太陽能化石燃料熱互補發電系統

■ 王康 張娜 韓巍

(1.中國科學院工程熱物理研究所；2.中國科學院大學)

0 引言

由于太陽能能源利用率，低造成太陽能熱發電成本高的科技難題一直是限制和阻礙太陽能熱發電系統廣泛應用的重大瓶頸。具體原因有兩點：第一，太陽能輻射能量密度低，空間分布不均勻，時間分布不恒定造成輸出電量不穩定和儲能困難；第二，太陽能集熱過程與能量傳遞轉化過程存在嚴重能的品位不匹配的關鍵科學問題。太陽能聚光集熱效率隨著集熱溫度的提高而下降，但由工程熱力學基本原理可知，熱機工質溫度越高，熱功轉換效率就越高，所以1000 ℃以上的高溫集熱都有著投資成本高、設備復雜和光熱轉換效率低等缺陷[1]。

不論是基于太陽能熱能，還是基于煤炭、天然氣等化石燃料的單一發電系統，在能源利用過程中都存在自身系統難以解決的難題。而將太陽能利用方式和化石燃料利用方式集成的太陽能化石燃料互補不僅吸收了兩種能源利用的優點，還能克服上述兩種單一能源系統自身的難題。換言之，太陽能化石燃料互補發電系統是解決太陽輻射不穩定、功熱轉換效率低等難題，減小化石燃料消耗，降低有害物質和溫室氣體的排放量，實現“共贏”的節能型、低碳型的新型發電系統。

太陽能與化石燃料互補目前有兩種互補耦合方式：熱互補和化學互補。熱互補是指將太陽能聚集轉換成熱量后，以熱量的形式參與發電系統中各熱量傳遞環節，涉及到的物質變化都是在物理范疇內。而熱化學互補，是指借助熱能轉換方法和熱化學反應過程，將所聚集的太陽能通過驅動某些吸熱的化學反應(如化石燃料水解、重整、裂解等)轉化為生成物(通常為合成燃料)的化學能，然后進一步在發電子系統中實現熱功轉換。本文主要對熱互補方式進行綜述概括。

早期的熱互補方式主要是指以太陽能為主、化石能源作為輔助功能的太陽能熱發電系統，只是在當太陽輻射不足時，化石燃料作為備用能源維持系統正常運行或用于過熱水蒸汽，改善工質熱力參數以提高發電量。化石燃料輔助的主要目的是為了增強太陽能熱發電系統工作的穩定性和連續性，同時提高輸出功和總熱功效率。而現階段熱互補更多出現在以化石能源為主的化石能源發電系統，化石能源發電系統形式的多樣化使作為輔助作用的太陽能熱互補的方式多種多樣，主要是為了將太陽能高效率、低代價地集成在化石能源發電系統，從而達到減少化石燃料的消耗和CO2排放[2-3]的目的。

1 太陽能與化石燃料熱互補發電系統

太陽能與化石燃料熱互補發電系統與獨立的太陽能熱發電系統相比，聚光集熱子系統與儲熱子系統是相同的，熱功轉換子系統因為增加了互補環節而變得更復雜、更多樣化。太陽能與化石燃料熱互補發電系統種類繁多，目前比較常見的有兩種分類方法。

第一種是以所集成的主要熱力循環類別為依據劃分為：1)太陽能熱互補的朗肯循環(汽輪機)；2)太陽能熱互補的布雷頓循環(燃氣輪機)；3)太陽能熱互補的聯合循環；4)太陽能熱互補的狄塞爾循環(柴油機)；5)太陽能熱互補的斯特林循環等。

第二種分類是以太陽能注入動力系統的部位為依據劃分為：1)在燃氣輪機燃燒室進口前預熱被壓縮的空氣；2)加熱燃氣透平排氣，再流進余熱鍋爐；3)加熱蒸發蒸汽機循環中的高壓蒸汽或過熱中低壓蒸汽；4)預熱蒸汽輪機循環給水；5)加熱蒸發產生蒸汽并注入汽輪機循環[1]。

