太阳能化石燃料热互补发电系统

■ 王康 张娜 韩巍

(1.中国科学院工程热物理研究所；2.中国科学院大学)

0 引言

由于太阳能能源利用率，低造成太阳能热发电成本高的科技难题一直是限制和阻碍太阳能热发电系统广泛应用的重大瓶颈。具体原因有两点：第一，太阳能辐射能量密度低，空间分布不均匀，时间分布不恒定造成输出电量不稳定和储能困难；第二，太阳能集热过程与能量传递转化过程存在严重能的品位不匹配的关键科学问题。太阳能聚光集热效率随着集热温度的提高而下降，但由工程热力学基本原理可知，热机工质温度越高，热功转换效率就越高，所以1000 ℃以上的高温集热都有着投资成本高、设备复杂和光热转换效率低等缺陷[1]。

不论是基于太阳能热能，还是基于煤炭、天然气等化石燃料的单一发电系统，在能源利用过程中都存在自身系统难以解决的难题。而将太阳能利用方式和化石燃料利用方式集成的太阳能化石燃料互补不仅吸收了两种能源利用的优点，还能克服上述两种单一能源系统自身的难题。换言之，太阳能化石燃料互补发电系统是解决太阳辐射不稳定、功热转换效率低等难题，减小化石燃料消耗，降低有害物质和温室气体的排放量，实现“共赢”的节能型、低碳型的新型发电系统。

太阳能与化石燃料互补目前有两种互补耦合方式：热互补和化学互补。热互补是指将太阳能聚集转换成热量后，以热量的形式参与发电系统中各热量传递环节，涉及到的物质变化都是在物理范畴内。而热化学互补，是指借助热能转换方法和热化学反应过程，将所聚集的太阳能通过驱动某些吸热的化学反应(如化石燃料水解、重整、裂解等)转化为生成物(通常为合成燃料)的化学能，然后进一步在发电子系统中实现热功转换。本文主要对热互补方式进行综述概括。

早期的热互补方式主要是指以太阳能为主、化石能源作为辅助功能的太阳能热发电系统，只是在当太阳辐射不足时，化石燃料作为备用能源维持系统正常运行或用于过热水蒸汽，改善工质热力参数以提高发电量。化石燃料辅助的主要目的是为了增强太阳能热发电系统工作的稳定性和连续性，同时提高输出功和总热功效率。而现阶段热互补更多出现在以化石能源为主的化石能源发电系统，化石能源发电系统形式的多样化使作为辅助作用的太阳能热互补的方式多种多样，主要是为了将太阳能高效率、低代价地集成在化石能源发电系统，从而达到减少化石燃料的消耗和CO2排放[2-3]的目的。

1 太阳能与化石燃料热互补发电系统

太阳能与化石燃料热互补发电系统与独立的太阳能热发电系统相比，聚光集热子系统与储热子系统是相同的，热功转换子系统因为增加了互补环节而变得更复杂、更多样化。太阳能与化石燃料热互补发电系统种类繁多，目前比较常见的有两种分类方法。

第一种是以所集成的主要热力循环类别为依据划分为：1)太阳能热互补的朗肯循环(汽轮机)；2)太阳能热互补的布雷顿循环(燃气轮机)；3)太阳能热互补的联合循环；4)太阳能热互补的狄塞尔循环(柴油机)；5)太阳能热互补的斯特林循环等。

第二种分类是以太阳能注入动力系统的部位为依据划分为：1)在燃气轮机燃烧室进口前预热被压缩的空气；2)加热燃气透平排气，再流进余热锅炉；3)加热蒸发蒸汽机循环中的高压蒸汽或过热中低压蒸汽；4)预热蒸汽轮机循环给水；5)加热蒸发产生蒸汽并注入汽轮机循环[1]。

以下分别对第一种分类中前3类发电系统进行工作流程的介绍和热互补过程的概述。

1.1 太阳能与化石燃料热互补的朗肯循环发电系统

常见的朗肯循环以工质不同划分为有机朗肯循环和蒸汽朗肯循环，与之相匹配的太阳能和导热介质也相应有所不同。有机物在太阳能热力循环中一般扮演两种角色，一种是自己充当做功工质，参与热力循环，称为有机朗肯循环；另一种是作为导热油，将热能传递给做功工质，多用于蒸汽朗肯循环。

