熔鹽槽式光電發熱電站與熔鹽蓄熱儲能系統的研究

汪琦 張慧芬 俞紅嘯 汪育佑

上海熱油爐設計開發中心（上海 200042）

節能環保

熔鹽槽式光電發熱電站與熔鹽蓄熱儲能系統的研究

汪琦 張慧芬 俞紅嘯 汪育佑

上海熱油爐設計開發中心（上海 200042）

介紹了熔鹽槽式光熱發電站的結構特點，分析了熔融鹽槽式電站管路系統的運行方式，討論了真空集熱管的涂層薄膜、增透膜、熔封連接、烘烤抽真空等制作技術，研究了熔鹽蓄熱儲能循環系統的設計開發過程，探討了太陽能集熱器和太陽能集熱場的計算機智能控制方法。

熔鹽 槽式光熱電站 真空集熱器 太陽能集熱場 蓄熱儲能系統 計算機監控

中國分類號 TK514

熔鹽槽式光電發熱站是利用槽式拋物面聚光鏡將太陽光聚焦到焦線上，在焦線上安裝管狀集熱器吸收聚焦后的太陽輻射能，帶有真空玻璃罩的管內熔鹽被加熱后，真空集熱管出口熔融鹽溫度可以達到550℃，其流經換熱器時加熱水產生蒸汽，借助于蒸汽動力的循環來發電。聚光集熱裝置由槽式拋物面聚光鏡和真空集熱管構成，集熱管隨著拋物面反射鏡一起跟隨太陽運行，因此要求真空集熱管的集熱效率高、散熱損失小、工作壽命長。而就野生動物保護來說，熔鹽槽式光熱發電站可以避免野生飛行類動物因太陽光聚焦而燒傷致死，所以符合綠色環保和世界野生動物保護的雙重要求。

1 熔鹽槽式光熱發電站

意大利西西里島的阿基米德電站為熔鹽槽式光熱發電站，該電站于2008年7月開工，2010年7月投產，機組容量為5 MW，電站總占地面積8 km2，造價高達6000萬歐元，電站的業主、建設方和運行管理方都是意大利國家電力公司（ENEL）。太陽能鏡場面積為31 860 m2，鏡場部分配置拋物面槽式聚光器，每個聚光器組件長100 m，包括192面反射鏡和24支真空集熱管，開口面積共590 m2。設有9組聚光回路，每個回路由6個聚光器組件組成。整個太陽鏡場共54套聚光器組件，10 368面拋物面鏡，1 296根真空集熱管，集熱管的總長度為5 400 m，根據估算，單臺發電機組管路中的熔融鹽容量約為21 m3。熔鹽槽式聚光器的供貨商為意大利COMES公司，玻璃鏡供貨商為Ronda Reflex公司，熔鹽真空集熱管由意大利阿基米德公司供貨。該太陽能光熱發電項目被接入一個130 MW的蒸汽輪機（東芝株式會社）發電，汽輪機入口蒸汽壓力為9.383 MPa，其中約5 MW容量來自太陽能產生的蒸汽，機組采用強制循環冷卻塔以濕冷方式進行冷卻。汽輪機滿負荷時效率為39.3%，太陽能電站的年光電轉換效率為15.6%。

熔鹽的配制質量比例為40%硝酸鉀與60%硝酸鈉，采用熔鹽雙罐直接蓄熱技術，蓄熱時間為8 h，蓄熱罐高6.5 m，直徑為13.5 m，總體積為930 m3，可存儲1580 t熔鹽，蓄熱量達到100 MW·h。真空集熱管的吸收比大于95%，真空度為0.013 3 Pa，在400℃運行溫度下，發射比小于10%；在580℃下，發射比小于14%。在5 MW的小型機組條件下，電站效率可達15.6%，年凈發電量為9.2 GW·h。

熔鹽槽式光熱發電站由三部分組成：鏡場熔融鹽吸熱部分、熔融鹽儲熱部分、水/水蒸汽常規發電部分，換熱部分由熔融鹽-水/水蒸汽的一次換熱完成。太陽能鏡場部分中，進口溫度為290℃的熔融鹽經真空集熱管串、并聯后，出口熔融鹽溫度達到550℃，經閥門切換后分別送到蓄熱系統和發電系統。太陽能熱量不足時，熔融鹽直接給水/水蒸汽換熱發電；熱量多余時，熔融鹽直接儲存到高溫熔融鹽罐中，動力由熔鹽泵提供。儲熱部分由兩個獨立的冷、熱熔融鹽罐組成。加熱時，冷罐中的熔融鹽流入真空集熱管，經加熱后流進高溫熔融鹽罐儲存；放熱時，高溫罐中的熔融鹽經過熔融鹽-水/水蒸汽換熱器加熱給水，再經過蒸汽過熱器，使蒸汽溫度從350℃提高到510℃以上用于發電[1-2]。通常，白天由真空集熱管內的出口熔融鹽提供熱量，直接加熱水/水蒸汽；夜晚則由熱罐中的高溫熔融鹽提供熱量，直接加熱水/水蒸汽。這兩種形式的儲熱發電方式，循環系統簡潔高效，未來將可能形成大型化、規模化的太陽能拋物面槽式熔融鹽光熱發電模式。

