光熱發電儲能技術及系統分析

岳 松，李 明

(湖北省電力勘測設計院有限公司，武漢 430040)

0 引 言

傳統能源的日益匱乏和環境的日益惡化，極大的促進了新能源的發展，其發電規模也快速攀升。以風電、太陽能為基礎的新能源發電取決于自然資源條件，具有波動性和間歇性， 其調節控制困難，大規模的并網運行會給電網的安全穩定帶來顯著影響。儲能技術的應用可以在很大程度上解決新能源發電的隨機性和波動性問題，使間歇性的、低密度的可再生清潔能源得以廣泛有效的利用。

太陽能光熱利用收到光照、氣候、季節、地域等因素的共同影響，制約了太陽能熱發電的連續性和穩定性。解決太陽能熱發電的持續可供性是實現大規模應用、提高效率和降低成本的關鍵所在。有效克服光熱發電技術波動性特點的方法是采用儲熱技術。儲熱技術是在日光充足的條件下將熱能儲存起來，在日光輻射不足或者在夜間時釋放出來生產蒸汽發電。電力需求不足時將熱能存儲起來，在電力需求峰值的時候發電用來滿足電力需求，實現電網的削峰填谷的作用。

1 儲能技術分類及特點

按照能量存儲的方式不同，儲能可以分為物理儲能、化學儲能、電磁儲能和熱能儲能等， 其中物理儲能主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能等；化學儲能有鉛酸電池、鋰電池等；電磁儲能包括超級電容儲能等；熱能儲能應用最多、儲量最大，主要包括顯熱儲能、潛熱儲能和相變儲能等。

熱儲能技術包括顯熱儲能，潛熱儲能和化學反應儲能，其在工業生產，光熱發電和集中供暖等領域有較多的應用。顯熱和潛熱儲能在使用方式上比較簡單，技術發展比較成熟，設備設計簡單，運行管理方便，是十分具有潛力的儲能技術。顯熱儲熱的存儲介質多樣，其應用范圍也各不相同，表1顯示了各種傳熱介質的比較。

表1各種傳熱儲熱介質比較

以上分析可以看出，混凝土、水蒸汽和導熱油均存在使用溫度低的缺陷，在塔式光熱電站中，高溫介質的溫度高達近 600 ℃，因此限制了這些工質在塔式光熱電站中的應用。另一方面，熔融鹽，尤其是硝酸鹽具有較高的使用溫度，同時其傳熱性能好，飽和蒸汽壓低，壽命長等特點，特別適用于光熱電站中。

介質特性的研究作為太陽能熱發電研究方向之一，也是其中的關鍵環節。遺憾的是，目前無論是硝酸鹽類、碳酸鹽類或其他混合鹽類，某些指標仍然不能達到理想要求，如熔鹽的熔點溫度等。要滿足蓄熱發電的目的，目前還需要找到更好的儲熱介質，并希望這一介質在儲熱的工作范圍內，都是以液體的形式存在，并且液態的單位熱容和導熱率要盡可能的大， 流動性能好。作為熔鹽材料，希望找到熔鹽的凝固點要盡量接近常溫，氣化點要盡量遠離最高工作溫度點，另外，由于在太陽能熱發電系統中的熔鹽使用量大，因此要保證熔鹽的成本要盡量低。

2 熔鹽儲熱技術在光熱電站中的應用

目前，熔鹽儲能技術在光熱電站中應用較為廣泛，其經濟性和安全性都表現出明顯的優越性。應用較廣的是美國SolarTwo電站使用的SolarSalt(40%KNO3和60%NaNO3)，1996年美國建成塔式熔鹽電站，首次采用Solar Salt作為介質，后西班牙Andasol電站也采用該介質，使之得以推廣。

Solar salt熔鹽的主要性能是穩定性好，不燃燒，無爆炸危險，泄漏蒸汽無毒，在現場不會產生二次污染。在液態條件下壓力與溫度無關，使得在工程應用中，儲存容器可以在常壓或者微正壓條件下運行。其不足之處在于熔點高，溫度范圍窄，機組冷態啟動過程復雜，耗熱量大，系統維護費用高，熔鹽的成本也較高。

作為顯熱儲熱介質，應充分利用其溫度區間，否則將會帶來設備和成本的大幅增加，對其經濟性的影響較大。文中以50 MW光熱電站為例，以Solar salt熔鹽作為儲熱介質，研究槽式和塔式光熱電站的儲熱容量及其經濟性。

Solar salt熔鹽開始熔解的溫度為207 ℃，開始凝固的溫度為238 ℃，在這范圍內是固液共存狀態，在300 ℃～600 ℃的范圍內，其物理特征屬性可通過擬合方程求的：

ρ= 2090-0.636T

(1)

c= 1443+0.172T

(2)

μ=22.714-0.12T+ 2.281×10-4T2

-1.474×10-7T3

(3)

k= 0.443+ 1.9×10-4T

(4)

式中，ρ為密度，kg/m3；c為比熱容，J/(kg·k)；μ為動力粘度，mPa·s；k為導熱系數，W/(m·k)。

在光熱電站中，熱電轉換效率包括儲熱效率、換熱效率、循環效率和發電機效率等，其熱電轉化效率約為 40%：

ηthermal-elec=ηstorage·ηtransfer·ηcycle·ηgenerator

(5)

(6)

(7)

式中，ρ為密度，kg/m3；c為比熱容，J/(kg·k)；C為熱容量，MWht；t為儲熱時長，h；η為熱電轉化效率；md為設計狀態下熔鹽重量，kg。考慮到在工程實際應用中，熔鹽罐底部有殘留容積，管道及設備中也考慮部分殘留容積，因此實際熔鹽用量為：

ms=1.2*md

(8)

表2 熔鹽用量和熔鹽價格

從圖1至圖2中可以看出塔式光熱電站在儲熱時長為9 h時，其熔鹽使用量為1.16萬噸，而槽式光熱電站的熔鹽使用量達到了3.6萬t，僅熔鹽的價格就達到了1.2億元，這是塔式光熱電站的3倍以上，這是因為槽式電站熱熔鹽出口溫度較低，為380 ℃左右，而塔式光熱電站熔鹽出口溫度可達565 ℃，單位質量的熔鹽存儲的熱量少，熔鹽的使用量就大大增加。因此相對于槽式電站來說，塔式電站可大幅降低熔鹽的使用量，僅熔鹽的成本也能降低一半以上。同時可以得到，從熔鹽成本角度分析，選用何種熔鹽要綜合考慮熔鹽的熔點，單價和溫度使用范圍，才能得到最經濟的解決方案。

圖1 熔鹽量隨儲熱時長關系圖

圖2 熔鹽價格隨儲熱時長的關系曲線

3 結束語

(1)在光熱電站中，多用顯熱儲熱技術，由于其具有技術發展比較成熟，設備設計簡單，運行管理方便等特點，是十分具有潛力的儲能技術。分析不同的儲熱介質發現，熔鹽具有較高的使用溫度，同時其傳熱性能好，飽和蒸汽壓低，壽命長等特點，特別適用于光熱電站中。

(2)分析了熔鹽儲能系統在光熱電站中的應用，通過以 50MW槽式和塔式光熱電站為例， 分析了兩者的熔鹽用量情況，得出：槽式光熱電站的熔鹽使用量遠遠大于塔式光熱電站，其熔鹽成本約為塔式成本的 3.1倍，其原因是塔式光熱電站能充分利用熔鹽的溫度使用區間， 使單位儲熱密度大幅提高。