1.1.1 太阳能化石燃料互补的有机朗肯循环发电系统

有机朗肯循环是采用低沸点的有机工质(R113、R123)代替水，吸收热源热量，在低温条件下获得较高蒸汽压力，推动透平做功，因为其效率高、适用性强、简易方便、使用寿命长、维修费用低的优点，近年来一直是太阳能热发电领域研究的热点。利用平板集热器收集到低于100 ℃低品位的太阳能就能使其以较高的热效率(14%左右)工作。例如，在蒸发温度为90 ℃时，以R245为循环工质系统的热效率和效率分别可达12.38%和61.57%[4]。图1是一种典型带蓄热装置的太阳能ORC系统图[5]。有机物种类繁多，在选择有机工质时不仅要根据工作的温度、压力条件来考虑其比热容和汽化潜热，也要考虑到安全性和环保性。

图1 一种典型的太阳能有机朗肯循环系统图

辅助锅炉是在太阳能辐射强度较低时启用，保证进入过热器中的导热油能使系统正常工作。此系统主要依靠化石燃料和太阳能热在数量上的互补，借助有机工质良好的热物性能将低品位的低温太阳能通过汽轮机高效率、稳定、安全地转换成高品质的输出功。当太阳辐射不足或出现较大波动时，可启动辅助锅炉来保证系统稳定输出功。

1.1.2 太阳能化石燃料互补的蒸汽肯循环发电系统

1) 闭式的互补蒸汽肯循环发电系统

因为具有抗热裂化、抗化学氧化、传热效率好、散热快和热稳定性强的良好性能，导热油在太阳能热发电发展的初期就得到了广泛应用。在槽式发电系统，戊烷和异丁烷是很常见的导热油。导热油作为热量传输介质，在蒸汽发生器里与给水进行换热，将200～300 ℃低品位的太阳热能转换成蒸汽的内能，最终以高品位的机械功输出来。水蒸汽进入余热回收系统，在与燃气轮机排气传热过程中两侧温差减小，不可逆损失大幅降低。显然，太阳能联合循环与传统的联合循环相比，不仅因为引入的太阳能而节省了化石燃料的消耗量，还因为减小余热回收系统中传热温差而降低换热不可逆损失，从而提高了化石燃料的效率。

预热汽轮机循环给水和过热水蒸汽是常见、操作简单、行之有效地提高朗肯循环热效率的方式。将太阳能与常规的火力发电厂进行联合，集热器收集的太阳能代替从蒸汽机里抽汽来预热、蒸发汽化汽轮机循环给水和过热水蒸汽。应用这种加热方式可看作是太阳热能加热回路与朗肯循环系统给水回热“并联”相连，各自保持相对独立性，属于闭式的互补方式[6]。图2是一种太阳能预热汽轮机给水系统，经计算，这种系统能使太阳能热电转换效率大幅提升，循环热效率提高了5.2%，化石燃料消耗量降低了12%，太阳能净发电效率提高至16.9%[7]。

图2 一种太阳能化石燃料热互补闭式的互补朗肯循环发电系统图

2)开式的互补蒸汽肯循环发电系统

相对于闭式而言，开式的互补朗肯循环发电系统是指水取代导热油，流经太阳能集热器，被400 ℃左右的太阳能加热汽化后直接进入汽轮机膨胀做功。这种产生蒸汽的方式叫做太阳能直接产生蒸汽(DSG)。从热力循环的角度来看，集热器代替了朗肯循环中的锅炉，直接将液态水加热成水蒸汽，流经过热器后进入透平做功，太阳辐射不足时，启用辅助锅炉来加热。太阳能聚光集热子系统与热功转换子系统紧密相连，形成不可拆分的整体。

基于DSG的太阳能化石燃料互补的朗肯循环发电系统也因为投资成本低、热利用率高等优点不仅可取代锅炉单独以朗肯循环形式存在，还可以朗肯循环与其他热力循环构成新型的联合循环(DSG-ISCC)。DSG技术也存在缺陷，集热器中水受热后会存在气液两相流，导致系统不稳定，降低系统性能。很多学者对此展开深入研究，提出一次通过、逐次注入、再次循环3种方式(图3)。

