熔盐和导热油蓄热储能技术在光热发电中的应用研究

2019-03-21何军深圳市爱能森科技有限公司

节能与环保 2019年2期

文_何军深圳市爱能森科技有限公司

现阶段，聚光型太阳能发电系统获得了最广泛的研究并实现了商业化运作，可以将该系统分成碟式、槽式、塔式、菲涅尔式等各类不同的形式。考虑到太阳辐射强度始终处于不断的变化过程中，这就要求太阳能热发电系统利用存储能量来实现早晚或阴天等无阳光条件下的持续运行。同时为确保实现稳定的发电状态，还要设置有效的蓄热措施，从而使电网获得能够实现稳定与连续性调节的电能。

1 热载体蓄热方法

1.1 熔盐蓄热储能技术

在初期光热发电阶段所使用的蓄热储能材料通常是三元混合熔盐，其配比为KNO3：NaNO2：NaNO3的质量比为53：40：7。目前光热发电通常选择二元混合熔盐，其组成是KNO3：NaNO2的质量比为40：60，此熔盐的初始熔融温度为 221℃，并且在低于600℃的温度下都具有良好的热稳定性，并可以通过加入添加剂的方法来显著减小上述二元混合熔盐的熔点，并依然维持混合熔融盐的良好稳定性，某些情况下还可以有效提升熔盐使用温度的上限。对于未来的光热发电领域还将出现性能更优的熔盐混合物来实现传热及蓄热的功能，采用这类熔盐混合物可以满足更高温度的储能需求，使发电量明显提升；并且可以获得更低的熔点，从而降低固化过程所消耗的能量。

（1）双罐熔盐蓄热系统

从图1中可以看到采用槽式聚光导热油传热方式的熔盐双罐蓄热系统运行流程。该系统的运行原理是处于白天光照充分的情况下，经过槽式集热管加热之后的高温导热油一方面可以对蒸汽发生器内的水进行加热生成蒸汽后再进行发电，另一方面高温导热油还可以对熔盐换热器内的低温熔盐进行加热生成温度更高的熔盐再通过热盐罐将其蓄存起来。到了夜晚没有光照的情况下，流过蒸汽发生器内的低温导热油将会在熔盐换热器内被高温熔盐进行加热而变为高温导热油，之后通过蒸汽发生器生成蒸汽的方式来完成发电的目的。

（2）双罐显热蓄热系统

如图2所示，是槽式太阳能热电站的双罐蓄热系统。可以发现，此蓄热系统内的熔盐一方面可以起到传热功能，同时也可以实现蓄热的目的。其工作的具体方式为处于白天具有充足太阳的情况下，低温熔盐将从冷盐罐内抽出并到达槽式真空管集热器中，吸热后转变为高温熔盐并被储存于热盐罐内，还有一部分高温熔盐将从热盐罐内被抽出后到达蒸汽发生器内对水进行加热形成水蒸气再对汽轮机进行驱动发电，当蒸汽发生器内的高温熔盐完成放热之后将变成低温熔盐并进入冷盐罐内。相对于以导热油为介质的蓄热系统，采用此蓄热系统可以实现更少数量的二次换热器，使系统整体结构复杂性得到降低，明显减小系统的运行成本。而选择熔盐作为传热介质时能够有效克服导热油只能承受最高400℃的温度上限，使蒸汽发生器内的传热介质温度上升高达500℃，显著优化汽轮机的进口参数，促进发电效率的提升。

1.2 导热油蓄热储能技术

用于光热发电领域的导热油应选择化学合成的导热油类型，发生劣化后还能经再生处理实现重复利用的过程，有效降低运行成本。选用何种导热油应结合实际使用工况来确定。

（1）二苯醚与联苯组成的混合物

进行光热发电时所使用的导热油温度介于 350～400℃之间，根据耐热性要求应使用二苯醚与联苯组成的混合物，同时利用膨胀槽进行加压之后再将其用于液相系统。采用化学合成方法得到的导热油是由联苯和二苯醚混合形成的产物，因为在苯环结构上不存在烷烃侧链基团，因此可以实现良好的耐热性。同时考虑到这种混合物的凝固点是12℃，因此对于气温较低的情况需为配管、仪器、贮槽、仪表配备专门的防冻保护结构。

