槽式太陽能熱發電雙罐式熔融鹽間接儲熱系統設計研究

中國電力工程顧問集團華北電力設計院工程有限公司 ■ 田增華 張鈞

一 引言

隨著美國和西班牙多個槽式太陽能熱發電站的商業運行，該發電技術的可靠性已被證實，其在我國西部和北部等太陽能資源較好地區具有廣闊的商業化前景。槽式太陽能熱發電技術由多個拋物面聚光器陣列組成太陽能集熱場，將太陽直接輻射聚焦到集熱管加熱傳熱流體，傳熱流體進而與水換熱產生蒸汽，驅動汽輪機組發電。其原理如圖1所示。

雖然太陽能是巨大的能源寶庫，但到達地球表面的太陽輻射能量密度卻很低，而且受地理、晝夜和季節等規律變化的影響，以及陰、晴、云、雨等隨機因素的制約，其輻射強度也不斷發生變化，具有顯著的稀薄性、間斷性和不穩定性。為了更好地成為一種優質的替代能源，提高系統發電效率，提高系統發電的穩定性和可靠性，降低發電成本，在太陽能熱發電中，需要設置熱能存儲(TES, thermal energy storage)裝置，在太陽能不足時將儲存的熱能釋放出來以滿足發電需求。儲熱系統作為太陽能熱發電站的組成部分，對電站連續、穩定發電發揮著重要作用。太陽能熱發電站的儲熱系統可以在太陽輻射正常時儲熱，而在輻射不足時放出熱來供給汽輪機運轉發電，起到功率緩沖的作用；另一方面，一天之中，中午日照強，早晚日照弱，在夜晚則不能用太陽能發電，而儲熱系統可以把白天太陽輻射的能量以熱能的形式儲存起來，到了晚上釋放出來進行熱發電，這樣可以起到削峰填谷的作用[1]。

儲熱技術是合理有效利用現有能源、優化使用可再生能源和提高能源效率的重要技術。儲熱技術主要應用于以下三個方面[2]：(1)在能源的生產與其消費之間提供時間延遲和保障有效使用；(2)提供熱惰性和熱保護(包括溫度控制)；(3)保障能源供應安全。

太陽能熱發電優于光伏發電的一大特點就是能采用經濟的儲熱技術，而蓄電則相對昂貴。太陽能熱發電系統中采用儲熱技術的目的是為了降低發電成本，提高發電的有效性，它可以實現[2]：(1)容量緩沖；(2)可調度性和時間平移；(3)提高年利用率；(4)電力輸出更平穩；(5)高效滿負荷運行等。

二 槽式太陽能熱發電系統儲熱形式選擇

現階段實驗用的太陽能儲熱主要有三種形式，顯熱儲熱、潛熱儲熱和化學反應儲熱。根據儲熱材料的使用特點，無論屬于哪一類，一般都要滿足以下幾點要求[3,4]：(1)儲熱密度大；(2)穩定性好；(3)無毒、無腐蝕、不易燃易爆，且價格低廉；(4)導熱系數大，能量可以及時地儲存或取出；(5)不同狀態間轉化時，材料體積變化要小；(6)合適的使用溫度。

儲熱技術可分為直接儲熱和間接儲熱兩大類。直接儲熱系統的特點是采用強制對流換熱將熱量傳遞給儲熱介質，并且儲熱介質自身在換熱器內循環。間接儲熱系統的主要特點是傳熱流體與儲熱介質為不同介質，在儲熱過程中，來自于吸熱器的傳熱流體將熱能傳遞給儲熱介質，而放熱過程中，換熱流體從儲熱材料吸取熱量，儲熱介質可以是固體、液體或相變材料，自身不參與循環。

1 顯熱儲熱

顯熱儲熱是通過提高儲熱介質的溫度來實現熱存儲，是三種熱能存儲方式中原理最簡單、技術最成熟的，被廣泛應用于太陽能熱發電的高溫儲熱系統，根據儲熱介質的物理特性分為液體顯熱儲熱、固體顯熱儲熱及固體/液體雙介質顯熱儲熱。

(1)液體顯熱儲熱

常用的液體顯熱儲熱介質為導熱油和熔融鹽，該系統較典型的儲熱形式為采用熔融鹽作為儲熱介質的雙罐式儲熱系統，這種儲熱方式被成功應用在西班牙Andasol電站，其儲熱容量為汽輪機組滿發7.5小時。