图3 太阳能直接产生蒸汽的3种方式示意图

图4是一种太阳能化石燃料热互补DSG朗肯循环发电系统图，采用了再次循环方式的直接产生蒸汽的方式。循环水经水泵加压后进入太阳能集热器加热汽化，将太阳能转换成水蒸汽的潜热，经过过热器过热后进入蒸汽透平，最终转换成电能。其与独立的太阳能热发电系统和闭式热互补朗肯循环发电系统相比主要有两个优势：一是减除了导热油－水换热回路，消除了热损失，提高了系统的转换效率；二是价格较贵的导热油在400 ℃容易分解，还要增添储油装置，火灾预防设备，DSG技术节省了投资。美国南加州LUZ公司建造的9座电站中的SEGSIX电站就是DSG朗肯循环，聚光集热器从以导热油为载热介质的LS-3改为以水为载热工质的LS-4型，简化了电站系统。Eck M等[8]对上述的开式热互补发电系统热力计算得出，与闭式系统相比，年平均光电转换效率由14%提升到17%，系统的循环效率从38.4%提升至40%。可见，开式的互补朗肯循环发电系统不仅提高了太阳能的热电转换效率，还节省了化石燃料，整体提升了系统的性能，降低了投资成本。

图4 一种太阳能化石燃料热互补DSG朗肯循环发电系统图

1.2 太阳能化石燃料热互补的布雷顿循环发电系统

太阳能化石燃料热互补的布雷顿循环发电系统通常是指集热器收集太阳能预热燃烧室入口的高压空气，然后进入燃烧室与燃料混合燃烧膨胀做功。太阳能被聚集后直接转换成高压空气的显热，进入燃烧室和透平，与燃料释放的高温热量一起变换成输出功。本系统不仅因为太阳能直接转换成高压空气的内能而提高光热转换效率，而且借助布雷顿循环使太阳能高效率地转换成机械功，增大了系统输出功[9]。

图5是一种太阳能预热空气燃气轮机循环系统图。被压缩后的空气在太阳能接收器中被加热至800～1000 ℃，这里采用的是塔式集热方式，然后再进入燃烧室参与化石燃料燃烧，被加热至约1300 ℃，最后进入透平膨胀做功。当太阳辐射不足或出现较大波动时，可调节燃烧室的燃料量来保证系统能稳定输出功。Barigozzi G等[10]在对一系列不同功率的太阳能预热空气的燃气轮机循环系统进行模拟计算得到以下结论：空气预热后引起其进入燃烧室时温度增大，导致输出功增大，其中太阳能占输入能源份额年均可达30%，并使整个系统的化石燃料转换电能的效率在夏季达到115%，在春秋达到110%，大幅节省了化石燃料的消耗量。如果配置储能系统或增添底部朗肯循环，这一比例会更高。

图5 一种太阳能化石燃料热互补的布雷顿循环发电系统图

1.3 太阳能化石燃料热互补的联合循环发电系统(ISCC)

燃气轮机－蒸汽机联合循环的顶循环(布雷顿循环)和底循环(朗肯循环)保持相对独立性，两者通过余热锅炉子系统相联，所以前面介绍太阳能化石燃料在布雷顿循环和朗肯循环中热互补耦合的方式都可应用在联合循环。除此之外，聚集吸收的太阳能热量还可根据温度的不同注入在余热锅炉子系统的不同构成部分，形成多样化的太阳能热互补方式。

