中國儲(chǔ)能網(wǎng)訊：當(dāng)前，槽式光熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展過程中缺少創(chuàng)新，當(dāng)下已投運(yùn)的大部分商業(yè)化槽式光熱電站所采用的技術(shù)都是十年前的。
以前，槽式光熱發(fā)電技術(shù)的創(chuàng)新點(diǎn)主要集中在槽式集熱器的結(jié)構(gòu)上。20世紀(jì)80年代初，第一個(gè)商業(yè)化槽式光熱電站在美國加利福尼亞光資源條件極好的Harper湖和Kramer的交界處建成。該項(xiàng)目所采用的LS 1集熱器基礎(chǔ)模塊的長度只有50米左右，開口寬度小于5米。同時(shí)，更大開口的集熱器和更精準(zhǔn)的光學(xué)追蹤系統(tǒng)逐漸被研發(fā)出來，進(jìn)一步減少了系統(tǒng)所需要的驅(qū)動(dòng)裝置數(shù)量，同時(shí)使系統(tǒng)所需要的地基設(shè)施更少，管道更少，導(dǎo)熱流體用量也相應(yīng)減少，此外還降低了能源消耗率。目前，在這方面最具創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)是Ultimate Trough槽式集熱器，其優(yōu)化后的開口寬度超過7.5米，長度大約為250米。
而在槽式光熱電站的其他環(huán)節(jié)，我們不得不說在過去10年里沒有發(fā)生哪些重大創(chuàng)新。另一方面，能源行業(yè)普遍抱怨光熱發(fā)電不能滿足人們對(duì)其發(fā)電成本降低的預(yù)期，尤其是跟風(fēng)電和光伏發(fā)電相比仍有一定差距。
因此，光熱發(fā)電未來的發(fā)展目標(biāo)很明確：CSP技術(shù)必須要更加高效，其相關(guān)組件應(yīng)該成為大眾化的產(chǎn)品，而不是必須采用量身定制的帶有壟斷特征的解決方案。
那么如何才能提高CSP系統(tǒng)的效率？如何才能使CSP系統(tǒng)的關(guān)鍵組件實(shí)現(xiàn)大規(guī)模批量化生產(chǎn)呢？
我們認(rèn)為，后者只能通過為制造商提供足夠市場(chǎng)容量的商業(yè)化行為來解決問題。比如中國政府最近宣布，到2020年中國將完成規(guī)模為10GW的光熱電站裝機(jī)，這就可以為產(chǎn)業(yè)鏈各相關(guān)方提供充足的市場(chǎng)。許多制造商都有望借此機(jī)會(huì)，通過實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)來降低成本。
槽式光熱電站的效率提升意味著：用較少的資源、設(shè)備和相關(guān)設(shè)施可以生產(chǎn)更多的電力?？紤]到光熱電站的發(fā)電原理，我們必須關(guān)注技術(shù)原理類似的發(fā)電過程：在化石燃料發(fā)電站，提高蒸汽溫度可以有效提高發(fā)電效率。同樣，為了提高槽式光熱電站的效率，我們必須提高系統(tǒng)所有工作流體的運(yùn)行溫度。
因?yàn)橛袡C(jī)導(dǎo)熱油的化學(xué)穩(wěn)定性有限，我們需要找到運(yùn)行溫度可以高于400℃的替代工質(zhì)。水可以滿足溫度條件，但是水工質(zhì)的缺陷就是其較低的沸點(diǎn)和較高的系統(tǒng)壓力。另外，以蒸汽為基礎(chǔ)的能源存儲(chǔ)系統(tǒng)離商業(yè)化應(yīng)用還為時(shí)尚早。
目前，能達(dá)到高溫且最有前景的解決方案就是使用熔鹽，不僅用作儲(chǔ)熱工質(zhì)，也是主要的導(dǎo)熱流體。從積極的角度來看，導(dǎo)熱工質(zhì)的受熱膨脹問題和系統(tǒng)清潔將不再是問題，同時(shí)電站的環(huán)境友好性將大大加強(qiáng)。