(2)固體顯熱儲熱

當換熱流體的熱容非常低時，如采用空氣，固體僅僅作為儲熱材料。固體材料作為儲熱材料，常以填充層的形式堆放，需要與換熱流體進行交換熱量。固體顯熱儲熱的主要方式有：砂石混凝土；玄武巖混凝土；耐高溫混凝土；澆注料陶瓷。

(3)固體/液體雙介質顯熱儲熱

雙介質儲熱系統的一個優點是成本較低，如采用便宜的諸如巖石、沙子或混凝土固體和較為昂貴的換(儲)熱流體(如儲熱油)作為儲熱介質。然而雙儲熱系統的壓降或寄生能量損失較大，這在雙介質儲熱系統設計中必須考慮。

2 潛熱儲熱

潛熱儲熱是利用儲熱介質發生相變時吸收或放出熱量來實現能量的儲存，具有儲熱密度大、充放熱過程溫度波動范圍小、結構緊湊等特點，例如PS10塔式電站即采用飽和汽/水儲熱器。目前，太陽能高溫潛熱儲熱技術應用于太陽能熱發電站還處于實驗室研究階段，相變材料的高溫性能有待于進一步驗證。

3 化學反應熱儲熱

化學反應熱儲熱是通過化學反應的反應熱進行儲熱，具有儲能密度高、可以長期儲存等特點。這是一種非常有潛力的高溫儲熱方式，且成本有可能降至相對較低的水平。該方式在理論上可以滿足太陽能熱發電的要求，對于能否滿足太陽能熱發電系統動力要求，以及如何與發電系統結合的問題還處于實驗室研究階段。

4 儲熱形式及儲熱介質選擇

槽式太陽能熱發電帶儲熱系統通常有兩種形式[5]：圖3的槽式系統常采用合成油作為傳熱流體(HTF)，熔融鹽作為顯熱儲熱材料，導熱油與儲熱材料之間有導熱油——熔融鹽換熱器，這種布置稱為間接儲熱系統。圖4的槽式系統采用熔融鹽既作為傳熱流體又作為顯熱儲熱材料的方式，無導熱油——熔融鹽換熱器，這種布置稱為直接儲熱系統。后者的優點是可以減少一個換熱步驟，避免了傳熱流體與儲熱材料之間的不良換熱，而且適用于400℃～500℃的高溫工況。但后者也面臨一個問題：槽式太陽能熱發電系統的集熱場采用的是平面布置，且管道多，管內的傳熱流體不容易排出，又由于熔融鹽的凝固點通常高于120℃，當采用熔融鹽作為傳熱流體時，就得使用保溫和伴熱的方法防止熔融鹽凝固，這樣導致初期投資與運行維護成本過大；以前也選用礦物油作為傳熱流體和儲熱材料時，不存在凝固問題，但由于礦物油的溫度不能高于300℃，否則易分解，這樣限制了槽式系統的工作溫度不能超過300℃，導致效率比較低；當然也可以選用合成油作為傳熱流體和儲熱材料，但其價格沒有熔融鹽那么便宜，實際工程應用中不用于儲熱材料，而且合成油的溫度也不能高于400℃，這自然也限制了槽式系統的工作溫度不能超過400℃。

熔融鹽儲熱技術在太陽能熱發電系統中占有十分重要的地位，它關系著系統運行的穩定性和可靠性。熔融鹽與導熱油相比，可在相近的工作壓力下獲得更高的使用溫度，且耐熱穩定性好，其傳熱系數是其他有機載體的兩倍，而且使用溫度在600℃以下時，幾乎不產生蒸汽。因此，穩定性好、價格低廉、熔點合適的熔融鹽是儲熱技術發展的重點。目前，可作為槽式太陽能熱發電儲熱介質的熔融鹽主要有太陽鹽、Hitec和Hitec XL 三種，其性能及成本比較見表1[2,6]。太陽鹽為60%NaNO3和40%KNO3的混合鹽，因為其在600℃時具有非常好的熱穩定性、低造價、對普通材質管道及閥門的較好的兼容性及較好的儲熱性能最早被應用在美國Solar 2塔式電站中[7]，目前則被廣泛應用于槽式太陽能熱發電儲熱系統中；Hitec熔融鹽為7%NaNO3、53%KNO3和40%NaNO2的混合鹽，在450℃時具有很好的熱穩定性，其可在短期內用在535℃溫度下，但其在使用時需要進行氮氣保護，以防止Hitec熔融鹽在高溫下亞硝酸鹽轉變為硝酸鹽[8]；Hitec XL熔融鹽為45%KNO3、48%Ca(NO3)2和7%NaNO3的混合鹽，該種熔融鹽在最初裝入系統時，需先將其溶解在水中，將溶液注入系統，然后加熱蒸發掉水分，該熔融鹽具有120℃的凝結溫度，并在500℃時也具有較好的熱穩定性[7]。通過對三種熔融鹽的性能及價格比較，太陽鹽凝固點高于其他兩種熔融鹽，但在儲熱系統需要大量熔融鹽量時，太陽鹽較其他兩種熔融鹽具有一定的成本優勢，因此太陽鹽更被廣泛的應用于槽式太陽能熱發電站儲熱系統中。

