塔式光熱發(fā)電發(fā)展歷程

塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計思想是20世紀(jì)50年代由前蘇聯(lián)提出的。1950年，前蘇聯(lián)設(shè)計了世界上第一座塔式太陽能熱發(fā)電站的小型實驗裝置，對太陽能熱發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了廣泛的、基礎(chǔ)性的探索和研究。據(jù)不完全統(tǒng)計，1981～1991年的10間，全世界建造了兆瓦級太陽能熱發(fā)電實驗電站20余座，其中主要形式是塔式電站，最大發(fā)電功率為80MW。我國2013年7月青海中控德令哈50MW塔式太陽能熱發(fā)電站一期10MW工程順利并入青海電網(wǎng)發(fā)電，標(biāo)志著我國自主研發(fā)的太陽能光熱發(fā)電技術(shù)向商業(yè)化運行邁出了堅實步伐。

塔式光熱發(fā)電原理

吸收到的太陽光集中聚焦到塔頂，對傳熱工作介質(zhì)加熱進(jìn)而發(fā)電的一種聚光太陽能發(fā)電技術(shù)，不需要管道傳輸系統(tǒng)，熱損減小，系統(tǒng)效率高，同時便于儲存熱量。塔式的工作介質(zhì)可用空氣、水或水蒸氣以及熔鹽等。

塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)

塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)它是在空曠的地面上建立一高大的中央吸收塔，塔頂上安裝固定一個吸收器，塔的周圍安裝一定數(shù)量的定日鏡，通過定日鏡將太陽光聚集到塔頂?shù)慕邮掌鞯那惑w內(nèi)產(chǎn)生高溫，再將通過吸收器的工質(zhì)加熱并產(chǎn)生高溫蒸汽，推動汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電。即塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是利用眾多的平面反射陣列，將太陽能輻射反射到置于高塔頂部的太陽接受器上，加熱工質(zhì)產(chǎn)生過熱蒸汽，驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電塔式太陽能光熱發(fā)電是將光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽缓笤偻ㄟ^傳統(tǒng)的熱力循環(huán)做工發(fā)電。塔式太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)主要由鏡場及定日系統(tǒng)、吸熱及熱傳輸系統(tǒng)、儲熱系統(tǒng)、常規(guī)島發(fā)電系統(tǒng)組成。鏡場及定日系統(tǒng)實現(xiàn)對太陽的跟蹤，將太陽光準(zhǔn)確反射到吸熱器上。位于塔上的集熱器將鏡面反射的高熱流密度輻射能轉(zhuǎn)換為工作流體的熱能。

1、集熱系統(tǒng)

集熱系統(tǒng)包括單一的鏡面、聚光裝置、接收器、跟蹤機(jī)構(gòu)等部件。

2、熱傳輸系統(tǒng)

熱傳輸系統(tǒng)主要是傳輸集熱系統(tǒng)收集起來的熱能。利用傳熱介質(zhì)將熱能輸送給蓄熱系統(tǒng)。傳熱介質(zhì)多為水、導(dǎo)熱油和熔鹽。

3、蓄熱與熱交換系統(tǒng)

光熱發(fā)電技術(shù)在蓄熱與熱交換系統(tǒng)中充分體現(xiàn)了對比光伏發(fā)電技術(shù)的優(yōu)勢。即將太陽熱能儲存起來?？梢栽谝归g發(fā)電，也可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐挠秒娯?fù)荷，適應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度發(fā)電。蓄熱裝置常由真空絕熱或以絕熱材料包覆的蓄熱器構(gòu)成。蓄熱系統(tǒng)中對儲熱介質(zhì)的要求為：儲能密度大，來源豐富且價格低廉，性能穩(wěn)定，無腐蝕性，安全性好，傳熱面積大，熱交換器導(dǎo)熱性能好，儲熱介質(zhì)具有較好的黏性。目前我國正在研究蓄熱的各種新技術(shù)新材料，更有專家提出用陶瓷等價格低廉的固體蓄熱，以達(dá)到降低發(fā)電成本的效果。

