熔盐槽式光电发热电站与熔盐蓄热储能系统的研究

汪琦 张慧芬 俞红啸 汪育佑

上海热油炉设计开发中心（上海 200042）

节能环保

熔盐槽式光电发热电站与熔盐蓄热储能系统的研究

汪琦 张慧芬 俞红啸 汪育佑

上海热油炉设计开发中心（上海 200042）

介绍了熔盐槽式光热发电站的结构特点，分析了熔融盐槽式电站管路系统的运行方式，讨论了真空集热管的涂层薄膜、增透膜、熔封连接、烘烤抽真空等制作技术，研究了熔盐蓄热储能循环系统的设计开发过程，探讨了太阳能集热器和太阳能集热场的计算机智能控制方法。

熔盐 槽式光热电站 真空集热器 太阳能集热场 蓄热储能系统 计算机监控

中国分类号 TK514

熔盐槽式光电发热站是利用槽式抛物面聚光镜将太阳光聚焦到焦线上，在焦线上安装管状集热器吸收聚焦后的太阳辐射能，带有真空玻璃罩的管内熔盐被加热后，真空集热管出口熔融盐温度可以达到550℃，其流经换热器时加热水产生蒸汽，借助于蒸汽动力的循环来发电。聚光集热装置由槽式抛物面聚光镜和真空集热管构成，集热管随着抛物面反射镜一起跟随太阳运行，因此要求真空集热管的集热效率高、散热损失小、工作寿命长。而就野生动物保护来说，熔盐槽式光热发电站可以避免野生飞行类动物因太阳光聚焦而烧伤致死，所以符合绿色环保和世界野生动物保护的双重要求。

1 熔盐槽式光热发电站

意大利西西里岛的阿基米德电站为熔盐槽式光热发电站，该电站于2008年7月开工，2010年7月投产，机组容量为5 MW，电站总占地面积8 km2，造价高达6000万欧元，电站的业主、建设方和运行管理方都是意大利国家电力公司（ENEL）。太阳能镜场面积为31 860 m2，镜场部分配置抛物面槽式聚光器，每个聚光器组件长100 m，包括192面反射镜和24支真空集热管，开口面积共590 m2。设有9组聚光回路，每个回路由6个聚光器组件组成。整个太阳镜场共54套聚光器组件，10 368面抛物面镜，1 296根真空集热管，集热管的总长度为5 400 m，根据估算，单台发电机组管路中的熔融盐容量约为21 m3。熔盐槽式聚光器的供货商为意大利COMES公司，玻璃镜供货商为Ronda Reflex公司，熔盐真空集热管由意大利阿基米德公司供货。该太阳能光热发电项目被接入一个130 MW的蒸汽轮机（东芝株式会社）发电，汽轮机入口蒸汽压力为9.383 MPa，其中约5 MW容量来自太阳能产生的蒸汽，机组采用强制循环冷却塔以湿冷方式进行冷却。汽轮机满负荷时效率为39.3%，太阳能电站的年光电转换效率为15.6%。

熔盐的配制质量比例为40%硝酸钾与60%硝酸钠，采用熔盐双罐直接蓄热技术，蓄热时间为8 h，蓄热罐高6.5 m，直径为13.5 m，总体积为930 m3，可存储1580 t熔盐，蓄热量达到100 MW·h。真空集热管的吸收比大于95%，真空度为0.013 3 Pa，在400℃运行温度下，发射比小于10%；在580℃下，发射比小于14%。在5 MW的小型机组条件下，电站效率可达15.6%，年净发电量为9.2 GW·h。

熔盐槽式光热发电站由三部分组成：镜场熔融盐吸热部分、熔融盐储热部分、水/水蒸汽常规发电部分，换热部分由熔融盐-水/水蒸汽的一次换热完成。太阳能镜场部分中，进口温度为290℃的熔融盐经真空集热管串、并联后，出口熔融盐温度达到550℃，经阀门切换后分别送到蓄热系统和发电系统。太阳能热量不足时，熔融盐直接给水/水蒸汽换热发电；热量多余时，熔融盐直接储存到高温熔融盐罐中，动力由熔盐泵提供。储热部分由两个独立的冷、热熔融盐罐组成。加热时，冷罐中的熔融盐流入真空集热管，经加热后流进高温熔融盐罐储存；放热时，高温罐中的熔融盐经过熔融盐-水/水蒸汽换热器加热给水，再经过蒸汽过热器，使蒸汽温度从350℃提高到510℃以上用于发电[1-2]。通常，白天由真空集热管内的出口熔融盐提供热量，直接加热水/水蒸汽；夜晚则由热罐中的高温熔融盐提供热量，直接加热水/水蒸汽。这两种形式的储热发电方式，循环系统简洁高效，未来将可能形成大型化、规模化的太阳能抛物面槽式熔融盐光热发电模式。