表1 熔融鹽性質比較

三 熔融鹽儲熱介質的物理特性

目前被廣泛應用在槽式太陽能熱發電儲熱系統中的儲熱介質主要為硝酸鈉(NaNO3)和硝酸鉀(KNO3)的混合鹽，即太陽鹽，其中NaNO3與KNO3混合的質量比例約為6:4。儲熱時熔融鹽的溫度將加熱至約385℃，放熱時，系統的熔融鹽將冷卻到約292℃，在兩種情況下，熔融鹽都為液態。

該混合熔融鹽可使用在260℃～621℃溫度范圍內，隨著溫度的降低，混合鹽在221℃出現凝固，在238℃出現結晶現象，根據混合鹽各組分的平均潛熱可得到混合鹽潛熱約為161kJ/kg。混合熔融鹽基本物理特性隨溫度變化情況見表2[9]。

雖然NaNO3和KNO3按6:4配比的工業級混合鹽被廣泛應用于槽式太陽能熱發電儲熱系統中，但其配比份額并非固定不變，其配比份額可在6:4基礎上發生變化，但需要在工程設計開始重新對混合鹽的各種性質進行測量與計算。

混和鹽的硝酸鹽純度要保證在98%以上，其他雜質需要滿足以下要求：氯離子(Cl?)最大濃度應小于0.6%；其他硝酸鹽(NO3?)雜質濃度小于1%；碳酸鹽(CO3?)濃度小于0.1%；硫酸鹽(SO4?)濃度小于 0.75%；氫氧化物(OH?)濃度小于0.2%；高氯酸鹽濃度小于0.25%；鎂濃度小于0.05%。

四 儲熱系統設備選擇

槽式太陽能熱發電雙罐式熔融鹽儲熱系統是由儲存罐、泵、換熱器和管道構成一個封閉的系統，主要包括6個單元：低溫熔融鹽儲罐；低溫熔融鹽泵；高溫熔融鹽儲罐；高溫熔融鹽泵；熱油系統換熱器；硝酸鹽倉儲。

這種配置中，來自太陽集熱場的導熱流體(HTF)流向換熱器，熱能傳遞給來自低溫熔融鹽存儲罐的熔融鹽。熔融鹽接受熱能，溫度提高，并積累在高溫熔融鹽存儲罐中。在晚上或太陽輻射降低的情況下，儲熱過程將逆過程運行，來自高溫熔融鹽存儲罐的熔融鹽將被泵送，經過換熱器，在那里熔融鹽將熱能傳遞給冷的導熱油(HTF)。熱流體溫度升高，而冷卻的熔融鹽將再次返回低溫熔融鹽存儲罐中。

1 熔融鹽罐體

熔融鹽罐為太陽能高溫集熱儲熱系統的主要部件，其性能的優劣直接影響了整個儲熱系統的成敗，其主要起三個作用[10]：

(1)儲熱作用。當陰天或者太陽光照不強時，可以利用罐內的熔融鹽維持系統繼續運行幾個小時。

(2)緩沖作用。當有云層經過集光器上面時，太陽能高溫吸熱器將停止工作，在重新啟動前的幾分鐘時間里面，可以利用高溫罐內的熔融鹽維持系統正常運行。

(3)支撐熔融鹽泵。熔融鹽泵為立式泵，需要安裝固定在低溫熔融鹽罐的頂部。

由于選擇的儲熱介質為高純度NaNO3和KNO3的混合物，其中伴隨的雜質(如Cl?)較少，根據國外太陽能槽式太陽能熱發電儲熱罐設計制造經驗，罐體設計采用碳鋼即可。

熔融鹽罐的設計關鍵在于熔融鹽罐基礎設計。熔融鹽罐基礎一般采用混凝土基礎，但在罐體與混凝土之間需要增加多層隔熱層，并設置空氣冷卻管道，以防止高溫的熔融鹽罐體對混凝土基礎造成的損害。