4、發(fā)電系統(tǒng)

用于大型太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)的汽輪發(fā)電機(jī)組，由于其溫度等級與火力發(fā)電系統(tǒng)基本相同，可選用常規(guī)的汽輪機(jī);仍需配置相應(yīng)的除鹽水系統(tǒng)、輔機(jī)循環(huán)水系統(tǒng)。凝氣裝置目前使用的冷卻方式，以空冷居多。雖然光熱技術(shù)的發(fā)電系統(tǒng)類似于火力發(fā)電系統(tǒng)，但是還是有一定的區(qū)別，這樣就要要求汽輪機(jī)具有頻繁啟停、快速啟動、低負(fù)荷運行、高效性等特點。

塔式光熱發(fā)電調(diào)試過程

與傳統(tǒng)的火力發(fā)電廠的調(diào)試一樣，塔式光熱發(fā)電也是按照系統(tǒng)來進(jìn)行分系統(tǒng)調(diào)試及整套啟動調(diào)試：

1、與傳統(tǒng)電廠一樣，需完成常用受電及化學(xué)制水，整個施工正常開始。

2、鏡場、定日系統(tǒng)的安裝及自動控制的調(diào)試。鏡場做為光熱電廠的能源來源，在完成單一鏡面安裝后，需完成單一鏡面的控制系統(tǒng)及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的試運調(diào)試;在整個鏡場的鏡面完成安裝調(diào)試后，對整個鏡場的定日系統(tǒng)的追蹤調(diào)試，及鏡場自動化的調(diào)試，包括電廠啟動過程鏡面的投入比例、應(yīng)對惡劣自然條件的自我保護(hù)、鏡場的定期自檢功能的測試以及后期運行的定期清理等。

3、熱傳輸系統(tǒng)，目前分為單一回路和兩回路熱傳輸系統(tǒng)。

3.1單一回路以水工質(zhì)為例，水工質(zhì)塔式熱發(fā)電技術(shù)通過給水泵將給水送至塔頂?shù)奈鼰崞魃?，在吸熱器里直接被加熱蒸發(fā)產(chǎn)生飽和蒸汽，驅(qū)動汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)發(fā)電;或是在塔頂添加另一個過熱蒸汽吸熱器，將高壓蒸汽過熱后再驅(qū)動汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)發(fā)電。此單一回路就與傳統(tǒng)火電系統(tǒng)相類似。系統(tǒng)在試運行前需進(jìn)行相應(yīng)的水沖洗及整個蒸汽管路的吹管工作，避免管路的雜質(zhì)進(jìn)入汽輪機(jī)對汽輪機(jī)產(chǎn)生損害。

3.2兩回路熱傳輸系統(tǒng)根據(jù)集熱場載熱傳熱介質(zhì)不同主要分為：熔鹽、壓縮空氣。目前多用的二元熔鹽其主要成分是NaNO3和KNO3。系統(tǒng)流程是290℃的冷熔鹽從冷儲熱罐中抽出至位于塔頂?shù)奈鼰崞?，被加熱?65℃，然后借重力回到熱熔鹽儲熱罐中，再由熱鹽泵抽出經(jīng)過蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)而產(chǎn)生高溫高壓蒸汽來驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電。此系統(tǒng)的調(diào)試關(guān)鍵包含熔鹽泵的穩(wěn)定運行、熔鹽循環(huán)的低溫度凝固、熔鹽初次的化鹽及進(jìn)鹽工作、熔鹽罐系統(tǒng)的保溫工作。因為熔鹽一旦凝固在系統(tǒng)中是不可逆的，對系統(tǒng)是破壞性的。因此熔鹽泵的穩(wěn)定控制，目前一般多設(shè)計為變頻控制，在上塔管路中增設(shè)類似于傳統(tǒng)電廠的鍋爐給水調(diào)節(jié)閥，通過流量嚴(yán)格控制集熱器出口的熔鹽溫度。熔鹽循環(huán)低溫度凝固問題，根據(jù)熔鹽的熔點一般在200多攝氏度左右，為避免太陽下山后吸熱器及管道熔鹽凝固需消耗大量能量。在日落時，將整個管路中的熔鹽回收至熔鹽罐;在次日系統(tǒng)重新運行時，通過熔鹽管道上環(huán)繞電阻絲先對整個管道進(jìn)行預(yù)熱，達(dá)到預(yù)定溫度后才充入熔鹽。吸熱器是靠定日鏡系統(tǒng)來預(yù)熱，在系統(tǒng)啟動前，部分定日鏡對準(zhǔn)吸熱器，待其溫度升至260℃以上后才充入熔鹽和運行系統(tǒng)，從而避免熔鹽在系統(tǒng)中凝固。