2 真空集热管

真空集热管是槽式太阳能光热发电中的关键设备，为了更好地提高吸热能力、降低散热损失、延长使用寿命，需要进行如下关键技术的研究开发。

在高温太阳能选择性吸收涂层研究方面，反射层用于阻止高温工作时的红外辐射能量损失，减反层利用光学干涉原理提高光线的透过率。吸收层可实现对太阳光能量更好的吸收，粘接层的作用是提高膜层与不锈钢管的附着力，同时解决高温热稳定性和制作成本问题。在太阳能选择性吸收涂层材料方面，采用金属红外反射、金属陶瓷吸收和介质减反层的多层干涉吸收薄膜结构，涂层材料含有Mo，W，Ni，Pt，Cu，Al，Au等金属。

在玻璃增透膜技术方面，为了减少太阳光在玻璃管表面的反射损失，需要在玻璃管内外表面镀制增透膜。由于玻璃管形状的特殊性，拟采用溶胶-凝胶法制作。将工件放置在前驱液中，通过旋转或提拉方式对薄膜沉积过程进行控制，对于异形大尺寸表面的增透膜采用镀制的方式。

在单靶涂层方面，介质为Al，Al-AlN和AlN选择性吸收涂层，用直流反应溅射方法，控制各层中成分比例。该方法制作成本低，但介质金属Al熔点较低，其高温条件下的稳定性有待研究。另一种合金靶涂层技术，采用硅基合金氮氧化物材料。金属-介质复合材料方面，将Al，Al-AlN，AlN和Al2O3；Mo，Mo-SiO2和SiO2；Cu，TiAlN，TiAlON和Si3N4等介质分别用于不同层的方法也在研究中。

熔融盐真空集热管表面涂层薄膜由多层金属层组成，分层采用陶瓷-金属材料（金属陶瓷）。外部玻璃的抗反射涂层曲面对太阳能的透射率大于96.5%。为实现较好的真空度，每个波纹管与玻璃-金属的交界处焊有减震器管。

采用波纹管膨胀节来弥补金属与玻璃的膨胀差，以减少内应力。金属管和玻璃之间的连接方式主要有胶联、密封圈联、热压封联和熔封连接等，从长期运行的角度考虑，主要采用热压封联和熔封连接两种方式。热压封联适合工作温度低于200℃的集热管，温度过高时会影响其使用寿命。熔封连接是利用火焰将玻璃熔化，将金属和玻璃封接在一起，通常采用氩弧焊方法完成，以保证焊接面的密封性能和强度。

真空度的获得和保持方面，可采用高温烘烤抽真空的方法，使集热管呈高真空状态。在管子制作完成后，通过高频激活，将吸气材料沉积在玻璃管和不锈钢管壁上，用以吸附气体。吸气剂为钡铝吸气剂或钡钛吸气剂。

3 熔盐蓄热储能循环系统的计算机控制

太阳能熔盐槽式光热发电站通过聚光镜收集太阳能，聚光镜将太阳光反射并聚焦于集热管之上，集热管安装在一个由钢材塔门和轴承构成的机械支撑件上，支撑件位于抛物面聚光镜的焦线位置上。每个太阳能集热器组合可以独立跟踪太阳，使焦线始终位于合适的位置，而且能够防止集热元件过热，构成具有跟踪功能、控制和通信系统的独立单元。为此，每个集热器均安装有局部测量传感器、液压驱动系统和局部控制器。

太阳能集热场受现场监控控制器（FSC）的控制，以一个整体来运行。现场监控控制器是位于中心控制室的计算机控制系统，与每个太阳能集热器组合通讯，并与热发电站的集散控制系统（DSC）通信。现场监控控制器收集各个太阳能集热器组合的信息和分散控制系统的数据与指令，向集热场区发出总控指令，向太阳能集热器组合回路发出模块式控制指令。在白天和发电站条件允许时，现场监控控制器可以投入使用、并有效地控制太阳能集热场；在夜间或强风天气时，可以将相关设备收藏起来，避免其受到损坏。现场监控控制器与热发电站集散控制系统实现数据传输，可以整体协调和控制发电区、熔融盐循环流动系统和太阳能集热场的运行。