熔融鹽罐的容積主要包括系統所用熔融鹽的體積、熔融鹽泵液下部分所占的體積、頂蓋下保溫包所占體積以及熔融鹽罐容積裕量三部分。

熔融鹽罐中的熔融鹽溫度需始終在凝固點以上，使罐內達到熔融鹽始終處于熔化狀態，因此要求熔融鹽罐的保溫效果一定要好，同時需要設置相應的電伴熱系統，防止在低溫情況下熔融鹽凝結。

2 熔融鹽泵

槽式太陽能熱發電儲熱系統中低溫熔融鹽泵作用是在儲熱系統儲熱階段，將低溫熔融鹽從低溫熔融鹽罐中吸出，在熔融鹽——導熱油換熱器中與高溫導熱油(～393℃)進行換熱，將低溫熔融鹽加熱至約385℃，并儲存在高溫熔融鹽罐中；高溫熔融鹽泵作用是在儲熱系統放熱階段，將高溫熔融鹽從高溫熔融鹽罐中吸出，在熔融鹽——導熱油換熱器中加熱低溫導熱油(～296℃)，高溫熔融鹽被冷卻至約292℃，并儲存在低溫熔融鹽罐中。目前使用較為廣泛的為立式泵，熔融鹽泵形式如圖6所示。

熔融鹽泵的選型主要決定兩方面的參數：流量和揚程。在整個熔融鹽循環回路中，泵的揚程主要取決于流體在管內的流動阻力和吸熱器高度引起的重力勢能；流量的選取則要根據儲熱系統在儲熱階段和放熱階段的熔融鹽設計流量及泵設置的臺數決定，同時考慮一定的容量裕度。

由于熔融鹽泵輸送介質為混合熔融鹽，工作溫度在292℃～385℃，混合熔融鹽中所摻雜的雜質對金屬有腐蝕性，因此對泵的材質及密封系統有特殊要求。

3 熔融鹽——導熱油換熱器

熔融鹽——導熱油換熱器作為儲熱系統中關鍵設備，其應具有高換熱效率、大換熱面積和結構緊湊的特點。目前廣泛采用的熔融鹽——導熱油換熱器主要有板式和管殼式兩種形式，導熱油與熔融鹽采用不接觸式換熱。

因為用于傳熱導熱油和熔融鹽的溫度端差是有限的，而槽式太陽能熱發電熱力循環的效率又是一定的，因此在熱儲存系統中，循環介質的流量較大，因此該換熱器應具有較大的換熱面積和較高的換熱效率。

在熔融鹽側和油側進口處應設置濾網，確保不會讓固體雜質流入換熱器流道。

4 儲熱系統設備布置形式

通常槽式太陽能熱發電儲熱系統設置兩個熔融鹽儲罐，高溫熔融鹽儲罐運行溫度約385℃，低溫熔融鹽儲罐運行溫度約292℃。

設置若干臺高溫熔融鹽泵和低溫熔融鹽泵，高溫熔融鹽泵和低溫熔融鹽泵均采用立式泵型式，分別布置在高溫熔融鹽儲罐和低溫熔融鹽儲罐的罐頂。同時，高溫熔融鹽泵和低溫熔融鹽泵各至少設置1臺備用泵。

在兩儲罐間布置換熱器，并考慮采用換熱器架高布置方式，這是為了有效降低冷、熱熔融鹽泵的揚程以及能夠在由于出現緊急故障工況泵停止工作時可以依靠重力作用將換熱器中的熔融鹽回流至熔融鹽儲罐內。若采用換熱器低位布置方式，則需要設置相應的疏鹽系統，在儲熱系統停運時將換熱器及管道內的熔融鹽由疏鹽系統打回熔融鹽罐內，以防止熔融鹽在管道或設備內凝結。疏鹽系統需要相應配置緊急電源。

