塔式太阳能热发电的技术探讨

孙 泓， 毛申允

（上海电气电站设备有限公司电站辅机厂，上海，200090）

1 概 述

太阳每秒钟放射的热量约3.75×1023kW，其中到达地球陆地表面的辐射能约1.7×1013kW，相当于目前全世界1年内消耗各种能源所产生总能量的35000多倍，这还不包括辐射在海洋上的能量。如能利用其中极少部分（辐射在世界沙漠面积的1%）用于发电，就足够全世界的能源消耗。太阳的寿命至少尚有40亿年，相对于人类历史来说，源源不断地供给地球的太阳能，真可谓取之不尽用之不竭。

我国的太阳能资源非常丰富，从青藏高原、新疆到内蒙古高原的广大西部地区，都是太阳能的高辐射地区。其中约80多万km2的荒漠地带是太阳能辐射最丰富的地区，每平方公里的太阳能辐射功率达百万千瓦级。如果按照35%的热电转换效率计算，每平方公里的发电量可达约35万kW·h。这80多万km2的荒漠中，只需利用几个百分点的土地，就可达到10亿千瓦级的供电水平。利用我国西部地区约10万km2的面积地域，就可以产生满足我国1年消耗的电能。太阳能热发电具有明显的环境优势。据估计每10MW太阳能热发电将减排CO2约5000吨／年，且不产生固体废料。因此，利用太阳能热发电，对于缓解全世界特别是我国能源紧张和环境恶化的局面具有重要的战略意义。

在太阳能利用中，光伏发电和光热发电是两个不同的发展方向。首具商业化水平的是以太阳能电池为代表的太阳能光伏发电系统。光伏发电是利用硅板直接将太阳能转化成微电流，通过收集系统汇集成一定量的电能达到商业使用所要求的能级。近年来，虽然我国光伏发电发展很快，但还不能解决电能的大规模储存问题，所以，以此替代化石燃料供电还有很长的路要走。

太阳能热利用的另一个发展方向，是通过光热转换来获取热能并加以利用。其典型例子即是已进入家庭的太阳能热水器，这是低温范畴的光热转换系统（100℃等级）。另外，近年开始运用的建筑绿色能源系统，则把太阳能热利用提高到了中温等级（100～400℃）。用于房屋采暖、照明、空调、通风等综合能源系统。

太阳能利用具有明显的不稳定性，在阴天或晚上，便无法正常工作，即使在阳光充足的白天，只要有大片云彩飘过，太阳光就会大打折扣。要想大规模利用太阳能，进而取代化石燃料向电网输送绿色能源，必须解决采集和输送的不稳定性，规避其对电网的冲击波动。应使太阳能发电装置能在微弱日光的环境下，还能稳定正常地发电，必须走大规模储存太阳能热发电道路。

近年，在这一领域已初步形成了具有高效率、大容量、高参数、高聚光比，能与大型汽轮发电机组或蒸汽－燃气联合循环机组配合，取代燃煤锅炉直接向电网供电的“集聚型太阳能热发电”系统，简称CSP（Concentration Solar Power）。国际上主导的太阳能热发电系统型式有三种：“碟式”、“槽式”和“塔式”。

这三种太阳能发电方式中，塔式的聚光比最大，达到了800：1的高倍数，极大地提高了单套机组的效率，同时大幅度降低了投资成本，成为目前国际上领先的太阳能热发电装置。

塔式太阳能热发电装置能把大量日光反射到一个小范围的区域，从而极大地提升了接收区域的温度水平，使得高通量的热流被尽可能地集中收集，避免了收集过程的散热损失。目前已实践的塔式接收装置，其集热器的外表面温度可达1000℃以上，这使得作为吸热工质的水介质瞬间达到临界参数以上。这为整个机组的发电效率达到朗肯循环机组效率成为可能。塔式太阳能热发电装置，见图1所示。

图1 塔式太阳能热发电装置原理图

塔式装置中的储热系统，能将白天收集到的太阳能储存起来，在没有阳光的条件下，也能向发电机组提供稳定的热源供其发电。目前，国际上均按13h汽轮发电机组铭牌出力连续运行，作为储热系统热容量的设计标准。在采用熔融盐作为储热介质的装置中，热储罐中的550℃的热融盐在储存1个月后，温度仍可保持在475℃左右，仅下降75℃。由于有了高通量的塔式集热器，以及高储热效率的融盐储罐，使得塔式太阳能热发电技术趋于成熟。克服了太阳能发电的不稳定性，避免了对电网的冲击，使得这种技术进入商业市场，逐步取代化石燃料火电机组成为可能。

