基于太阳能热发电储热方案的研究

舒 悦，许 强，胡巧巧

河海大学机电工程学院，江苏 常州 213022

1 太阳能热发电技术

太阳能热发电技术：将吸收的太阳辐射热能转换成电能，包括两类：一类是利用太阳热能直接发电，如半导体或金属材料的温差发电碱金属热点转换和磁流体发电等；另一类是将太阳热能通过热机带动发电机发电。而根据太阳能热发电系统中所采用的集热器的型式不同，可以分为分散型和集中型两大类。

2 太阳能热发电的基本原理

太阳能热发电系统由聚光集热子系统、蓄热子系统、辅助能源子系统和汽轮发电子系统四部分组成。利用太阳能集热器将太阳能收集起来，加热工质，产生过热蒸汽，驱动热动力装置带动发电机发电，从而将太阳能转换为电能。从热力学上讲，这种太阳能热发电站也是按朗肯循环或布劳顿循环原理工作的，在热力学原理上与常规热力发电厂完全一样。技术上把这种按朗肯循环或布劳顿循环原理工作的太阳能热电转换称为太阳能热发电，以区别于太阳能光伏发电。

3 储热系统的组成及设计

3.1 蓄热技术

蓄热储能是太阳能热发电系统中的关键技术。显热蓄热是目前技术最成熟且具有商业可行性的蓄热方式。显热蓄热又分为液体显热蓄热、固体显热蓄热、液-固联合显热蓄热三种。槽式系统蓄热装置通常有两种布置形式：间接蓄热和直接蓄热。塔式系统蓄热装置通常采用熔融盐液作为传热介质/显热蓄热材料的方式。系统设计中采用了双级蓄热流程结构，将太阳能收集到的热量根据品位进行分级存储，高温热量由高温蓄热器存储，中温部分由低温蓄热器存储；蓄存热量释放时，高温蓄热器用于蒸汽的过热过程，而低温蓄热器用于蒸汽的发生过程，相互独立。

3.2 储热系统的设计

塔式太阳能热发电热电转换系统主要由换热器、高温蓄热罐、低温蓄热罐、水蒸汽蓄热器、辅助加热器、泵、汽轮机、除氧器、凝汽器等组成。而其储热系统分为高温蓄热系统和低温蓄热系统。

图1 蒸汽蓄热器结构图

蒸汽蓄热器是最典型的利用液体-汽体相变潜热的蓄热器，其结构如图1。其工作原理：利用水的蓄热能力，将热能以饱和水的形式储存，需要时，以饱和蒸汽的形式释放。蒸汽蓄热器工作时，其罐内充水最多可达几何容积的90%，水面上部为蒸汽空间。当压力升高时，部分蒸汽转化成饱和水，反之，压力下降时，部分饱和水汽化为蒸汽。饱和水和蒸汽随压力变化而变化。换热器出来的过热蒸汽由进气管输送进蒸汽蓄热器，蓄热器内温度随蒸汽的不断输入而上升，蓄热器内的蒸汽压力也随之升高，水位随之上升，称为充热过程。随着排汽管自动控制阀7开度变大，饱和水迅速蒸发，产生二次蒸汽，蓄热器内压力下降，水位降低，即为放热过程。

为了降低风险，可采用导热油作为高温蓄热系统的蓄热、传热介质。根据设计要求，换热器设计参数，进行热力计算，给出导热油及水蒸汽的物性参数，计算出各个项目的相关数据，如最小安全系数、温度校正系数、总传热系数等。

3.3 导热油罐的设计

导热油罐的设计思路：根据设计要求，进行相关结构的计算，然后选择合适的材料。本文主要论述高温导热油罐的设计。

设计要求：工作温度：240℃～350℃；工作压力：常压；工作介质：THERMINOL VP-1合成导热油；蓄热能力：≥1500 kWh，无太阳能输入时，可维持系统继续运行1小时；结构：高温导热油罐体采用立式圆筒形容器，由顶盖、筒体和罐底三部分组成，通过支座安装在基础或平台上。

结构计算：根据导热油质量m，导热油密度，得出导热油体积：高温导热油罐容积V需乘以一个比例系数。油罐其他部件参数的计算略。

3.4 蒸汽蓄热器的设计

热力计算：根据热平衡原理：蓄热器内原有充热水量等于产生的蒸汽量和剩余热水热量之和。

假设在蓄热器中充有1kg饱和水，其压力为P1，当压力由P1下降到P2时，产生蒸汽g kg。则其热平衡方程为：

4 结论

储热系统的一个特性是它储存每单位能量所需的容积，容积越小，储热系统越好。设计一个好的储热系统，应将储存时间长、储存单位能量所需的容积小这些指标达到相对比较高的要求。

[1]王长贵，崔容强，周簧.新能源发电技术[M].北京：中国电力出版社，2003.

[2]左远志，丁静.蓄热技术在聚焦式太阳能热发电系统中的应用现状[J].化工进展，2006，25(9)：995-1000.

[3]郑体宽.热力发电厂[M].北京：中国电力出版社，2001.