熔鹽和導熱油蓄熱儲能技術在光熱發電中的應用研究

文_何軍 深圳市愛能森科技有限公司

現階段，聚光型太陽能發電系統獲得了最廣泛的研究并實現了商業化運作，可以將該系統分成碟式、槽式、塔式、菲涅爾式等各類不同的形式。考慮到太陽輻射強度始終處于不斷的變化過程中，這就要求太陽能熱發電系統利用存儲能量來實現早晚或陰天等無陽光條件下的持續運行。同時為確保實現穩定的發電狀態，還要設置有效的蓄熱措施，從而使電網獲得能夠實現穩定與連續性調節的電能。

1 熱載體蓄熱方法

1.1 熔鹽蓄熱儲能技術

在初期光熱發電階段所使用的蓄熱儲能材料通常是三元混合熔鹽，其配比為KNO3：NaNO2：NaNO3的質量比為53：40：7。目前光熱發電通常選擇二元混合熔鹽，其組成是KNO3：NaNO2的質量比為40：60，此熔鹽的初始熔融溫度為 221℃，并且在低于600℃的溫度下都具有良好的熱穩定性，并可以通過加入添加劑的方法來顯著減小上述二元混合熔鹽的熔點，并依然維持混合熔融鹽的良好穩定性，某些情況下還可以有效提升熔鹽使用溫度的上限。對于未來的光熱發電領域還將出現性能更優的熔鹽混合物來實現傳熱及蓄熱的功能，采用這類熔鹽混合物可以滿足更高溫度的儲能需求，使發電量明顯提升；并且可以獲得更低的熔點，從而降低固化過程所消耗的能量。

（1）雙罐熔鹽蓄熱系統

從圖1中可以看到采用槽式聚光導熱油傳熱方式的熔鹽雙罐蓄熱系統運行流程。該系統的運行原理是處于白天光照充分的情況下，經過槽式集熱管加熱之后的高溫導熱油一方面可以對蒸汽發生器內的水進行加熱生成蒸汽后再進行發電，另一方面高溫導熱油還可以對熔鹽換熱器內的低溫熔鹽進行加熱生成溫度更高的熔鹽再通過熱鹽罐將其蓄存起來。到了夜晚沒有光照的情況下，流過蒸汽發生器內的低溫導熱油將會在熔鹽換熱器內被高溫熔鹽進行加熱而變為高溫導熱油，之后通過蒸汽發生器生成蒸汽的方式來完成發電的目的。

（2）雙罐顯熱蓄熱系統

如圖2所示，是槽式太陽能熱電站的雙罐蓄熱系統。可以發現，此蓄熱系統內的熔鹽一方面可以起到傳熱功能，同時也可以實現蓄熱的目的。其工作的具體方式為處于白天具有充足太陽的情況下，低溫熔鹽將從冷鹽罐內抽出并到達槽式真空管集熱器中，吸熱后轉變為高溫熔鹽并被儲存于熱鹽罐內，還有一部分高溫熔鹽將從熱鹽罐內被抽出后到達蒸汽發生器內對水進行加熱形成水蒸氣再對汽輪機進行驅動發電，當蒸汽發生器內的高溫熔鹽完成放熱之后將變成低溫熔鹽并進入冷鹽罐內。相對于以導熱油為介質的蓄熱系統，采用此蓄熱系統可以實現更少數量的二次換熱器，使系統整體結構復雜性得到降低，明顯減小系統的運行成本。而選擇熔鹽作為傳熱介質時能夠有效克服導熱油只能承受最高400℃的溫度上限，使蒸汽發生器內的傳熱介質溫度上升高達500℃，顯著優化汽輪機的進口參數，促進發電效率的提升。

1.2 導熱油蓄熱儲能技術

用于光熱發電領域的導熱油應選擇化學合成的導熱油類型，發生劣化后還能經再生處理實現重復利用的過程，有效降低運行成本。選用何種導熱油應結合實際使用工況來確定。

（1）二苯醚與聯苯組成的混合物

進行光熱發電時所使用的導熱油溫度介于 350～400℃之間，根據耐熱性要求應使用二苯醚與聯苯組成的混合物，同時利用膨脹槽進行加壓之后再將其用于液相系統。采用化學合成方法得到的導熱油是由聯苯和二苯醚混合形成的產物，因為在苯環結構上不存在烷烴側鏈基團，因此可以實現良好的耐熱性。同時考慮到這種混合物的凝固點是12℃，因此對于氣溫較低的情況需為配管、儀器、貯槽、儀表配備專門的防凍保護結構。

（2）氫化三聯苯

在循環系統的導熱油溫度介于300～350℃ ，因此可使用氫化三聯苯作為導熱介質，通常可將其應用于常壓條件下的膨脹槽中。采用化學合成方法得到的導熱油是由3個苯環相互連接形成的三聯苯結構，加入了結合氫，同時存在局部開環的一類化合物。其中，結合氫可以減小三聯苯的熔點，例如，對位氫化三聯苯的熔點約為211℃， 同時氫化率的高低也會對化合物化學穩定性與物理性能參數產生較大影響。通常，當氫化率低于25%時在常溫下是一種固體狀態，可以將氫化率設定在25%～40%的合理范圍內，從而獲得最優的熱穩定性。

