液態(tài)金屬在太陽能熱發(fā)電站作為換熱流體的應用研究

朱向東

（云南省電力設計院,昆明 650051）

液態(tài)金屬在太陽能熱發(fā)電站作為換熱流體的應用研究

朱向東

（云南省電力設計院,昆明 650051）

目前的太陽能熱發(fā)電商業(yè)項目都是以產(chǎn)生蒸汽和使用熔融硝酸鹽蓄熱的系統(tǒng)，下一代系統(tǒng)將需要較高的操作溫度和較大的熱流密度，以提高效率和降低成本。液態(tài)金屬將作為先進的熱傳導流體，它具有較高的溫度并改善熱傳遞性能。本文對其在熱機循環(huán)中的應用進行了討論?？傮w而言，液態(tài)金屬作為高效傳熱流體具有巨大的潛力。

CSP-太陽能熱發(fā)電；液態(tài)金屬；熱傳導；高溫

1 概述

太陽能熱發(fā)電(CSP)為清潔可再生能源的大規(guī)模部署提供了巨大的潛能，其最具吸引力的特性是熱能存儲(TES) 具有的成本效益，具有和傳統(tǒng)的電力轉換系統(tǒng)一樣的可能性。自上個世紀1980年代早期裝置開始出現(xiàn)，1990年代建設示范設施,，這項技術現(xiàn)在已進入商業(yè)部署[1]。

伴隨著技術發(fā)展和經(jīng)濟要求，更先進的中央接收系統(tǒng)需要較高的操作溫度和較大的集中比，從而具有更集中的熱負荷。液態(tài)金屬擬作為一種解決方案替代目前的鹽系統(tǒng)，以面對即將到來的挑戰(zhàn)。

2 液態(tài)金屬的相對優(yōu)勢

2.1 較大的傳熱系數(shù)

液態(tài)金屬具有非常大的熱傳導率，這種情況使他們能夠?qū)崿F(xiàn)大的傳熱系數(shù)，實現(xiàn)低溫差高效能量交換。由于這種內(nèi)在的條件依賴于高效的分子能量傳輸，大型的單相結果可以在簡單的幾何形狀內(nèi)獲得。

換句話說，液體金屬的傳熱系數(shù)大幅度增加（3～20倍）是可能的，顯著增大傳熱系數(shù)的同時應允許工作時具有更高的熱通量，同時保持一個恒定的溫度差，這是目前熔融鹽接收器設計的一個主要限制。因此，在接收器區(qū)域，液體金屬也可減少整體的資本投資；此外，更高的接收效率可以通過傳熱性能的提高所達到[2]。

2.2 較高的溫度的穩(wěn)定性

通常在一個熱電站，理想的結果是具有較高的溫度，以實現(xiàn)更大的熱力學效率（ηthermal） 。作為整體的太陽能光電效率（ηtotal）也要考慮光學方面（ηoptical）和接收器性能（ηreceiver）的影響。

現(xiàn)在的最先進的的中央接收系統(tǒng)是基于硝酸鹽運行的亞臨界蒸汽朗肯循環(huán)。在一般情況下，當運行在較高的蒸汽溫度為630℃時，對濕式和干式的冷凝器，光電整體效率增加8～12%。然而，為實施這一先進動力循環(huán)所需較高的溫度，根本無法使用熔融鹽來實現(xiàn)，因為他們的溫度被限制在560℃。高操作溫度直接應用太陽能熱化學過程是可行的。高溫下的化學反應器中的工業(yè)過程的發(fā)展是必需的，并且熔融金屬可以穩(wěn)定實現(xiàn)導熱液的功能。

3 高溫液態(tài)金屬在熱機循環(huán)中的應用

3.1 700℃超超臨界汽輪機循環(huán)

隨著太陽能組件（ 接收器，存儲系統(tǒng)，太陽能組件）相對于其他高溫概念方案，未來的700℃超超臨界蒸汽動力模塊相對較低的發(fā)展需求（hthermal ≈ 52 %），可以通過液態(tài)金屬傳熱提供。對于這種接收器的出口溫度為700℃是必需的，而鎳基合金可有助于克服在物質(zhì)方面的問題。與接收系統(tǒng)，存儲系統(tǒng)相對應的溫度范圍內(nèi)，發(fā)展蒸汽循環(huán)溫度超過700℃是必要的?？梢源篌w看出，有關這一概念方案的可行性，主要風險是鎳基焊接問題和瞬態(tài)的應變，以及腐蝕的問題。