另外，較高的運(yùn)行溫度，以及相對(duì)更大的換熱溫度區(qū)間可以大大減少傳熱工質(zhì)的使用量，系統(tǒng)使用的熔鹽總量會(huì)非常小。以儲(chǔ)熱罐為例，如果儲(chǔ)存相同的熱量，使用熔鹽的儲(chǔ)罐體積比使用導(dǎo)熱油的儲(chǔ)罐體積可以減少65%以上。使用導(dǎo)熱油的槽式光熱電站設(shè)計(jì)限制了可以吸收光資源的最高水平。換句話說，從光資源角度來講光場(chǎng)可以按900或者1000W每平米的輻照來設(shè)計(jì)，但因?yàn)榻橘|(zhì)問題只能設(shè)計(jì)為700或者800W每平米。這樣做主要是出于經(jīng)濟(jì)方面的考慮，因?yàn)橐崭嗵柲?，必須增大?dǎo)熱油用量來避免導(dǎo)熱油過熱碳化變質(zhì)。同時(shí)，導(dǎo)熱油量增多將導(dǎo)致系統(tǒng)必須采用更多和更大的輔助設(shè)備，包括鹽/油換熱器，管道，蒸汽發(fā)生系統(tǒng)及所有與光場(chǎng)相關(guān)聯(lián)的高壓裝置。
熔鹽可以在560℃以上穩(wěn)定運(yùn)行，甚至直接在大氣中曝光也不會(huì)改變特性。因此，熔鹽系統(tǒng)無須使用運(yùn)維成本高昂的氮封系統(tǒng)。
總結(jié)來說，用熔鹽作為主要的傳熱工質(zhì)，具有以下特點(diǎn)：工作溫度更高，可達(dá)550℃以上；熱-電轉(zhuǎn)換效率更高；相比導(dǎo)熱油工質(zhì)無毒和不易燃；無須擔(dān)心傳熱工質(zhì)膨脹問題，系統(tǒng)運(yùn)維更加簡(jiǎn)單；儲(chǔ)熱容量相同時(shí)儲(chǔ)罐體積更?。粺o須使用鹽/油換熱器；系統(tǒng)自耗電量更少。
開發(fā)熔鹽槽式光熱電站將面臨的挑戰(zhàn)
不過，把熔鹽作為傳熱工質(zhì)也要承擔(dān)一些風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)，這些問題需要在工程系統(tǒng)中考慮和解決。
建立性能模型
針對(duì)光熱電站的特點(diǎn)創(chuàng)建一個(gè)合適的性能模型對(duì)電站所有利益相關(guān)方都是至關(guān)重要的：業(yè)主需要針對(duì)他們的商業(yè)計(jì)劃得出一個(gè)可靠的輸出預(yù)測(cè)報(bào)告；EPC承包商需要設(shè)備選型和預(yù)測(cè)相關(guān)數(shù)據(jù)；運(yùn)營商則需要計(jì)算出實(shí)際運(yùn)營階段需要達(dá)到的額定功率數(shù)據(jù)。
理想狀態(tài)下，性能模型需要通過對(duì)比計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果和實(shí)際運(yùn)營數(shù)據(jù)來進(jìn)行驗(yàn)證。但由于目前熔鹽槽式光熱電站非常少，所以可用于驗(yàn)證結(jié)果的電站實(shí)操數(shù)據(jù)非常少。這就給建立可靠的性能模型帶來了困難。
熔鹽防凝問題
目前，全球許多研發(fā)項(xiàng)目都希望找到一種在600℃以上的高溫情況下也能保持穩(wěn)定運(yùn)行的流體工質(zhì)，同時(shí)該工質(zhì)的凝固溫度也很低，可以滿足冬天光熱電站的運(yùn)行需要。但是到目前為止，這一研究課題還沒有取得突破性進(jìn)展。目前，我們可以通過配置熱能存儲(chǔ)系統(tǒng)或者備用加熱器來解決防凍難題，在一些試驗(yàn)設(shè)施和工業(yè)應(yīng)用項(xiàng)目上上述防凍保護(hù)管理措施已經(jīng)被證明是可行的。因此，防凍管理技術(shù)將成為一項(xiàng)專門的技術(shù)，而且在熔鹽槽式光熱電站等應(yīng)用領(lǐng)域，上述已經(jīng)比較先進(jìn)的防凍技術(shù)還有很大的提升空間。