图6为一种典型太阳能化石燃料互补的联合循环系统图。系统由槽式聚光集热子系统、燃气轮机－余热锅炉－汽轮机联合循环子系统，以及辅助设备等组成。化石燃料在燃气轮机的燃烧室中燃烧放热产生高温高压的燃气，然后流进燃气透平膨胀做功，排烟进入余热锅炉回收热量。循环给水在余热锅炉的省煤器中预热后，流入与太阳能集热器相联的蒸发器，受热成饱和水蒸汽又进入余热锅炉过热，达到额定蒸汽参数后进入蒸透平做功，排汽在冷凝器中被冷凝后，又经循环水泵加压进入锅炉省煤器进行循环。Kelly B等[11]在对ISCC系统性能优化计算时，得到以下结论：ISCC系统不仅因为引入了太阳能而节省了化石燃料的消耗、降低了CO2的排放量，还通过联合循环提高了太阳能的光电转换效率。在太阳能占输入能源份额年均12%时，太阳能的光电转换效率在32%～33%之间，比独立的太阳能热发电系统高出十几个百分点。

图6 一种太阳能化石燃料热互补的联合循环发电系统图

ISCC系统除了引入太阳能、节省化石燃料的消耗外，与独立的太阳能热发电系统相比，还有3个优势：ISCC系统借助高效地联合循环，使太阳能更高效率地转换成高品质电能；就相同镜场面积而言，对汽轮机进行扩容改造成本远低于新建成本；通过调节顶循环化石燃料的流量来保证电量的稳定输出。

2 两种新型的太阳能化石燃料热互补联合循环发电系统(ISCC)

随着对布雷顿－朗肯联合循环的深入研究，不断有学者们围绕新技术、新工质与新原理提出结构新颖、效率更高的新型联合循环。注蒸汽燃气轮机(SIGT)循环是美籍华人程大酉首先提出的，在传统的布雷顿循环基础上通过注蒸汽技术来高效率回收透平排热，从而达到增加透平里工质流量和减少工质压缩过程中耗功的目的。而日本Mori Y教授等提出的湿空气透平(HAT)循环，在传统的布雷顿循环基础上通过湿化技术，利用透平排热产生的热水来加热湿空气，从而达到节约燃料、降低排烟温度、大幅增加系统循环比功的目的。这两种循环系统打破了燃气轮机和汽轮机串联的惯例，甚至取消了汽轮机硬件，让蒸汽在燃气轮机中膨胀做功，可看作是布雷顿循环与朗肯循环的“并联”组合。近年来，有学者将太阳能与化石燃料热互补应用在上述两种联合循环中，成为研究的热点。

2.1 太阳能化石燃料热互补的注蒸汽燃气轮机循环发电系统

图7是Livshits M等[12]根据传统注蒸汽燃气轮机循环系统的结构与特征，提出的一种太阳能注蒸汽燃气轮机循环系统，用太阳能集热部分代替余热锅炉中的蒸发器，将水加热成水蒸汽，燃气轮机的高温排热用来预热水和过热水蒸汽，再将过热水蒸汽回注到燃烧室，与燃气充分混合后，一同进入燃气透平膨胀做功。水在10～18 bar压力范围内的蒸发温度是180～234 ℃，这对于槽式集热方式是很容易低成本实现的。

图7 一种太阳能化石燃料热互补太阳能注蒸汽燃气轮机循环系统图

太阳能注蒸汽燃气轮机循环效益显著，太阳能所占的输入能源份额可达到50%，系统总热电转换效率可达55%，其中太阳能转换成电能效率在18%～24%之间。200 ℃左右的低品位太阳能借助水蒸汽的潜热形式直接注入燃烧室，受热升温，然后膨胀做功，转化成高品位的电能。而且利用400～600 ℃的燃气轮机排气来过热水蒸汽也能充分利用燃气余热，蒸汽在燃烧室里与高温燃气混合加热升温，在保证输出功不变的情况下会导致透平排气温度降低，从而使余热锅炉中传热温差减小，提高化石燃料的火用利用率[13]。另外，注蒸汽燃气轮机循环的变工况性能好，功热并供时更为突出，可满足大范围内变化的功热比的要求，如果余热锅炉增加补燃措施，系统的灵活性会更大。

2.2 太阳能化石燃料热互补的湿空气燃气轮机循环发电系统

传统的湿空气燃气轮机循环是先将水分成3股，分别通入高低压压气机之间的中冷器、高压压气机后面的后冷器和回热器后面的水加热器加热，3股热水汇合后在饱和器里与空气逆流充分混合，空气受热并被湿化，同时热水被空气冷却且部分蒸发，湿空气(含10%～45%蒸汽)从饱和器流出来后，流经回热器，进入燃烧室与化石燃料燃烧生成高温湿燃气，最后进入透平膨胀做功。太阳能化石燃料热互补的湿空气燃气轮机循环(Solar HAT)是在传统的湿空气燃气轮机循环基础上再增加一股给水，通过太阳能加热器，与原来的3股汇合进入饱和器。