以下分別對第一種分類中前3類發電系統進行工作流程的介紹和熱互補過程的概述。

1.1 太陽能與化石燃料熱互補的朗肯循環發電系統

常見的朗肯循環以工質不同劃分為有機朗肯循環和蒸汽朗肯循環，與之相匹配的太陽能和導熱介質也相應有所不同。有機物在太陽能熱力循環中一般扮演兩種角色，一種是自己充當做功工質，參與熱力循環，稱為有機朗肯循環；另一種是作為導熱油，將熱能傳遞給做功工質，多用于蒸汽朗肯循環。

1.1.1 太陽能化石燃料互補的有機朗肯循環發電系統

有機朗肯循環是采用低沸點的有機工質(R113、R123)代替水，吸收熱源熱量，在低溫條件下獲得較高蒸汽壓力，推動透平做功，因為其效率高、適用性強、簡易方便、使用壽命長、維修費用低的優點，近年來一直是太陽能熱發電領域研究的熱點。利用平板集熱器收集到低于100 ℃低品位的太陽能就能使其以較高的熱效率(14%左右)工作。例如，在蒸發溫度為90 ℃時，以R245為循環工質系統的熱效率和效率分別可達12.38%和61.57%[4]。圖1是一種典型帶蓄熱裝置的太陽能ORC系統圖[5]。有機物種類繁多，在選擇有機工質時不僅要根據工作的溫度、壓力條件來考慮其比熱容和汽化潛熱，也要考慮到安全性和環保性。

圖1 一種典型的太陽能有機朗肯循環系統圖

輔助鍋爐是在太陽能輻射強度較低時啟用，保證進入過熱器中的導熱油能使系統正常工作。此系統主要依靠化石燃料和太陽能熱在數量上的互補，借助有機工質良好的熱物性能將低品位的低溫太陽能通過汽輪機高效率、穩定、安全地轉換成高品質的輸出功。當太陽輻射不足或出現較大波動時，可啟動輔助鍋爐來保證系統穩定輸出功。

1.1.2 太陽能化石燃料互補的蒸汽肯循環發電系統

1) 閉式的互補蒸汽肯循環發電系統

因為具有抗熱裂化、抗化學氧化、傳熱效率好、散熱快和熱穩定性強的良好性能，導熱油在太陽能熱發電發展的初期就得到了廣泛應用。在槽式發電系統，戊烷和異丁烷是很常見的導熱油。導熱油作為熱量傳輸介質，在蒸汽發生器里與給水進行換熱，將200～300 ℃低品位的太陽熱能轉換成蒸汽的內能，最終以高品位的機械功輸出來。水蒸汽進入余熱回收系統，在與燃氣輪機排氣傳熱過程中兩側溫差減小，不可逆損失大幅降低。顯然，太陽能聯合循環與傳統的聯合循環相比，不僅因為引入的太陽能而節省了化石燃料的消耗量，還因為減小余熱回收系統中傳熱溫差而降低換熱不可逆損失，從而提高了化石燃料的效率。

預熱汽輪機循環給水和過熱水蒸汽是常見、操作簡單、行之有效地提高朗肯循環熱效率的方式。將太陽能與常規的火力發電廠進行聯合，集熱器收集的太陽能代替從蒸汽機里抽汽來預熱、蒸發汽化汽輪機循環給水和過熱水蒸汽。應用這種加熱方式可看作是太陽熱能加熱回路與朗肯循環系統給水回熱“并聯”相連，各自保持相對獨立性，屬于閉式的互補方式[6]。圖2是一種太陽能預熱汽輪機給水系統，經計算，這種系統能使太陽能熱電轉換效率大幅提升，循環熱效率提高了5.2%，化石燃料消耗量降低了12%，太陽能凈發電效率提高至16.9%[7]。