五 儲熱系統運行模式

當太陽集熱場的太陽能熱產出超過設定需求，或者常規島汽輪機達到最大負荷時，這時開始儲熱模式。來自太陽集熱場的導熱流體(HTF)流向儲熱系統換熱器，熱能傳遞給來自低溫儲罐的熔融鹽。熔融鹽接受熱能后溫度提高，積累在高溫儲罐中。

在儲熱模式下，控制策略為監控蒸汽發生器出口及汽輪機入口的主蒸汽參數(壓力、溫度)額定時，流量滿足汽輪機滿負荷發電時，儲熱模式開始運行。

在太陽輻射降低的情況下放熱模式時，儲熱過程將逆過程運行，來自高溫儲罐的熔融鹽將被泵送至儲熱換熱器，在那里熔融鹽將熱能傳遞給冷的導熱油(HTF)，而冷卻的熔融鹽將再次返回低溫儲罐中。

在放熱模式下，控制策略為監控蒸汽發生器出口及汽輪機入口的主蒸汽參數(壓力、溫度)額定時，流量一旦低于汽輪機滿負荷發電時，放熱模式開始運行。當放熱模式給出的熱量不足以滿發時，進入汽輪機部分負荷發電，直到停機。

六 結論

目前，槽式太陽能熱發電技術在太陽能熱發電技術中發展最為成熟，同時商業運行電站也最多。儲熱技術作為槽式太陽能熱發電系統中一種重要技術，對于增加電站上網電量、提高系統發電穩定性和可靠性具有重要意義。根據各種熔融鹽的物性參數及成本比較，對于采用60% NaNO3和40% KNO3配比的混合鹽作為儲熱介質的雙罐式熔融鹽間接儲熱形式是最有前途也是目前應用最為廣泛的槽式太陽能熱發電系統儲熱技術，并且已在西班牙Andasol槽式太陽能熱發電站中得到成功應用。同時，在下一階段應該結合我國槽式太陽能熱發電實際工程和電網用電峰谷特點，通過技術經濟比較提出最為合理和經濟的儲熱容量及儲熱時間，為槽式太陽能熱發電系統儲熱技術的發展打下堅實基礎。

[1] 朱教群, 李圓圓, 周衛兵, 林寧.太陽能熱發電儲熱材料研究進展[J].太陽能, 2009, (4):29－29.

[2] 左遠志, 丁靜, 楊曉西.蓄熱技術在聚焦式太陽能熱發電系統中的應用現狀[J].化工進展, 2006, 25(9): 995－995.

[3] 刑玉民，崔海亭，袁修干.高溫熔鹽相變儲熱系統的數值模擬[J].北京航空航天大學學報, 2002, 28(3): 295－295.

[4] 林怡輝.有機——無機納米復合相變儲熱材料的研究[D].華南理工大學, 2001.

[5] Doug A Brosseau, Paul F Hlava, Michael J Kelly.Testing Thermocline Filler Materials and Molten-Salt Heat Transfer Fluids for Thermal Energy Storage Systems Used in Parabolic Trough Solar Power Plants.SAND2004-3207, Sandia National Laboratories,Albuquerque, New Mexico, 2004, (6).

[6] D W Kearney, Ulf Herrmann.Engineering Evaluation of a Molten Salt HTF in a Parabolic Trough Solar Field.

[7] James E.Pacheco, Steven K.Showalter, William J.Kolb.DEVELOPMENT OF A MOLTEN-SALT THERMOCLINE THERMAL STORAGE SYSTEM FOR PARABOLIC TROUGH PLANTS.[A] Proceedings of Solar Forum 2001.Solar Energy: The Power to Choose, Washington.DC.April 21-25, 2001.

[8] Robert W.Bradshaw and Nathan P.Siegel MOLTEN NITRATE SALT DEVELOPMENT FOR THERMAL ENERGY STORAGE IN PARABOLIC TROUGH SOLAR POWER SYSTEMS.Proceedings of ES2008.Energy Sustainability 2008, Jacksonville, Florida USA.August 10-14, 2008.

[9] Alexis B Zavoico.Solar Power Tower.SAND2001-2100, Sandia National Laboratories, Albuquerque, New Mexico,2001,(6).

[10] 朱建坤.太陽能高溫熔鹽傳熱蓄熱系統設計及實驗研究[M].北京工業大學工程碩士論文.2006.