3.2 開式燃氣輪機循環(huán)

聯(lián)合循環(huán)（ CC）中最低600℃的燃氣-蒸汽動力模塊，現(xiàn)已商業(yè)化，可以在現(xiàn)在的燃煤、燃氣電廠先進技術設備基礎上改進。采用太陽能-燃氣輪機比其他常規(guī)的太陽能發(fā)電廠有更顯著的優(yōu)勢。雖然尚未有商業(yè)規(guī)?；詨嚎s空氣為導熱油接收器的概念已被廣泛研究。

3.3 閉式燃氣輪機循環(huán)

在一個封閉的循環(huán)中，可以用來代替空氣可選的惰性氣體，從而導致更高效的功率轉換。同樣地在開式循環(huán)，所收集的高溫熱能，須通過熱交換器或間接或直接接觸型的，來轉移工作氣體。從降低成本的角度來看直接接觸式換熱器是有吸引力的，但涉及到加壓密封及郎肯-蒸汽輸送到汽輪機的實際問題則需要解決。與開式燃氣輪機循環(huán)類似，閉式循環(huán)需要另外開發(fā)，降低成本的主要辦法與閉式的布雷頓循環(huán)中的部分負荷相關。

3.4 堿金屬熱電轉換器（ AMTEC）

熱能直接轉化為電能是基于電子和離子的電勢梯度的擴散。因為沒有中間機械能的步驟（例如渦輪機），沒有移動部件的使用，從而提高了高溫部件的工作可靠性。堿金屬熱電轉換器系統(tǒng)，特別是依靠鈉蒸發(fā)并分解成鈉離子和自由電子。而電子被朝向一個直流負載循環(huán)時，離子通過固體電解質(zhì)擴散，重組發(fā)生在冷側，其中，多余的熱量被拒絕，并且鈉冷凝。堿金屬熱電轉換器的熱力循環(huán)的理論效率接近卡諾極限。在實際中，效率高達20%，從而呈現(xiàn)比其他直接轉換系統(tǒng)更好的性能。

3.5 堿金屬蒸汽透平循環(huán)

作為最長遠的替代，直接堿金屬蒸汽發(fā)電就是用管狀的接收器在中等壓力下來驅(qū)動堿金屬蒸汽汽輪機的過程。前置循環(huán)和超臨界水蒸汽的過程作為末端循環(huán)的聯(lián)合循環(huán)是未來技術發(fā)展的趨勢，但取決于直接生成高溫蒸汽的（兩相反應性高的流動介質(zhì)）堿金屬蒸汽汽輪機和相關的冷凝器，以及液態(tài)堿金屬儲熱充電和放電和相關的安全系統(tǒng)技術成熟度。

4 結論

較高的溫度和改進的傳熱是降低成本的關鍵因素，從而提高未來的中央接收系統(tǒng)的經(jīng)濟競爭力。使用液態(tài)金屬不僅可以改進接收效率，還可達到較高的溫度水平并改善接收器和動力裝置相結合的效率。為了獲得接收器出口的最佳溫度，先進的動力循環(huán)是必需的。現(xiàn)在有五個循環(huán)被提出和討論，超超臨界汽輪機循環(huán)和開式或閉式燃氣渦輪動力循環(huán)是最成熟的，具有能夠在中期實現(xiàn)的潛力。直接轉換成熱利用的堿金屬熱-電轉換器是另一種先進的理念，堿金屬蒸汽渦輪機前置循環(huán)概念目前遠未實現(xiàn)。

[1]T.Tan, Y.Chen, Review of study on solid particle solar receivers, Renewable and Sustainable Energy Reviews 14 (1) (2010) 265e276.

[2]T.Nomura, N.Okinaka, T.Akiyama, Technology of latent heat storage for high temperature application: a review, ISIJ International 50 (9) (2010) 1229e1239.