圖2 一種太陽能化石燃料熱互補閉式的互補朗肯循環發電系統圖

2)開式的互補蒸汽肯循環發電系統

相對于閉式而言，開式的互補朗肯循環發電系統是指水取代導熱油，流經太陽能集熱器，被400 ℃左右的太陽能加熱汽化后直接進入汽輪機膨脹做功。這種產生蒸汽的方式叫做太陽能直接產生蒸汽(DSG)。從熱力循環的角度來看，集熱器代替了朗肯循環中的鍋爐，直接將液態水加熱成水蒸汽，流經過熱器后進入透平做功，太陽輻射不足時，啟用輔助鍋爐來加熱。太陽能聚光集熱子系統與熱功轉換子系統緊密相連，形成不可拆分的整體。

基于DSG的太陽能化石燃料互補的朗肯循環發電系統也因為投資成本低、熱利用率高等優點不僅可取代鍋爐單獨以朗肯循環形式存在，還可以朗肯循環與其他熱力循環構成新型的聯合循環(DSG-ISCC)。DSG技術也存在缺陷，集熱器中水受熱后會存在氣液兩相流，導致系統不穩定，降低系統性能。很多學者對此展開深入研究，提出一次通過、逐次注入、再次循環3種方式(圖3)。

圖3 太陽能直接產生蒸汽的3種方式示意圖

圖4是一種太陽能化石燃料熱互補DSG朗肯循環發電系統圖，采用了再次循環方式的直接產生蒸汽的方式。循環水經水泵加壓后進入太陽能集熱器加熱汽化，將太陽能轉換成水蒸汽的潛熱，經過過熱器過熱后進入蒸汽透平，最終轉換成電能。其與獨立的太陽能熱發電系統和閉式熱互補朗肯循環發電系統相比主要有兩個優勢：一是減除了導熱油－水換熱回路，消除了熱損失，提高了系統的轉換效率；二是價格較貴的導熱油在400 ℃容易分解，還要增添儲油裝置，火災預防設備，DSG技術節省了投資。美國南加州LUZ公司建造的9座電站中的SEGSIX電站就是DSG朗肯循環，聚光集熱器從以導熱油為載熱介質的LS-3改為以水為載熱工質的LS-4型，簡化了電站系統。Eck M等[8]對上述的開式熱互補發電系統熱力計算得出，與閉式系統相比，年平均光電轉換效率由14%提升到17%，系統的循環效率從38.4%提升至40%。可見，開式的互補朗肯循環發電系統不僅提高了太陽能的熱電轉換效率，還節省了化石燃料，整體提升了系統的性能，降低了投資成本。

圖4 一種太陽能化石燃料熱互補DSG朗肯循環發電系統圖

1.2 太陽能化石燃料熱互補的布雷頓循環發電系統

太陽能化石燃料熱互補的布雷頓循環發電系統通常是指集熱器收集太陽能預熱燃燒室入口的高壓空氣，然后進入燃燒室與燃料混合燃燒膨脹做功。太陽能被聚集后直接轉換成高壓空氣的顯熱，進入燃燒室和透平，與燃料釋放的高溫熱量一起變換成輸出功。本系統不僅因為太陽能直接轉換成高壓空氣的內能而提高光熱轉換效率，而且借助布雷頓循環使太陽能高效率地轉換成機械功，增大了系統輸出功[9]。

圖5是一種太陽能預熱空氣燃氣輪機循環系統圖。被壓縮后的空氣在太陽能接收器中被加熱至800～1000 ℃，這里采用的是塔式集熱方式，然后再進入燃燒室參與化石燃料燃燒，被加熱至約1300 ℃，最后進入透平膨脹做功。當太陽輻射不足或出現較大波動時，可調節燃燒室的燃料量來保證系統能穩定輸出功。Barigozzi G等[10]在對一系列不同功率的太陽能預熱空氣的燃氣輪機循環系統進行模擬計算得到以下結論：空氣預熱后引起其進入燃燒室時溫度增大，導致輸出功增大，其中太陽能占輸入能源份額年均可達30%，并使整個系統的化石燃料轉換電能的效率在夏季達到115%，在春秋達到110%，大幅節省了化石燃料的消耗量。如果配置儲能系統或增添底部朗肯循環，這一比例會更高。