2 真空集熱管

真空集熱管是槽式太陽能光熱發電中的關鍵設備，為了更好地提高吸熱能力、降低散熱損失、延長使用壽命，需要進行如下關鍵技術的研究開發。

在高溫太陽能選擇性吸收涂層研究方面，反射層用于阻止高溫工作時的紅外輻射能量損失，減反層利用光學干涉原理提高光線的透過率。吸收層可實現對太陽光能量更好的吸收，粘接層的作用是提高膜層與不銹鋼管的附著力，同時解決高溫熱穩定性和制作成本問題。在太陽能選擇性吸收涂層材料方面，采用金屬紅外反射、金屬陶瓷吸收和介質減反層的多層干涉吸收薄膜結構，涂層材料含有Mo，W，Ni，Pt，Cu，Al，Au等金屬。

在玻璃增透膜技術方面，為了減少太陽光在玻璃管表面的反射損失，需要在玻璃管內外表面鍍制增透膜。由于玻璃管形狀的特殊性，擬采用溶膠-凝膠法制作。將工件放置在前驅液中，通過旋轉或提拉方式對薄膜沉積過程進行控制，對于異形大尺寸表面的增透膜采用鍍制的方式。

在單靶涂層方面，介質為Al，Al-AlN和AlN選擇性吸收涂層，用直流反應濺射方法，控制各層中成分比例。該方法制作成本低，但介質金屬Al熔點較低，其高溫條件下的穩定性有待研究。另一種合金靶涂層技術，采用硅基合金氮氧化物材料。金屬-介質復合材料方面，將Al，Al-AlN，AlN和Al2O3；Mo，Mo-SiO2和SiO2；Cu，TiAlN，TiAlON和Si3N4等介質分別用于不同層的方法也在研究中。

熔融鹽真空集熱管表面涂層薄膜由多層金屬層組成，分層采用陶瓷-金屬材料（金屬陶瓷）。外部玻璃的抗反射涂層曲面對太陽能的透射率大于96.5%。為實現較好的真空度，每個波紋管與玻璃-金屬的交界處焊有減震器管。

采用波紋管膨脹節來彌補金屬與玻璃的膨脹差，以減少內應力。金屬管和玻璃之間的連接方式主要有膠聯、密封圈聯、熱壓封聯和熔封連接等，從長期運行的角度考慮，主要采用熱壓封聯和熔封連接兩種方式。熱壓封聯適合工作溫度低于200℃的集熱管，溫度過高時會影響其使用壽命。熔封連接是利用火焰將玻璃熔化，將金屬和玻璃封接在一起，通常采用氬弧焊方法完成，以保證焊接面的密封性能和強度。

真空度的獲得和保持方面，可采用高溫烘烤抽真空的方法，使集熱管呈高真空狀態。在管子制作完成后，通過高頻激活，將吸氣材料沉積在玻璃管和不銹鋼管壁上，用以吸附氣體。吸氣劑為鋇鋁吸氣劑或鋇鈦吸氣劑。

3 熔鹽蓄熱儲能循環系統的計算機控制

太陽能熔鹽槽式光熱發電站通過聚光鏡收集太陽能，聚光鏡將太陽光反射并聚焦于集熱管之上，集熱管安裝在一個由鋼材塔門和軸承構成的機械支撐件上，支撐件位于拋物面聚光鏡的焦線位置上。每個太陽能集熱器組合可以獨立跟蹤太陽，使焦線始終位于合適的位置，而且能夠防止集熱元件過熱，構成具有跟蹤功能、控制和通信系統的獨立單元。為此，每個集熱器均安裝有局部測量傳感器、液壓驅動系統和局部控制器。

太陽能集熱場受現場監控控制器（FSC）的控制，以一個整體來運行。現場監控控制器是位于中心控制室的計算機控制系統，與每個太陽能集熱器組合通訊，并與熱發電站的集散控制系統（DSC）通信。現場監控控制器收集各個太陽能集熱器組合的信息和分散控制系統的數據與指令，向集熱場區發出總控指令，向太陽能集熱器組合回路發出模塊式控制指令。在白天和發電站條件允許時，現場監控控制器可以投入使用、并有效地控制太陽能集熱場；在夜間或強風天氣時，可以將相關設備收藏起來，避免其受到損壞。現場監控控制器與熱發電站集散控制系統實現數據傳輸，可以整體協調和控制發電區、熔融鹽循環流動系統和太陽能集熱場的運行。

