液態(tài)金屬在太陽能熱發(fā)電站作為換熱流體的應(yīng)用研究

朱向東

（云南省電力設(shè)計(jì)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(yīng)用研究

朱向東

（云南省電力設(shè)計(jì)院,昆明 650051）

目前的太陽能熱發(fā)電商業(yè)項(xiàng)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(jìn)的熱傳導(dǎo)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(jī)循環(huán)中的應(yīng)用進(jìn)行了討論。總體而言，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(dǎo)；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(chǔ)(TES) 具有的成本效益，具有和傳統(tǒng)的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)一樣的可能性。自上個(gè)世紀(jì)1980年代早期裝置開始出現(xiàn)，1990年代建設(shè)示范設(shè)施,，這項(xiàng)技術(shù)現(xiàn)在已進(jìn)入商業(yè)部署[1]。

伴隨著技術(shù)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)要求，更先進(jìn)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(fù)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(dǎo)率，這種情況使他們能夠?qū)崿F(xiàn)大的傳熱系數(shù)，實(shí)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(jié)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(shí)應(yīng)允許工作時(shí)具有更高的熱通量，同時(shí)保持一個(gè)恒定的溫度差，這是目前熔融鹽接收器設(shè)計(jì)的一個(gè)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(dá)到[2]。

2.2 較高的溫度的穩(wěn)定性

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

現(xiàn)在的最先進(jìn)的的中央接收系統(tǒng)是基于硝酸鹽運(yùn)行的亞臨界蒸汽朗肯循環(huán)。在一般情況下，當(dāng)運(yùn)行在較高的蒸汽溫度為630℃時(shí)，對濕式和干式的冷凝器，光電整體效率增加8～12%。然而，為實(shí)施這一先進(jìn)動(dòng)力循環(huán)所需較高的溫度，根本無法使用熔融鹽來實(shí)現(xiàn)，因?yàn)樗麄兊臏囟缺幌拗圃?60℃。高操作溫度直接應(yīng)用太陽能熱化學(xué)過程是可行的。高溫下的化學(xué)反應(yīng)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(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱液的功能。

3 高溫液態(tài)金屬在熱機(jī)循環(huán)中的應(yīng)用

3.1 700℃超超臨界汽輪機(jī)循環(huán)

隨著太陽能組件（ 接收器，存儲(chǔ)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(dòng)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(chǔ)系統(tǒng)相對應(yīng)的溫度范圍內(nèi)，發(fā)展蒸汽循環(huán)溫度超過700℃是必要的。可以大體看出，有關(guān)這一概念方案的可行性，主要風(fēng)險(xiǎn)是鎳基焊接問題和瞬態(tài)的應(yīng)變，以及腐蝕的問題。

3.2 開式燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)

聯(lián)合循環(huán)（ CC）中最低600℃的燃?xì)?蒸汽動(dòng)力模塊，現(xiàn)已商業(yè)化，可以在現(xiàn)在的燃煤、燃?xì)怆姀S先進(jìn)技術(shù)設(shè)備基礎(chǔ)上改進(jìn)。采用太陽能-燃?xì)廨啓C(jī)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)模化，以壓縮空氣為導(dǎo)熱油接收器的概念已被廣泛研究。

3.3 閉式燃?xì)廨啓C(jī)循環(huán)

在一個(gè)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(dǎo)致更高效的功率轉(zhuǎn)換。同樣地在開式循環(huán)，所收集的高溫?zé)崮埽毻ㄟ^熱交換器或間接或直接接觸型的，來轉(zhuǎn)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(jī)的實(shí)際問題則需要解決。與開式燃?xì)廨啓C(jī)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(fù)荷相關(guān)。

3.4 堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器（ AMTEC）

熱能直接轉(zhuǎn)化為電能是基于電子和離子的電勢梯度的擴(kuò)散。因?yàn)闆]有中間機(jī)械能的步驟（例如渦輪機(jī)），沒有移動(dòng)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(zhuǎn)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(gè)直流負(fù)載循環(huán)時(shí)，離子通過固體電解質(zhì)擴(kuò)散，重組發(fā)生在冷側(cè)，其中，多余的熱量被拒絕，并且鈉冷凝。堿金屬熱電轉(zhuǎn)換器的熱力循環(huán)的理論效率接近卡諾極限。在實(shí)際中，效率高達(dá)20%，從而呈現(xiàn)比其他直接轉(zhuǎn)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(yuǎn)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(dòng)堿金屬蒸汽汽輪機(jī)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(shù)發(fā)展的趨勢，但取決于直接生成高溫蒸汽的（兩相反應(yīng)性高的流動(dòng)介質(zhì)）堿金屬蒸汽汽輪機(jī)和相關(guān)的冷凝器，以及液態(tài)堿金屬儲(chǔ)熱充電和放電和相關(guān)的安全系統(tǒng)技術(shù)成熟度。

4 結(jié)論

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