根据国外研究，一套完善的塔式太阳能热发电机组在单独运行条件下，已可达到年投运率65%的水平，如采用与其他能源方式联合运行（比如蒸汽－燃气联合循环或火电、水电、风电等）则可以极大提升绿色能源比重，大幅减少环境污染和对化石燃料的倚重。

2 塔式太阳能热发电的技术分析

现以美国南加州太阳二号为例，分析塔式太阳能发电机组设备构成及运行特点。

太阳二号的额定发电功率为10MW，由2000面定日镜将太阳光反射聚集到集热器，集热器位于一座300英尺高的塔顶。通过集热器的吸热，将热量传递给内部的吸热工质，这个工质为熔融盐，由60%的硝酸钠和40%的硝酸钾组成。工质在熔盐冷储罐里预加热为液态后，被泵到集热器里吸热，成为高温工质后再回流至高温储罐里。当储罐内的热工质聚集到一定容量后，被泵入蒸汽发生器将热量传递给给水。给水被加热蒸发后，形成过热蒸汽，送入汽轮发电机组冲转汽轮机发电，放出热量后的熔融盐返流到冷储罐里待用。

太阳二号主要设备由定日镜与镜场、聚光塔、集热器、融盐储罐、融盐泵、蒸汽发生器和朗肯循环汽轮发电机组主辅设备组成（包括汽轮机、发电机、凝汽器、冷却塔、凝泵、给泵、高低压加热器、除氧器、补水处理设备等）。与火力发电机组相比较，最主要是省去了化石燃料锅炉及其辅助设备。

2.1 定日镜与镜场

定日镜有2000面，镜场面积总共81000m2，每面镜的外框尺寸41m2，由16块小镜子组成，2000面定日镜呈360℃范围环绕聚光塔布置，见图2所示。

图2 太阳二号镜场实景

定日镜原理与日常使用镜子类同，但是对玻璃材质、几何尺寸和镜背的镀层均有很高要求，镜子的光热反射率为98%，既要耐腐蚀，耐风沙磨损，又要耐高温灸烤。定日镜架必须尺寸精准，传动装置跟踪响应同步平衡，抗风能力强。在计算机程序的精确计算下，每天每时各个镜子的反射角度均不同，需要很复杂的动态跟踪系统，见图3所示。由于反射余弦角不可互相干涉，镜场占地的大小与聚光塔的高度、镜面大小、地理纬度、检修空间等有关，需综合评估投资、运行、维护等因素来确定，由于定日镜和镜场（包括土地成本）占到了机组总投资成本的近一半，所以科学布局定日镜场是非常必要的。土地成本则因地而异，在美国南加州的戈壁滩上，地价可以很便宜，在我国的青藏高原、内蒙古中西部沙漠、新疆的戈壁滩，其土地成本较低，但其他费用会相应升高。在我国东部沿海地区，则土地成本会大幅度增加，但其他费用会有所下降，这需要综合考虑评判。

图3 太阳二号的定日镜

2.2 聚光塔

聚光塔的作用是将集热器的位置尽可能地抬高，以便最大限度地利用有限的土地，更密集地布置定日镜数量，见图4所示。

图4 太阳二号的聚光塔

太阳二号的塔高已达300英尺（将近100m），这仅为10MW发电功率的机组，如果是50MW，甚至是400MW的机组，塔高是不可能按比升高的，当塔高被限制在一定限度内时，如何设计定日镜场以提高单机出力，将是这种形式太阳能热发电装置的发展关键。聚光塔通常为铁塔和钢筋水泥塔二种，抗风防雷是关键。但水泥是少不了的材料，使用耐高温的混凝土成为必然，近千度的高温会烧坏塔表面的一切构件。我国已研制出可耐温900℃的新型混凝土材料。

2.3 集热器

集热器的功用是收集定日镜反射来的阳光并传递能量给系统工质，是整个系统的关键设备，也是太阳能系统与热电系统的转换点。世界各大公司对集热器均有深入研究，设计方法和型式结构也大不相同，见图5所示。对于扇型布置的镜场多采用单面布置集热器，比如内腔式集热器。对于环形布置的镜场则需要采用外表面式集热器。

图5 太阳二号的集热器

太阳二号采用的集热器是一种园柱型、外表面式集热器，由24个管屏围成园壳状，园壳直径约5m，有效高度超过6m，有效受热面约97m2。平均每平方米的受热面的能流密度达430kW，整个集热器的吸收功率为42MW。在吸热管的外表面需镀履黑色镀层，这种镀层具有强度高、耐高温循环等材料特性，对阳光的吸收率达95%。集热器能适应温度的急剧变化，在晴天，当有云层飘过遮蔽阳光时，集热器的工作温度可在1min内，从565℃下降到287℃，所以，集热器的吸热面不仅要选用很好的材料，结构强度也要能承受交变热应力的冲击。集热器是塔式太阳能热发电的关键设备，直接影响到整个机组的效率和安全可靠性。