雖然有上述安全措施作為保障，但熔鹽仍有發(fā)生凝固的可能，這時(shí)我們可以利用集膚效應(yīng)原理，用電來加熱吸收器管道。在其他一些示范性項(xiàng)目中，這一解凍技術(shù)已被意大利Priolo Gargallo的ISCC電站證明是可行的，而且不會(huì)對(duì)設(shè)備造成任何損壞。管道電阻抗加熱是可以應(yīng)用在熔鹽槽式光熱電站的一項(xiàng)專業(yè)技術(shù)。
材料方面的挑戰(zhàn)
在400℃以上的運(yùn)營溫度下需要使用不銹鋼或特殊合金鋼。對(duì)熔鹽槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)來說，這意味著在高溫情況下，要求相關(guān)系統(tǒng)組件的級(jí)別更高，自然成本也會(huì)更昂貴，質(zhì)量控制也需要更加嚴(yán)格。但與導(dǎo)熱油系統(tǒng)相比，熔鹽槽式光熱系統(tǒng)的管道總需求量、傳熱介質(zhì)需求量以及相關(guān)支持系統(tǒng)需求量明顯減少，因此使用高合金鋼所帶來的額外成本就得到了一定的補(bǔ)償。
熔鹽槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)和導(dǎo)熱油槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)的性能和商業(yè)化對(duì)比
一般性對(duì)比
從基本原理來看，熔鹽被選為傳熱介質(zhì)，因?yàn)樗軐?shí)現(xiàn)更高的效率和能源密度。工作溫度可以達(dá)到550℃以上，較高的系統(tǒng)溫度使整個(gè)系統(tǒng)所需熱工質(zhì)的總量大大減少。例如，采用運(yùn)行溫度范圍在290℃到550℃的熱工質(zhì)槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)與采用運(yùn)行溫度范圍在290℃到390℃的熱工質(zhì)（以導(dǎo)熱油為傳熱工質(zhì)的常規(guī)槽式光熱電站）相比，熱工質(zhì)存儲(chǔ)儲(chǔ)罐的體積可以縮小60%左右。
其實(shí)從運(yùn)行工作溫度角度來說，采用熔鹽為傳熱工質(zhì)的光熱系統(tǒng)和采用導(dǎo)熱油為傳熱工質(zhì)的光熱系統(tǒng)在本質(zhì)上是兩種技術(shù)思路完全不同的光熱系統(tǒng)。
針對(duì)上述不同的光熱發(fā)電設(shè)計(jì)進(jìn)行技術(shù)優(yōu)化之后便形成了不同規(guī)模的電廠。因?yàn)榻ㄔO(shè)一個(gè)大規(guī)模存儲(chǔ)系統(tǒng)所帶來的巨大成本，以及在釋放熱量時(shí)系統(tǒng)整體凈效率較低，所以采用導(dǎo)熱油做傳熱工質(zhì)的光熱電站所配置的儲(chǔ)熱系統(tǒng)的儲(chǔ)熱時(shí)長一般不會(huì)超過8小時(shí)。反之，采用熔鹽做傳熱工質(zhì)的光熱系統(tǒng)儲(chǔ)熱成本較低，為了盡可能降低發(fā)電成本，根據(jù)地域不同儲(chǔ)熱系統(tǒng)的儲(chǔ)熱時(shí)長最高可以達(dá)到14個(gè)小時(shí)以上。這意味著配置長時(shí)間儲(chǔ)熱系統(tǒng)的光熱電站可預(yù)見性的成為幾周或者幾個(gè)月的基礎(chǔ)電力負(fù)荷。
集熱器的規(guī)格和聚光比對(duì)比