通过太阳能集热场和熔盐储热储能装置，熔盐循环流动系统将太阳能热量从集热管传送到蒸汽发生器和熔盐蓄热储能罐内。而在动力区，熔盐流体在管路、泵和膨胀阀及控制阀构成的系统内循环流动，要求熔盐循环流动系统和太阳能集热场管路系统的所有元件绝热，从而可以最大限度地降低热损失。对于熔融盐集热管，如果熔盐输送管路发生冻堵，熔融盐无法流入集热管，则集热管表面温度将会上升，故需要通过控制熔融盐集热管表面温度或熔融盐的流量来控制聚光镜的动作，任何一项超标时，即可移动聚光镜到安全位置。使熔盐循环系统保持24 h循环流动是防冻的最佳措施，而熔盐循环系统在不发电时应采用熔融盐温度控制的方法进行操作。对于熔盐槽式光热发电的熔盐循环系统，由于熔盐管道大多采用平面布置方式，故需要使用隔热和伴热加热的方法来防止熔融盐的冻结[3]。如果熔盐循环管路采用电伴热辅助加热的方法，应做好阀门、法兰、传感器接口、弯头和熔盐泵接口等部位的电伴热布置工作，以防止在局部位置发生熔盐凝固冻结的现象。

4 结束语

太阳能熔盐槽式光热发电站的熔盐蓄热储能循环系统包括：太阳能聚光镜，聚光集热管，冷熔盐储罐，热熔盐储罐，冷熔盐循环泵，热熔盐循环泵，熔盐预热器，熔盐蒸汽发生器，熔盐过热器，熔盐融化保温装置，熔盐输送管路预热保温装置，熔盐防冻、抗冻和解冻加热装置，熔盐安全防泄漏装置，以及配套辅机和阀门仪表、计算机自动控制系统。在熔盐槽式光热电发电站中，连接各集热回路的出口母管距离蓄热储能区域不宜太远，由于熔盐温度高、熔点高、腐蚀性大，可能带来燃烧、爆炸、冻堵等一系列安全问题[4]。由于蓄热储能区域涉及高温状态，故应考虑预留熔盐泄漏后采取抢险措施的空间和通道。设备布置区域应该位于熔盐光热发电站的下风向。

目前在熔盐蓄热储能循环系统的光热发电站设计上，采用了一些新的设计方法和设计理念，优化了光热发电站的整体设计，提高了光热发电站的工作温度，进而提高了发电效率，降低了熔盐用量，削减了发电成本。此外，采用了先进的熔盐蓄热储能循环技术来降低光热发电站的投资成本，使熔盐光热发电站更加具有成本优势和经济效益。

[1]汪琦，俞红啸，张慧芬.太阳能光热发电中熔盐蓄热储能循环系统的设计开发[J].化工装备技术，2014,35（1）：11-14.

[2]汪琦，俞红啸，张慧芬.熔盐和导热油蓄热储能技术在光热发电中的应用研究[J].工业炉，2016,38（3）：34-38,48.

[3]汪琦.熔盐加热炉和熔盐加热系统的开发[J].化工装备技术，2000,21（2）：40-43.

[4]汪琦，俞红啸.熔盐加热炉的结构设计和熔盐过热的研究[J].化工装备技术，2012,33（5）：39-42.

Study on Parabolic Trough Solar Power Station and Thermal-Energy Storage System with Molten Salt

Wang Qi Zhang Huifen Yu Hongxiao Wang Yuyou

The structural characteristics of the parabolic trough solar thermal power station with molten salt were introduced,and the operation mode of the pipeline system was analyzed.The technologies related to evacuated collector tube were discussed,including the coating film,the antireflective film,the sealing connection,and the vacuum degree obtained by baking.And the design and development process of the thermal storage and energy storage circulation system with molten salt were studied.At last,the computer intelligent control method of solar collectors and thermal field was discussed.

Molten salt;Parabolic trough solar power station;Evacuated collector tube;Solar collector;Heat and energy storage system;Computer monitor

2017年1月

汪琦男1961年生硕士高级工程师目前从事热油炉、熔盐炉、道生炉、联苯炉、生物质气化炉的设计研究开发工作