圖5 一種太陽能化石燃料熱互補的布雷頓循環發電系統圖

1.3 太陽能化石燃料熱互補的聯合循環發電系統(ISCC)

燃氣輪機－蒸汽機聯合循環的頂循環(布雷頓循環)和底循環(朗肯循環)保持相對獨立性，兩者通過余熱鍋爐子系統相聯，所以前面介紹太陽能化石燃料在布雷頓循環和朗肯循環中熱互補耦合的方式都可應用在聯合循環。除此之外，聚集吸收的太陽能熱量還可根據溫度的不同注入在余熱鍋爐子系統的不同構成部分，形成多樣化的太陽能熱互補方式。

圖6為一種典型太陽能化石燃料互補的聯合循環系統圖。系統由槽式聚光集熱子系統、燃氣輪機－余熱鍋爐－汽輪機聯合循環子系統，以及輔助設備等組成。化石燃料在燃氣輪機的燃燒室中燃燒放熱產生高溫高壓的燃氣，然后流進燃氣透平膨脹做功，排煙進入余熱鍋爐回收熱量。循環給水在余熱鍋爐的省煤器中預熱后，流入與太陽能集熱器相聯的蒸發器，受熱成飽和水蒸汽又進入余熱鍋爐過熱，達到額定蒸汽參數后進入蒸透平做功，排汽在冷凝器中被冷凝后，又經循環水泵加壓進入鍋爐省煤器進行循環。Kelly B等[11]在對ISCC系統性能優化計算時，得到以下結論：ISCC系統不僅因為引入了太陽能而節省了化石燃料的消耗、降低了CO2的排放量，還通過聯合循環提高了太陽能的光電轉換效率。在太陽能占輸入能源份額年均12%時，太陽能的光電轉換效率在32%～33%之間，比獨立的太陽能熱發電系統高出十幾個百分點。

圖6 一種太陽能化石燃料熱互補的聯合循環發電系統圖

ISCC系統除了引入太陽能、節省化石燃料的消耗外，與獨立的太陽能熱發電系統相比，還有3個優勢：ISCC系統借助高效地聯合循環，使太陽能更高效率地轉換成高品質電能；就相同鏡場面積而言，對汽輪機進行擴容改造成本遠低于新建成本；通過調節頂循環化石燃料的流量來保證電量的穩定輸出。

2 兩種新型的太陽能化石燃料熱互補聯合循環發電系統(ISCC)

隨著對布雷頓－朗肯聯合循環的深入研究，不斷有學者們圍繞新技術、新工質與新原理提出結構新穎、效率更高的新型聯合循環。注蒸汽燃氣輪機(SIGT)循環是美籍華人程大酉首先提出的，在傳統的布雷頓循環基礎上通過注蒸汽技術來高效率回收透平排熱，從而達到增加透平里工質流量和減少工質壓縮過程中耗功的目的。而日本Mori Y教授等提出的濕空氣透平(HAT)循環，在傳統的布雷頓循環基礎上通過濕化技術，利用透平排熱產生的熱水來加熱濕空氣，從而達到節約燃料、降低排煙溫度、大幅增加系統循環比功的目的。這兩種循環系統打破了燃氣輪機和汽輪機串聯的慣例，甚至取消了汽輪機硬件，讓蒸汽在燃氣輪機中膨脹做功，可看作是布雷頓循環與朗肯循環的“并聯”組合。近年來，有學者將太陽能與化石燃料熱互補應用在上述兩種聯合循環中，成為研究的熱點。