图8是符合上述工作流程的一种Solar HAT系统。因为引入太阳能，增加了给水流量，在空气流量保持不变的前提下提高了湿空气的湿化比，增加了比功。在图8所示的Solar HAT系统中，压力比为20和燃气透平进口温度为1100 ℃的相同条件下，本系统的输出功为604.7 kJ/kg主流量，而传统HAT系统的输出功为519.9 kJ/kg主流量，提高了16.3%。另一方面，由太阳能输入量和因输入太阳能引起发电量的提高值可得到本系统的太阳能热电转换效率为31.41%，与当下独立太阳能朗肯发电系统的18%相比，得到了大幅提高[14]。

图8 一种太阳能化石燃料热互补的湿空气燃气轮机循环发电系统

3 太阳能化石燃料热互补发电系统中能的梯级利用与两种工作模式

3.1 温度对口，能的梯级利用

在对一些典型的太阳能化石燃料互补发电系统归纳分析可发现，不同温度的太阳能热一般是用来加热不同的物质。200 ℃以下的低品位太阳能热在有机朗肯循环系统(ORC)中与化石燃料互补应用是比较常见的，350～500 ℃的中温太阳能一般在传统朗肯循环以加热水或水蒸汽的方式与化石燃料进行互补，而1000 ℃以上的高温太阳能通常用来加热布雷顿循环中被压缩后的空气。究其原因，选用不同温度的太阳能热来加热相应的不同物质不仅是因为工程限制和应用场合的不同，更是因为不同物质在各热力循环中适用的温度范围不同。

在对引入太阳能动力系统部位选择时，要遵循“温度对口，能的梯级利用”原则。本文1.1.2中所述的太阳能化石燃料热互补闭式的互补朗肯循环发电系统中，当抛物槽集热器聚集太阳能的温度为200～300 ℃时，与传统火电站朗肯循环锅炉中省煤器的温度相匹配，可利用其替代省煤器对工质水加热；当抛物槽集热器聚集太阳能的温度为300～400 ℃时，与传统火电站朗肯循环锅炉中蒸发段温度相匹配，利用其替代蒸发段使水加热气化。低品位太阳能转换成水蒸汽内能后，通过吸收化石燃料燃烧释放出来的热能转换成高品位显热，水蒸汽进入汽轮机膨胀做功，最终转换成电能。这样也实现了低品位太阳能和高品位化石燃料化学能在热力循环中实现梯级互补利用。

3.2 两种工作模式

通常对于太阳能化石燃料热互补发电系统，引入太阳能与化石燃料进行热互补能提高太阳能热电转换效率的同时，还可根据实际需要通过改变局部的构成使系统处于两种工作模式：1)维持化石燃料消耗量不变，增加系统的发电量；2)保证系统发电量不变，节省化石燃料的消耗[15]。上述两种工作模式分别简称为输出功增大模式和燃料节约模式。下面还是以1.1.2中所述的太阳能化石燃料热互补朗肯循环发电系统为例进行详细介绍。

1)输出功增大模式

输出功增大模式是保持系统的其他部件和工作流程不变，将朗肯循环系统的抽汽回热支路与太阳能集热回路并联。循环水从凝汽器流出后分为两股，一股流经抽汽回热支路受热，另一股则流经与回热支路并联的太阳能集热器受热后与第一股汇合后进入锅炉，在主蒸汽流量不变、锅炉吸热量不变的情况下，引入太阳能使得系统对抽汽量的需求减小，导致汽轮机通流部分的流量增大，从而达到增大汽轮机组发电量的目的。但由于主蒸汽流量和参数保持不变，锅炉吸热量不变，即化石燃料消耗量不变。这种输出功增大模式是将太阳能转换成给水的内能，最终变成高品位电能。在能源数量上，是太阳能与化石燃料“叠加”；在能源质量上，是低品位太阳能转化成内能，最终转化成高品位电能。