（2）氢化三联苯

在循环系统的导热油温度介于300～350℃ ，因此可使用氢化三联苯作为导热介质，通常可将其应用于常压条件下的膨胀槽中。采用化学合成方法得到的导热油是由3个苯环相互连接形成的三联苯结构，加入了结合氢，同时存在局部开环的一类化合物。其中，结合氢可以减小三联苯的熔点，例如，对位氢化三联苯的熔点约为211℃，同时氢化率的高低也会对化合物化学稳定性与物理性能参数产生较大影响。通常，当氢化率低于25%时在常温下是一种固体状态，可以将氢化率设定在25%～40%的合理范围内，从而获得最优的热稳定性。

（3）二苯甲基二甲苯

为了适应冬季寒冷条件下的光热发电要求，对于导热油循环系统温度范围介于300～350℃之间时，可使用二苯甲基二甲苯作为导热介质，也是在常压膨胀槽内使用。对甲苯进行加成反应可以得到二苯甲基型，该化合物的苯环外侧连接了一个甲基。二苯甲基甲苯型的沸点高达 390℃，可以满足良好的耐热性要求，并在-60℃时开始凝固，表现出优异的耐低温性能，完全能够满足冬季严寒区域的使用要求。二苯甲基甲苯存在多种同分异构体，各类异构体的混合比例对于导热油耐高低温与应用稳定性都具有显著影响。

2 光热发电站中的熔盐蓄热储能应用情况

西班牙 Torresol ENergu 公司构建得到了功率为50MW的槽式光热电站，所使用的蓄热载体是熔盐，同时以化学合成得到的导热油作为吸热循环载体。利用太阳能槽式聚光器把低温导热油升温至400℃，把导热油的所有并联分管相互连结并汇集至一个总管中，将其中一部分导热油用于发电，另一部分导热油用于储热，到了晚上无太阳的情况下利用储热能来推动蒸汽轮机工作以实现继续发电的目的。槽式抛物镜拥有50万m2的面积，能够高效聚焦太阳能。此光热发电站可以实现1.7亿kWh的年发电量，即使不采用储热技术也可以实现1.15亿kWh的年发电量。

3 熔盐蓄热储能技术分析

3.1 熔盐蓄热储能的循环系统设计

在光热发电站中存在冷熔盐与热熔盐两类储罐，当系统开始工作时，首先输送泵把冷熔盐储罐中的熔融盐传输至集热器中，从外部吸收热能之后完成升温过程并到达热熔盐储罐内，之后热熔盐储罐内的高温熔融盐开始流入蒸汽发生器中，对冷水进行加热形成过热蒸汽，推动蒸汽涡轮机运动并实现发电的功能，当熔融盐的温度下降后便会重新流回至冷熔盐储罐内。

3.2 熔盐储罐结构设计

熔盐储罐的直径与高度主要根据熔盐的实际存储容量需求来确定，储罐壁厚根据薄壁圆筒壁厚公式进行计算得到。对储罐壁厚进行设计时还需分析风压、地震等自然因素的作用，这些因素会引起壁板的失稳现象，因此为了避免以上问题的发生需为储罐外侧设置加强圈或适当提高壁板厚度。采用双面对接焊的方法制作储罐壁板，对纵向接头进行全焊处理，按照储罐直径来选择上部的包边角钢规格。为熔盐的储罐顶部设置圆锥顶形式，对于直径在10m以下的储罐，需通过顶板来支撑罐顶圆锥，应将顶板设置成与直径平行的排列形式，遇到较大的坡度情况时，应选择射线状的支撑型圆锥顶。对于直径介于10～30m之间的熔盐储罐，应选择柱式圆锥顶结构。对罐体结构进行强度计算时，根据梁弯曲理论来设计柱体结构，确保能够有效承受罐顶自重的作用以及其它附加载荷的影响，保证柱体达到良好的稳定性能。同时为避免顶板支承构件发生旋转的情况，应利用拉杆连接最外圈的支柱。对于直径超过30m的熔盐储罐，应选择桁架型的圆锥顶结构。各结构的强度计算方式与之前一样，确保能够有效承受罐顶自重的作用以及其它附加载荷的影响，使梁获得良好稳定性。同时，为避免受到横向载荷作用后出现旋转的现象，应设置专门的斜撑保护结构，并且顶角要能够充分承受桁架产生的载荷。为尽量减小熔盐热量损耗，应使用具备良好隔热性能的保温材料。对于熔盐储罐应选择石棉与酸铝纤维交叠的保温结构。为尺寸较小的储罐设置保温层时需通过镀锌铁丝以Y型锚钉的方式进行固定，当储罐直径较大时应通过镀锌铁丝网与钢带完成固定。同时为储罐加装镀锌铁皮外防护层。