2.1 太陽能化石燃料熱互補的注蒸汽燃氣輪機循環發電系統

圖7是Livshits M等[12]根據傳統注蒸汽燃氣輪機循環系統的結構與特征，提出的一種太陽能注蒸汽燃氣輪機循環系統，用太陽能集熱部分代替余熱鍋爐中的蒸發器，將水加熱成水蒸汽，燃氣輪機的高溫排熱用來預熱水和過熱水蒸汽，再將過熱水蒸汽回注到燃燒室，與燃氣充分混合后，一同進入燃氣透平膨脹做功。水在10～18 bar壓力范圍內的蒸發溫度是180～234 ℃，這對于槽式集熱方式是很容易低成本實現的。

圖7 一種太陽能化石燃料熱互補太陽能注蒸汽燃氣輪機循環系統圖

太陽能注蒸汽燃氣輪機循環效益顯著，太陽能所占的輸入能源份額可達到50%，系統總熱電轉換效率可達55%，其中太陽能轉換成電能效率在18%～24%之間。200 ℃左右的低品位太陽能借助水蒸汽的潛熱形式直接注入燃燒室，受熱升溫，然后膨脹做功，轉化成高品位的電能。而且利用400～600 ℃的燃氣輪機排氣來過熱水蒸汽也能充分利用燃氣余熱，蒸汽在燃燒室里與高溫燃氣混合加熱升溫，在保證輸出功不變的情況下會導致透平排氣溫度降低，從而使余熱鍋爐中傳熱溫差減小，提高化石燃料的火用利用率[13]。另外，注蒸汽燃氣輪機循環的變工況性能好，功熱并供時更為突出，可滿足大范圍內變化的功熱比的要求，如果余熱鍋爐增加補燃措施，系統的靈活性會更大。

2.2 太陽能化石燃料熱互補的濕空氣燃氣輪機循環發電系統

傳統的濕空氣燃氣輪機循環是先將水分成3股，分別通入高低壓壓氣機之間的中冷器、高壓壓氣機后面的后冷器和回熱器后面的水加熱器加熱，3股熱水匯合后在飽和器里與空氣逆流充分混合，空氣受熱并被濕化，同時熱水被空氣冷卻且部分蒸發，濕空氣(含10%～45%蒸汽)從飽和器流出來后，流經回熱器，進入燃燒室與化石燃料燃燒生成高溫濕燃氣，最后進入透平膨脹做功。太陽能化石燃料熱互補的濕空氣燃氣輪機循環(Solar HAT)是在傳統的濕空氣燃氣輪機循環基礎上再增加一股給水，通過太陽能加熱器，與原來的3股匯合進入飽和器。

圖8是符合上述工作流程的一種Solar HAT系統。因為引入太陽能，增加了給水流量，在空氣流量保持不變的前提下提高了濕空氣的濕化比，增加了比功。在圖8所示的Solar HAT系統中，壓力比為20和燃氣透平進口溫度為1100 ℃的相同條件下，本系統的輸出功為604.7 kJ/kg主流量，而傳統HAT系統的輸出功為519.9 kJ/kg主流量，提高了16.3%。另一方面，由太陽能輸入量和因輸入太陽能引起發電量的提高值可得到本系統的太陽能熱電轉換效率為31.41%，與當下獨立太陽能朗肯發電系統的18%相比，得到了大幅提高[14]。

圖8 一種太陽能化石燃料熱互補的濕空氣燃氣輪機循環發電系統

3 太陽能化石燃料熱互補發電系統中能的梯級利用與兩種工作模式

3.1 溫度對口，能的梯級利用

在對一些典型的太陽能化石燃料互補發電系統歸納分析可發現，不同溫度的太陽能熱一般是用來加熱不同的物質。200 ℃以下的低品位太陽能熱在有機朗肯循環系統(ORC)中與化石燃料互補應用是比較常見的，350～500 ℃的中溫太陽能一般在傳統朗肯循環以加熱水或水蒸汽的方式與化石燃料進行互補，而1000 ℃以上的高溫太陽能通常用來加熱布雷頓循環中被壓縮后的空氣。究其原因，選用不同溫度的太陽能熱來加熱相應的不同物質不僅是因為工程限制和應用場合的不同，更是因為不同物質在各熱力循環中適用的溫度范圍不同。