2)燃料节约模式

系统的其他部件和工作流程不变，将太阳能集热回路与锅炉汽化段并联就开启了系统的燃料节约模式。循环给水从机组最高一级回热加热器流出后分为两股，一股依次流经锅炉中的省煤器、水冷壁，被加热成饱和蒸汽；另一股流入太阳能加热器，被太阳能加热成饱和蒸汽后，与第一股混合后一同进入锅炉的过热器。在主蒸汽流量及抽汽回热参数不变、保证发电量不变的情况下，引入太阳能使得锅炉的吸热量减小，进而达到减少燃料消耗的目的。这种燃料节约模式是将太阳能转换成给水的汽化潜热，最终变成高品位电能。在能源数量上，是太阳能与化石燃料 “等量替代”；在能源质量上，也是低品位太阳能转化成内能，最终转化成高品位电能。

4 小结

太阳能化石燃料热互补发电系统将太阳能聚集转换成热量后，以热量的形式参与发电系统中各热量传递环节，提高了太阳能热电转换效率，在解决了独立太阳能热发电输出电量不稳定这一难题的同时，还节省了化石燃料的消耗，降低了系统CO2的排放量。其中，太阳能化石燃料热互补联合循环发电系统更是以高热电转换效率和热互补形式多样化而受到学者们广泛的研究，具有巨大的发展前景和应用市场。

[1] 林汝谋, 韩巍, 金红光,等.太阳能互补的联合循环(ISCC)发电系统[J]. 燃气轮机技术.2013, (2):9－23.

[2] 金红光, 林汝谋. 能的综合梯级利用与燃气轮机总能系统[M]．北京：科学出版社，2008．

[3] Goswami D Y.Solar thermal power-status and future directions[A]. Proceedings of the 2nd ASME-ISHMT Heat and Mass Transfer Conference [C]，Mangalore，India，1995.

[4] 罗琪. 中低温热源有机物工质发电系统分析[D]. 上海交通大学机械与动力工程学院, 2010, 27.

[5] 刘怀亮,何雅玲,程泽东,等.槽式太阳能有机朗肯循环热发电系统模拟[J].工程热物理学报.2010, (10): 13－16.

[6]Hong H, Zhao Y, Jin H. Proposed Partial Repowering of a Coal-Fired Power Plant Using Low-Grade Solar Thermal Energy[J].International Journal of Thermodynamics, 2011, 14(1): 21－28.

[7] 赵雅文, 洪慧, 金红光. 中温太阳能升级改造火电站的变辐照性能分析[J]. 工程热物理学报, 2010, (2): 213－217.

[8] Eck M, Hirsch T. Dynamics and control of parabolic trough collector loops with direct steam generation[J]. Solar Energy,2007, 81(2): 268－279.

[9] Schwarzbözl P, Buck R, Sugarmen C, et al. Solar gas turbine systems: Design, cost and perspectives[J]. Solar Energy, 2006,80(10): 1231－1240.

[10] Barigozzi G, Bonetti G, Franchini G, et al. Thermal performance prediction of a solar hybrid gas turbine[J]. Solar Energy, 2012, 86(7): 2116－2127.

[11] Kelly B, Hermann U, Hale M. Optimization studies for integrated solar combined cycle systems[J]. Solar Engineering,2001, 393－398.

[12] Livshits M, Kribus A. Solar hybrid steam injection gas turbine(STIG) cycle[J]. Solar Energy, 2012, 86(1): 190－199.

[13] Nezammahalleh H, Farhadi F, Tanhaemami M. Conceptual design and techno-economic assessment of integrated solar combined cycle system with DSG technology[J]. Solar Energy,2010, 84(9): 1696－1705.

[14] Zhao H B, Yue P X, Cao L. Analysis of humid air turbine cycle with low-or medium-temperature solar energy[J].International Journal of Photoenergy, 2009, 2009.

[15] Hong H, Jin H, Ji J, et al. Solar thermal power cycle with integration of methanol decomposition and middle-temperature solar thermal energy[J]. Solar Energy, 2005, 78(1): 49－58.