（3）二苯甲基二甲苯

為了適應冬季寒冷條件下的光熱發電要求，對于導熱油循環系統溫度范圍介于300～350℃之間時，可使用二苯甲基二甲苯作為導熱介質，也是在常壓膨脹槽內使用。對甲苯進行加成反應可以得到二苯甲基型，該化合物的苯環外側連接了一個甲基。二苯甲基甲苯型的沸點高達 390℃，可以滿足良好的耐熱性要求，并在-60℃時開始凝固，表現出優異的耐低溫性能，完全能夠滿足冬季嚴寒區域的使用要求。二苯甲基甲苯存在多種同分異構體，各類異構體的混合比例對于導熱油耐高低溫與應用穩定性都具有顯著影響。

2 光熱發電站中的熔鹽蓄熱儲能應用情況

西班牙 Torresol ENergu 公司構建得到了功率為50MW的槽式光熱電站，所使用的蓄熱載體是熔鹽，同時以化學合成得到的導熱油作為吸熱循環載體。利用太陽能槽式聚光器把低溫導熱油升溫至400℃，把導熱油的所有并聯分管相互連結并匯集至一個總管中，將其中一部分導熱油用于發電，另一部分導熱油用于儲熱，到了晚上無太陽的情況下利用儲熱能來推動蒸汽輪機工作以實現繼續發電的目的。槽式拋物鏡擁有50萬m2的面積，能夠高效聚焦太陽能。此光熱發電站可以實現1.7億kWh的年發電量，即使不采用儲熱技術也可以實現1.15億kWh的年發電量。

3 熔鹽蓄熱儲能技術分析

3.1 熔鹽蓄熱儲能的循環系統設計

在光熱發電站中存在冷熔鹽與熱熔鹽兩類儲罐，當系統開始工作時，首先輸送泵把冷熔鹽儲罐中的熔融鹽傳輸至集熱器中，從外部吸收熱能之后完成升溫過程并到達熱熔鹽儲罐內，之后熱熔鹽儲罐內的高溫熔融鹽開始流入蒸汽發生器中，對冷水進行加熱形成過熱蒸汽，推動蒸汽渦輪機運動并實現發電的功能，當熔融鹽的溫度下降后便會重新流回至冷熔鹽儲罐內。

3.2 熔鹽儲罐結構設計

熔鹽儲罐的直徑與高度主要根據熔鹽的實際存儲容量需求來確定，儲罐壁厚根據薄壁圓筒壁厚公式進行計算得到。對儲罐壁厚進行設計時還需分析風壓、地震等自然因素的作用，這些因素會引起壁板的失穩現象，因此為了避免以上問題的發生需為儲罐外側設置加強圈或適當提高壁板厚度。采用雙面對接焊的方法制作儲罐壁板，對縱向接頭進行全焊處理，按照儲罐直徑來選擇上部的包邊角鋼規格。為熔鹽的儲罐頂部設置圓錐頂形式，對于直徑在10m以下的儲罐，需通過頂板來支撐罐頂圓錐，應將頂板設置成與直徑平行的排列形式，遇到較大的坡度情況時，應選擇射線狀的支撐型圓錐頂。對于直徑介于10～30m之間的熔鹽儲罐，應選擇柱式圓錐頂結構。對罐體結構進行強度計算時，根據梁彎曲理論來設計柱體結構，確保能夠有效承受罐頂自重的作用以及其它附加載荷的影響，保證柱體達到良好的穩定性能。同時為避免頂板支承構件發生旋轉的情況，應利用拉桿連接最外圈的支柱。對于直徑超過30m的熔鹽儲罐，應選擇桁架型的圓錐頂結構。各結構的強度計算方式與之前一樣，確保能夠有效承受罐頂自重的作用以及其它附加載荷的影響，使梁獲得良好穩定性。同時，為避免受到橫向載荷作用后出現旋轉的現象，應設置專門的斜撐保護結構，并且頂角要能夠充分承受桁架產生的載荷。為盡量減小熔鹽熱量損耗，應使用具備良好隔熱性能的保溫材料。對于熔鹽儲罐應選擇石棉與酸鋁纖維交疊的保溫結構。為尺寸較小的儲罐設置保溫層時需通過鍍鋅鐵絲以Y型錨釘的方式進行固定，當儲罐直徑較大時應通過鍍鋅鐵絲網與鋼帶完成固定。同時為儲罐加裝鍍鋅鐵皮外防護層。

4 結語

在光熱發電系統中采用熔鹽蓄熱儲能技術可以實現太陽能熱發電站的持續運行目的，克服了夜間無太陽能可用的問題，充分適應了天氣變化所造成的影響，這使得太陽能光熱發電的運行可控性得到了極大提升。本文采用熔鹽蓄熱儲能循環技術可以有效減小光熱電站運行成本，獲得更高的經濟效益。