熔鹽的初次化鹽和進(jìn)鹽工作，在整個鏡場及集熱系統(tǒng)具備投運條件后，需對系統(tǒng)進(jìn)鹽，而初期的鹽為粉末狀的固體，初期用蒸汽進(jìn)行加熱，直至固態(tài)熔鹽熔化為220℃(熔點)液態(tài)，經(jīng)熔鹽制備泵加壓后再送至電加熱熔鹽爐，加熱至290℃后送至冷熔鹽罐，供系統(tǒng)所用。當(dāng)制備夠相應(yīng)數(shù)量后，冷熔鹽罐達(dá)到一定液位后，啟動太陽能集熱區(qū)的循環(huán)，通過集熱器將熔鹽加熱至較高溫度(最高565℃)，循環(huán)儲存在熱熔鹽罐中。當(dāng)制備的熔鹽達(dá)到足夠數(shù)量后，一部分高溫熔鹽輸送至熱熔鹽罐，然后開啟至熔鹽制備槽的電動閥，把高溫熔鹽放至熔鹽制備槽中，加入一定量固態(tài)熔鹽與高溫熔鹽混合熔化為290℃液態(tài)熔鹽，由于熔鹽量增加，開啟兩臺熔鹽制備泵加壓，經(jīng)電加熱熔鹽爐旁路輸送至冷熔鹽罐。由此可停用蒸汽加熱熔鹽爐和電加熱熔鹽爐，而采用太陽能加熱制備熔鹽。隨著制備的液態(tài)熔鹽的逐漸增多，可逐漸增加太陽能集熱區(qū)加入循環(huán)，直至所有太陽能集熱區(qū)投入循環(huán)，最后再完成蓄熱部分的熔鹽的制備。至此，整個的首次熔鹽進(jìn)鹽工作完成。由于熔鹽的低溫凝固特性，二元鹽凝結(jié)保護(hù)是必須的，因為一旦罐體里出現(xiàn)了晶體后就無法再融化，而大面積的凝固后電站就無法再運行，整個罐體的破壞是不可逆的。首先熔鹽罐底部的地基由下往上分為以下幾部分組成：混凝土層、隔熱層、泡沫層和耐熱(耐火)層。其次通過兩種方法，一是通過熔鹽泵來進(jìn)行罐體內(nèi)循環(huán);二是通過儲熱罐中的電加熱器來加熱保護(hù)。每個罐中通常有多組電加熱器。當(dāng)溫度降低，電加熱系統(tǒng)自動投入運行。

3.3.蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)