事實(shí)上，比較技術(shù)是非常復(fù)雜的。首先要了解不同技術(shù)適合不同的集熱器。因?yàn)槿埯}系統(tǒng)的運(yùn)行溫度更高，顯而易見，它的熱損失也要高得多。因此，一般來說使用熔鹽做傳熱工質(zhì)時(shí)系統(tǒng)集熱效率較低。但是，系統(tǒng)工作溫度越高，郎肯循環(huán)的效率更高，因此發(fā)電效率也會(huì)更高。
綜合來看，采用熔鹽為傳熱工質(zhì)的系統(tǒng)整體效率會(huì)更高。為了使整體效率最大化，收集太陽能的效率應(yīng)盡可能高，這可以通過提高聚光比來實(shí)現(xiàn)。下面用一個(gè)試驗(yàn)來描述，下圖記錄了應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的直徑為70毫米的集熱管和其它不同直徑大小的集熱管時(shí)，分別采用熔鹽和導(dǎo)熱油時(shí)系統(tǒng)運(yùn)行的不同溫度。導(dǎo)熱油的運(yùn)行溫度上限一般是390℃左右，而熔鹽的運(yùn)行溫度上限溫度一般是550℃左右。從圖中可以看出，系統(tǒng)的整體效率（綜合汽輪機(jī)效率和集熱器效率）隨著集熱管的直徑增大而增加，并且熔鹽系統(tǒng)比導(dǎo)熱油系統(tǒng)效率增加的更明顯。
圖：不同熔鹽系統(tǒng)和導(dǎo)熱油系統(tǒng)的集熱效率和系統(tǒng)整體效率
在不考慮成本的情況下，熔鹽和導(dǎo)熱油分別作為傳熱工質(zhì)的技術(shù)優(yōu)劣性對(duì)比相對(duì)更容易實(shí)現(xiàn)，主要取決于項(xiàng)目方采購和建設(shè)光熱系統(tǒng)能力的不同。在這里我們簡(jiǎn)單分析一下光熱電站資本最密集的部分——太陽島，包括反射鏡、集熱管和支架等主要裝備。首先我們可以比較已安裝的集熱器每平方米的具體電力輸出指標(biāo)，這個(gè)參數(shù)是明確的。同時(shí)最主要的成本指標(biāo)——每千瓦時(shí)的建設(shè)成本便得到了比較。我們可以以西藏帕里鎮(zhèn)為例，該地區(qū)可以說是中國光熱發(fā)電領(lǐng)域用于場(chǎng)景分析的“最佳案例”，該地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)可以通過NREL SAM電站仿真軟件獲取。
根據(jù)發(fā)電量參數(shù)不同，光熱發(fā)電系統(tǒng)需要配置的儲(chǔ)熱時(shí)長也不同，最終導(dǎo)致光場(chǎng)整體規(guī)模也不同。一般來說，在這種光資源較好的地區(qū)，采用熔鹽為傳熱工質(zhì)的光熱系統(tǒng)的整體性能明顯優(yōu)于導(dǎo)熱油。此外，在儲(chǔ)熱系統(tǒng)規(guī)模給定的條件下，很顯然采用導(dǎo)熱油作為傳熱工質(zhì)時(shí)儲(chǔ)熱系統(tǒng)的規(guī)模會(huì)大很多，這意味著系統(tǒng)整體成本會(huì)明顯增加，發(fā)電成本必然會(huì)更高。
圖：中國西藏帕里，不同配置條件下熔鹽光熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電參數(shù)
圖：中國西藏帕里，不同配置條件下導(dǎo)熱油光熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電參數(shù)
相較于傳統(tǒng)的槽式導(dǎo)熱油光熱電站而言，槽式熔鹽光熱系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)非常明顯：更高的效率、更少的設(shè)備、同樣投資電力輸出更高，因此收益率也較高。
至于集熱器結(jié)構(gòu)，我們建議選用大開口集熱器，因?yàn)樘柲芗療嵝屎拖到y(tǒng)熱力學(xué)效率是和集熱器開口大小成正比的。
總之，采用熔鹽槽式光熱發(fā)電技術(shù)，將顯著提高投資者的經(jīng)濟(jì)效益。