在對引入太陽能動力系統部位選擇時，要遵循“溫度對口，能的梯級利用”原則。本文1.1.2中所述的太陽能化石燃料熱互補閉式的互補朗肯循環發電系統中，當拋物槽集熱器聚集太陽能的溫度為200～300 ℃時，與傳統火電站朗肯循環鍋爐中省煤器的溫度相匹配，可利用其替代省煤器對工質水加熱；當拋物槽集熱器聚集太陽能的溫度為300～400 ℃時，與傳統火電站朗肯循環鍋爐中蒸發段溫度相匹配，利用其替代蒸發段使水加熱氣化。低品位太陽能轉換成水蒸汽內能后，通過吸收化石燃料燃燒釋放出來的熱能轉換成高品位顯熱，水蒸汽進入汽輪機膨脹做功，最終轉換成電能。這樣也實現了低品位太陽能和高品位化石燃料化學能在熱力循環中實現梯級互補利用。

3.2 兩種工作模式

通常對于太陽能化石燃料熱互補發電系統，引入太陽能與化石燃料進行熱互補能提高太陽能熱電轉換效率的同時，還可根據實際需要通過改變局部的構成使系統處于兩種工作模式：1)維持化石燃料消耗量不變，增加系統的發電量；2)保證系統發電量不變，節省化石燃料的消耗[15]。上述兩種工作模式分別簡稱為輸出功增大模式和燃料節約模式。下面還是以1.1.2中所述的太陽能化石燃料熱互補朗肯循環發電系統為例進行詳細介紹。

1)輸出功增大模式

輸出功增大模式是保持系統的其他部件和工作流程不變，將朗肯循環系統的抽汽回熱支路與太陽能集熱回路并聯。循環水從凝汽器流出后分為兩股，一股流經抽汽回熱支路受熱，另一股則流經與回熱支路并聯的太陽能集熱器受熱后與第一股匯合后進入鍋爐，在主蒸汽流量不變、鍋爐吸熱量不變的情況下，引入太陽能使得系統對抽汽量的需求減小，導致汽輪機通流部分的流量增大，從而達到增大汽輪機組發電量的目的。但由于主蒸汽流量和參數保持不變，鍋爐吸熱量不變，即化石燃料消耗量不變。這種輸出功增大模式是將太陽能轉換成給水的內能，最終變成高品位電能。在能源數量上，是太陽能與化石燃料“疊加”；在能源質量上，是低品位太陽能轉化成內能，最終轉化成高品位電能。

2)燃料節約模式

系統的其他部件和工作流程不變，將太陽能集熱回路與鍋爐汽化段并聯就開啟了系統的燃料節約模式。循環給水從機組最高一級回熱加熱器流出后分為兩股，一股依次流經鍋爐中的省煤器、水冷壁，被加熱成飽和蒸汽；另一股流入太陽能加熱器，被太陽能加熱成飽和蒸汽后，與第一股混合后一同進入鍋爐的過熱器。在主蒸汽流量及抽汽回熱參數不變、保證發電量不變的情況下，引入太陽能使得鍋爐的吸熱量減小，進而達到減少燃料消耗的目的。這種燃料節約模式是將太陽能轉換成給水的汽化潛熱，最終變成高品位電能。在能源數量上，是太陽能與化石燃料 “等量替代”；在能源質量上，也是低品位太陽能轉化成內能，最終轉化成高品位電能。

4 小結

太陽能化石燃料熱互補發電系統將太陽能聚集轉換成熱量后，以熱量的形式參與發電系統中各熱量傳遞環節，提高了太陽能熱電轉換效率，在解決了獨立太陽能熱發電輸出電量不穩定這一難題的同時，還節省了化石燃料的消耗，降低了系統CO2的排放量。其中，太陽能化石燃料熱互補聯合循環發電系統更是以高熱電轉換效率和熱互補形式多樣化而受到學者們廣泛的研究，具有巨大的發展前景和應用市場。

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