2.4 熔融盐

太阳二号集热器换热管内的工质是熔融盐，其特性是具有很大的热比容，并且熔点和沸点均很高，经研究，太阳二号的熔融盐其熔化温度为290℃，汽化温度约为565℃，设计控制集热器内的最高温度不超过545℃，这保证了工质不会因汽化相变而产生高压。熔融盐加热融化后，其粘度与水很接近，以此取代水作为换热储热工质，具有输送方便、吸热量大、便于储存的优点。不过这种物质也具有明显的缺点：具有一定的毒性和腐蚀性，融点温度高，在220℃以下，就会凝结成固体状，这给系统管道阀门等附件带来了麻烦，一旦受冷或有死角，就会在管道内淤积堵塞。

太阳二号采用了冷熔盐罐和热熔盐罐存放熔盐，共可存放1440吨，蓄热能力为105MW·h，可供汽轮机满负荷运行3小时。

系统工作时，冷盐罐内的熔盐预热到全熔解温度以上，通过熔盐泵输送到高塔上的集热器内，吸热升温后返回输送到热熔盐罐。达到一定容量后，再输送到蒸汽发生器，加热给水产生蒸汽，驱动汽轮机发电，熔盐放热降温后返回冷盐罐。太阳二号采用了熔融盐中间回路后，将集热与发电分成二个独立回路，避免了太阳光幅射的不稳定性对电网的冲击，且使机组能在微光环境下（有云遮挡或太阳下山后）能继续工作。该电站从1997年投入运行至今，集热器的效率比不用熔盐的太阳一号机组大幅提高，其集热效率达到88%，自身耗电减小了29%，至今仍作为尖峰负荷机组作商业化运行。近年，有1种三元复合熔融盐（7%NaNO3＋53%KNO3＋40%NaNO2）被用作吸热储热工质，具有融解温度低，使用范围广（最低融解温度200℃，最高液态温度高达900℃），低毒性、低腐蚀性、比热容更大的优点。

提高储热能量的途径是采用更高效的工质，或是增加储热工质的总容量，整个机组用什么传热储能工质，需要多少量的工质，由整体设计规划给定。研制更高效更安全可靠，能全天候运行的发电机组已经成为可能。

2.5 蒸汽发生器与预热器及过热器

太阳二号因使用了复合熔融盐为工质，也使蒸发器的设计与众不同，传热工质是高温熔盐，管内走溶盐，管外走给水和蒸汽。这给蒸发器的设计运行均提出了新的课题。同样，在储热放热回路中，熔融盐工质还担负着对蒸汽的再加热功能，这些热交换器均面临高温、高腐蚀性，易冻堵等难题，是有关设备设计制造商需面对的挑战。

2.6 汽轮发电机组及回热系统辅机

目前，太阳能所转换而得的热能还处于小型化、中压等级阶段，尚未达到大型机组所需要的大流量高品质蒸汽阶段。太阳二号的汽轮机蒸汽入口参数为10MPa，525℃，可在下午1时到晚上11时连续满负荷运行。目前阶段的技术发展更适合于做为尖峰负荷机组，以解决电网的高峰用电需求。由于没有中间再热，其发电效率达到30%～40%已属很好，差于中间再热机组的45%效率。这种中压机组需根据上述特点作特殊设计。作为发电单元朗肯循环必配的回热系统也是必不可少的。凝汽器、高低加、除氧器、给水泵、补给水处理等设备均为常规必备。

2.7 电厂运行模式

图6 双级蓄热与双运行模式的塔式太阳能热发电系统

太阳二号采用熔融盐进入集热器吸热后再储存输送到蒸发器，提高了运行效率，简化了系统布置，减少了各种热损失。不过其本身具有的介质毒性、腐蚀、冻堵等特性，要求系统设备和连接管道阀门具有很好的高温性能和尽可能少的密封件，并且在送达高塔的过程中，连接管道系统均需布置预热解冻设备和非接触磁性探测设备。这也使系统的检测、加热成本升高，运行难度增加。

