代水作為換熱儲熱工質，具有輸送方便、吸熱量大、便于儲存的優點。不過這種物質也具有明顯的缺點：具有一定的毒性和腐蝕性，融點溫度高，在220℃以下，就會凝結成固體狀，這給系統管道閥門等附件帶來了麻煩，一旦受冷或有死角，就會在管道內淤積堵塞。

太陽二號采用了冷熔鹽罐和熱熔鹽罐存放熔鹽，共可存放1440噸，蓄熱能力為105MW·h，可供汽輪機滿負荷運行3小時。

系統工作時，冷鹽罐內的熔鹽預熱到全熔解溫度以上，通過熔鹽泵輸送到高塔上的集熱器內，吸熱升溫后返回輸送到熱熔鹽罐。達到一定容量后，再輸送到蒸汽發生器，加熱給水產生蒸汽，驅動汽輪機發電，熔鹽放熱降溫后返回冷鹽罐。太陽二號采用了熔融鹽中間回路后，將集熱與發電分成二個獨立回路，避免了太陽光幅射的不穩定性對電網的沖擊，且使機組能在微光環境下（有云遮擋或太陽下山后）能繼續工作。該電站從1997年投入運行至今，集熱器的效率比不用熔鹽的太陽一號機組大幅提高，其集熱效率達到88%，自身耗電減小了29%，至今仍作為尖峰負荷機組作商業化運行。近年，有1種三元復合熔融鹽（7%NaNO3＋53%KNO3＋40%NaNO2）被用作吸熱儲熱工質，具有融解溫度低，使用范圍廣（最低融解溫度200℃，最高液態溫度高達900℃），低毒性、低腐蝕性、比熱容更大的優點。

提高儲熱能量的途徑是采用更高效的工質，或是增加儲熱工質的總容量，整個機組用什么傳熱儲能工質，需要多少量的工質，由整體設計規劃給定。研制更高效更安全可靠，能全天候運行的發電機組已經成為可能。

2.5 蒸汽發生器與預熱器及過熱器

太陽二號因使用了復合熔融鹽為工質，也使蒸發器的設計與眾不同，傳熱工質是高溫熔鹽，管內走溶鹽，管外走給水和蒸汽。這給蒸發器的設計運行均提出了新的課題。同樣，在儲熱放熱回路中，熔融鹽工質還擔負著對蒸汽的再加熱功能，這些熱交換器均面臨高溫、高腐蝕性，易凍堵等難題，是有關設備設計制造商需面對的挑戰。

2.6 汽輪發電機組及回熱系統輔機

目前，太陽能所轉換而得的熱能還處于小型化、中壓等級階段，尚未達到大型機組所需要的大流量高品質蒸汽階段。太陽二號的汽輪機蒸汽入口參數為10MPa，525℃，可在下午1時到晚上11時連續滿負荷運行。目前階段的技術發展更適合于做為尖峰負荷機組，以解決電網的高峰用電需求。由于沒有中間再熱，其發電效率達到30%～40%已屬很好，差于中間再熱機組的45%效率。這種中壓機組需根據上述特點作特殊設計。作為發電單元朗肯循環必配的回熱系統也是必不可少的。凝汽器、高低加、除氧器、給水泵、補給水處理等設備均為常規必備。

2.7 電廠運行模式

圖6 雙級蓄熱與雙運行模式的塔式太陽能熱發電系統

太陽二號采用熔融鹽進入集熱器吸熱后再儲存輸送到蒸發器，提高了運行效率，簡化了系統布置，減少了各種熱損失。不過其本身具有的介質毒性、腐蝕、凍堵等特性，要求系統設備和連接管道閥門具有很好的高溫性能和盡可能少的密封件，并且在送達高塔的過程中，連接管道系統均需布置預熱解凍設備和非接觸磁性探測設備。這也使系統的檢測、加熱成本升高，運行難度增加。