針對兩回路系統(tǒng)，蒸汽發(fā)生系統(tǒng)通過熱熔鹽和水進(jìn)行換熱，產(chǎn)生高溫高壓的過熱蒸汽來推動汽輪機(jī)組，帶動發(fā)電機(jī)工作。系統(tǒng)主要包括：預(yù)熱器、蒸發(fā)器、過熱器。換熱器皆為管殼式，其中預(yù)熱器、過熱器的管側(cè)為水/蒸汽，蒸發(fā)器管側(cè)為熔鹽，相應(yīng)的殼側(cè)分別為熔鹽和飽和水。太陽能電站的特點是系統(tǒng)可能需要每日起停，包括蒸汽發(fā)生系統(tǒng)。當(dāng)然電站沒有足夠的儲熱量時，每日系統(tǒng)重新啟動時需對換熱器進(jìn)行預(yù)熱，使換熱器的溫度均勻分布后，才進(jìn)入正常工作狀態(tài)，產(chǎn)生的高壓蒸汽部分來預(yù)熱汽輪機(jī)和蒸汽管路。當(dāng)然溫度和壓力達(dá)到汽輪機(jī)啟動要求時，汽輪機(jī)就將進(jìn)入正常啟動運行狀態(tài)。系統(tǒng)的預(yù)熱需輔助蒸汽，此蒸汽來自儲熱系統(tǒng)的余量產(chǎn)生。若系統(tǒng)帶有大容量的儲熱系統(tǒng)，因此在天氣好的情況下，系統(tǒng)將24小時運行，無需考慮蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)的預(yù)熱過程。因此兩回路的系統(tǒng)還涉及到蒸汽系統(tǒng)的吹管工作，通過蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的高溫高壓蒸汽來實現(xiàn)此工作。

3.4常規(guī)島

經(jīng)過蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的主蒸汽從過熱器引出后送到汽輪機(jī)做功，做功后的乏汽排入凝汽器。經(jīng)做功后，汽輪機(jī)將蒸汽的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?，并?qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電，發(fā)電機(jī)將動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。汽輪機(jī)低壓缸排汽在凝汽器中被冷凝成水，凝結(jié)水進(jìn)入凝結(jié)水泵，升壓后的凝結(jié)水經(jīng)軸封冷卻器、低壓加熱器，最后進(jìn)入除氧器，除氧器具有加熱、除氧及貯水功能。除氧后的給水經(jīng)給水泵升壓后，流經(jīng)高壓加熱器分兩路進(jìn)入蒸汽發(fā)生系統(tǒng)系統(tǒng)的預(yù)熱器，然后進(jìn)入蒸汽發(fā)生器。完成整個循環(huán)工作。整個常規(guī)島的調(diào)試工作與傳統(tǒng)火電一致，在此就不做介紹。完成上述的各系統(tǒng)調(diào)試運行工作后，整個系統(tǒng)具備投運條件后，整個電廠便具備了生產(chǎn)運行的條件。

全球塔式太陽能光熱發(fā)電項目匯總

塔式光熱發(fā)電設(shè)計規(guī)范的五大重點技術(shù)難題

1、太陽能資源評估，塔式太陽能光熱電站規(guī)劃、站址選擇，包括我國西北、西南太陽能資源豐富地區(qū)的太陽能資源評估;考慮太陽能資源豐富地區(qū)平均溫度較低，沙塵、高原、大風(fēng)且水資源相對匱乏等外部環(huán)境制約因素對塔式太陽能光熱電站規(guī)劃、站址選擇影響等。

2、塔式太陽能光熱電站聚光系統(tǒng)、總平面布置設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)，考慮太陽光譜特性、大角度入射的像差特性及太陽發(fā)散角對定日鏡的光學(xué)設(shè)計影響研究，以及定日鏡的位置、塔高、地形、吸熱器的接受角等因素對總平面布置的影響等。

3、塔式太陽能光熱電站吸熱(輸送)系統(tǒng)、儲熱系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)，傳熱儲熱形式、參數(shù)以及主要設(shè)備性能、參數(shù)研究，形成傳熱儲熱工質(zhì)/換熱器耦合一體化設(shè)計方案。

4、塔式太陽能光熱電站定日跟蹤及集成控制關(guān)鍵技術(shù)，包括定日鏡跟蹤定位技術(shù)、控制技術(shù)研究，各運行工況下環(huán)境氣象參數(shù)監(jiān)測、電力系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測、定日鏡控制、熱力系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)等的總體控制、協(xié)同管理策略研究。

5、塔式太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)，塔式太陽能光熱電站的“聚光-吸熱-傳熱-儲熱-發(fā)電”熱力系統(tǒng)集成研究，考慮風(fēng)、沙、水等外部環(huán)境因素影響，進(jìn)行多工況的分析，形成各種氣象條件下塔式太陽能光熱電站的系統(tǒng)組成方案。