近年来，也有其他国家的工程师及研究机构，尝试采用双级蓄热与双运行模式的塔式太阳能热发电系统，系统流程见图6所示。

这种系统的集热器内的工质是水和水蒸汽，这使得向塔顶输送工质变得简单。水在集热器里受热蒸发，产生高温高压过热蒸汽，高品质的蒸汽可以直接用来冲转汽轮机，设计采用双级蓄热系统，可将多余的蒸汽进行贮存，将高参数热能通过换热器，传递给复合熔融盐，由熔融盐担任高热值热能储存工质，安排1个高温储罐、1个低温储罐形成封闭回路，先将塔顶输送来的多余蒸汽携带的热量通过换热器将熔盐加热后，回流至高温储盐罐备用。当夜晚或太阳被遮挡时，再通过熔盐泵输送到蒸汽再热器中，加热存贮备用的蒸汽。第二个储热回路是将塔顶集热器输送来的多余蒸汽，通过换热器将大部分热量传递给熔融盐以后，低品位的汽水混合物输送到蒸汽蓄热器储存备用，当需要使用备用蒸汽时再泵出汽水混合物，进入过热器被熔盐重新加热形成过热蒸汽后送汽轮机作功。这种双工质、双循环储热系统将熔融盐限制在很小的一个回路里，既解决了大规模储热，又避免了熔盐给系统带来的麻烦，不失为简单实用的系统。

3 塔式太阳能热发电技术的经济分析

比较塔式装置与常规火电装置的最大区别，在于塔式装置取消了锅炉，从而避免了最大的能源污染。它们具有同样的汽轮发电装置，只是用太阳能收集转换系统来提供汽源。这就为太阳能进入电力网创造了条件。

太阳二号是在太阳一号的基础上改建的装置，在建设过程中，原太阳一号的部分设备被利用，这使得太阳能二号的成本分析出现了偏差，不利于作为商业化成本分析的样板。为此，美国有关部门对太阳二号的成功投运及今后规模化应用，进行了深入分析与预测，表1是按照2010年，2020年规模化商业电站要求计算的经济性分析结果。

由表1数据可知，定日镜场的投资成本占到整个电厂投资的40%～50%，而塔和集热器系统、储热系统的占比约为25%，项目总投资分别是5.21亿美元和5.05亿美元。

表1 未来规划电厂主要性能成本指标

综上所述，美国对太阳能热发电的研究和市场前景作了深入的研究，欧盟的大型太阳能热发电路线图文件也在贯彻之中，市场前景非常宽广。同时也应该看到，我国至今仍无成规模的已在运行的塔式太阳能热发电试验装置。从美国南加州爱迪生公司的2010年～2020年市场分析预测的成本为0.565～0.0547＄／kW·h·yr。从国内实际情况看，我国的太阳能发电成本还很高，据分析，目前的实际成本不会低于4元／千瓦时，与火电、核电相比，还有很大差距，只有逐步形成可观的规模化和完整的产业链后，其成本才能大幅下降。

4 发展瓶颈和关键技术

在我国，要建立高效率、大容量、高聚光比的太阳能热发电系统，需要尽快解决一系列的关键技术难点。

（1）系统设计软件的优化。用模拟与仿真手段探索大型装置的占地和占空问题（比如采用立体布置定日镜以节省土地等）。

（2）聚光系统设计优化。如何提高聚光比和聚焦温度，目前的水平已达到800倍的聚光比，如何进一步提高聚光比，才能进一步提高卡诺循环的热效率。

（3）高反射率、耐腐蚀、耐磨损定日镜的研制。

（4）大功率集热器是塔式太阳能热发电的关键设备，其设计准则、主体结构研究，选择性吸热涂层材料的研制；换热管金属材料的耐高温、耐腐蚀特性研究等均需重点进行研发。

（5）高温传热储热工质材料及其传输系统，三元复合硝酸盐的制备技术及热物理特性研究。

（6）储热传热单元设备管道系统的预热保温、疏通、融堵技术。

（7）高温熔盐泵的设计、选型。能在600℃以上工作温度下长期稳定工作的大流量熔盐输送泵。

（8）工质为熔盐的各类热交换器，其中以主蒸汽发生器最为重要，设计技术、制造工艺、运行方式、内部启停、预热清理等均为亟需解决的难点问题。

［1］CALIFORNIA ENERGY COMMISSION.Renewable Energy－SOLAR TWO CENTRAL RECEIVER［M］.Gray Davis，Governor：1999.

［2］Commission Decision，Arnold Schwarzenegger，Governor.IMPERIAL VALLEY SOLAR ENERGY PROJECT （FORMERLY SES Solar Two）［M］.CALIFORNIA ENERGY COMMISSION：2010.

［3］Sargent ＆ Lundy LLC Consulting Group.Assessment of Parabolic Trough and Power tower Solar Technology Cost and Performance Forecasts［J］.NREL，2003（10）.

［4］Jesus M.lata.HIGH FLUX CENTRAL RECEIVERS OF MOLTEN SALTS FOR THE NEW GENERATION OF COMMERCAIL STANDALONE SOLAR POWER PLANTS［J］.SolarPACES，2006.