近年來，也有其他國家的工程師及研究機構，嘗試采用雙級蓄熱與雙運行模式的塔式太陽能熱發電系統，系統流程見圖6所示。

這種系統的集熱器內的工質是水和水蒸汽，這使得向塔頂輸送工質變得簡單。水在集熱器里受熱蒸發，產生高溫高壓過熱蒸汽，高品質的蒸汽可以直接用來沖轉汽輪機，設計采用雙級蓄熱系統，可將多余的蒸汽進行貯存，將高參數熱能通過換熱器，傳遞給復合熔融鹽，由熔融鹽擔任高熱值熱能儲存工質，安排1個高溫儲罐、1個低溫儲罐形成封閉回路，先將塔頂輸送來的多余蒸汽攜帶的熱量通過換熱器將熔鹽加熱后，回流至高溫儲鹽罐備用。當夜晚或太陽被遮擋時，再通過熔鹽泵輸送到蒸汽再熱器中，加熱存貯備用的蒸汽。第二個儲熱回路是將塔頂集熱器輸送來的多余蒸汽，通過換熱器將大部分熱量傳遞給熔融鹽以后，低品位的汽水混合物輸送到蒸汽蓄熱器儲存備用，當需要使用備用蒸汽時再泵出汽水混合物，進入過熱器被熔鹽重新加熱形成過熱蒸汽后送汽輪機作功。這種雙工質、雙循環儲熱系統將熔融鹽限制在很小的一個回路里，既解決了大規模儲熱，又避免了熔鹽給系統帶來的麻煩，不失為簡單實用的系統。

3 塔式太陽能熱發電技術的經濟分析

比較塔式裝置與常規火電裝置的最大區別，在于塔式裝置取消了鍋爐，從而避免了最大的能源污染。它們具有同樣的汽輪發電裝置，只是用太陽能收集轉換系統來提供汽源。這就為太陽能進入電力網創造了條件。

太陽二號是在太陽一號的基礎上改建的裝置，在建設過程中，原太陽一號的部分設備被利用，這使得太陽能二號的成本分析出現了偏差，不利于作為商業化成本分析的樣板。為此，美國有關部門對太陽二號的成功投運及今后規模化應用，進行了深入分析與預測，表1是按照2010年，2020年規模化商業電站要求計算的經濟性分析結果。

由表1數據可知，定日鏡場的投資成本占到整個電廠投資的40%～50%，而塔和集熱器系統、儲熱系統的占比約為25%，項目總投資分別是5.21億美元和5.05億美元。

表1 未來規劃電廠主要性能成本指標

綜上所述，美國對太陽能熱發電的研究和市場前景作了深入的研究，歐盟的大型太陽能熱發電路線圖文件也在貫徹之中，市場前景非常寬廣。同時也應該看到，我國至今仍無成規模的已在運行的塔式太陽能熱發電試驗裝置。從美國南加州愛迪生公司的2010年～2020年市場分析預測的成本為0.565～0.0547＄／kW·h·yr。從國內實際情況看，我國的太陽能發電成本還很高，據分析，目前的實際成本不會低于4元／千瓦時，與火電、核電相比，還有很大差距，只有逐步形成可觀的規模化和完整的產業鏈后，其成本才能大幅下降。

4 發展瓶頸和關鍵技術

在我國，要建立高效率、大容量、高聚光比的太陽能熱發電系統，需要盡快解決一系列的關鍵技術難點。

（1）系統設計軟件的優化。用模擬與仿真手段探索大型裝置的占地和占空問題（比如采用立體布置定日鏡以節省土地等）。

（2）聚光系統設計優化。如何提高聚光比和聚焦溫度，目前的水平已達到800倍的聚光比，如何進一步提高聚光比，才能進一步提高卡諾循環的熱效率。

（3）高反射率、耐腐蝕、耐磨損定日鏡的研制。

（4）大功率集熱器是塔式太陽能熱發電的關鍵設備，其設計準則、主體結構研究，選擇性吸熱涂層材料的研制；換熱管金屬材料的耐高溫、耐腐蝕特性研究等均需重點進行研發。

（5）高溫傳熱儲熱工質材料及其傳輸系統，三元復合硝酸鹽的制備技術及熱物理特性研究。

（6）儲熱傳熱單元設備管道系統的預熱保溫、疏通、融堵技術。

（7）高溫熔鹽泵的設計、選型。能在600℃以上工作溫度下長期穩定工作的大流量熔鹽輸送泵。

（8）工質為熔鹽的各類熱交換器，其中以主蒸汽發生器最為重要，設計技術、制造工藝、運行方式、內部啟停、預熱清理等均為亟需解決的難點問題。

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［2］Commission Decision，Arnold Schwarzenegger，Governor.IMPERIAL VALLEY SOLAR ENERGY PROJECT （FORMERLY SES Solar Two）［M］.CALIFORNIA ENERGY COMMISSION：2010.

［3］Sargent ＆ Lundy LLC Consulting Group.Assessment of Parabolic Trough and Power tower Solar Technology Cost and Performance Forecasts［J］.NREL，2003（10）.

［4］Jesus M.lata.HIGH FLUX CENTRAL RECEIVERS OF MOLTEN SALTS FOR THE NEW GENERATION OF COMMERCAIL STANDALONE SOLAR POWER PLANTS［J］.SolarPACES，2006.