通過太陽能集熱場和熔鹽儲熱儲能裝置，熔鹽循環流動系統將太陽能熱量從集熱管傳送到蒸汽發生器和熔鹽蓄熱儲能罐內。而在動力區，熔鹽流體在管路、泵和膨脹閥及控制閥構成的系統內循環流動，要求熔鹽循環流動系統和太陽能集熱場管路系統的所有元件絕熱，從而可以最大限度地降低熱損失。對于熔融鹽集熱管，如果熔鹽輸送管路發生凍堵，熔融鹽無法流入集熱管，則集熱管表面溫度將會上升，故需要通過控制熔融鹽集熱管表面溫度或熔融鹽的流量來控制聚光鏡的動作，任何一項超標時，即可移動聚光鏡到安全位置。使熔鹽循環系統保持24 h循環流動是防凍的最佳措施，而熔鹽循環系統在不發電時應采用熔融鹽溫度控制的方法進行操作。對于熔鹽槽式光熱發電的熔鹽循環系統，由于熔鹽管道大多采用平面布置方式，故需要使用隔熱和伴熱加熱的方法來防止熔融鹽的凍結[3]。如果熔鹽循環管路采用電伴熱輔助加熱的方法，應做好閥門、法蘭、傳感器接口、彎頭和熔鹽泵接口等部位的電伴熱布置工作，以防止在局部位置發生熔鹽凝固凍結的現象。

4 結束語

太陽能熔鹽槽式光熱發電站的熔鹽蓄熱儲能循環系統包括：太陽能聚光鏡，聚光集熱管，冷熔鹽儲罐，熱熔鹽儲罐，冷熔鹽循環泵，熱熔鹽循環泵，熔鹽預熱器，熔鹽蒸汽發生器，熔鹽過熱器，熔鹽融化保溫裝置，熔鹽輸送管路預熱保溫裝置，熔鹽防凍、抗凍和解凍加熱裝置，熔鹽安全防泄漏裝置，以及配套輔機和閥門儀表、計算機自動控制系統。在熔鹽槽式光熱電發電站中，連接各集熱回路的出口母管距離蓄熱儲能區域不宜太遠，由于熔鹽溫度高、熔點高、腐蝕性大，可能帶來燃燒、爆炸、凍堵等一系列安全問題[4]。由于蓄熱儲能區域涉及高溫狀態，故應考慮預留熔鹽泄漏后采取搶險措施的空間和通道。設備布置區域應該位于熔鹽光熱發電站的下風向。

目前在熔鹽蓄熱儲能循環系統的光熱發電站設計上，采用了一些新的設計方法和設計理念，優化了光熱發電站的整體設計，提高了光熱發電站的工作溫度，進而提高了發電效率，降低了熔鹽用量，削減了發電成本。此外，采用了先進的熔鹽蓄熱儲能循環技術來降低光熱發電站的投資成本，使熔鹽光熱發電站更加具有成本優勢和經濟效益。

[1]汪琦，俞紅嘯，張慧芬.太陽能光熱發電中熔鹽蓄熱儲能循環系統的設計開發[J].化工裝備技術，2014,35（1）：11-14.

[2]汪琦，俞紅嘯，張慧芬.熔鹽和導熱油蓄熱儲能技術在光熱發電中的應用研究[J].工業爐，2016,38（3）：34-38,48.

[3]汪琦.熔鹽加熱爐和熔鹽加熱系統的開發[J].化工裝備技術，2000,21（2）：40-43.

[4]汪琦，俞紅嘯.熔鹽加熱爐的結構設計和熔鹽過熱的研究[J].化工裝備技術，2012,33（5）：39-42.

Study on Parabolic Trough Solar Power Station and Thermal-Energy Storage System with Molten Salt

Wang Qi Zhang Huifen Yu Hongxiao Wang Yuyou

The structural characteristics of the parabolic trough solar thermal power station with molten salt were introduced,and the operation mode of the pipeline system was analyzed.The technologies related to evacuated collector tube were discussed,including the coating film,the antireflective film,the sealing connection,and the vacuum degree obtained by baking.And the design and development process of the thermal storage and energy storage circulation system with molten salt were studied.At last,the computer intelligent control method of solar collectors and thermal field was discussed.

Molten salt;Parabolic trough solar power station;Evacuated collector tube;Solar collector;Heat and energy storage system;Computer monitor

2017年1月

汪琦男1961年生碩士高級工程師目前從事熱油爐、熔鹽爐、道生爐、聯苯爐、生物質氣化爐的設計研究開發工作