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太阳能热发电的新进展——太阳能超临界CO2发电技术

作者: 王志峰 雷东强 【字号: 访问量:


开发可再生能源已成为全球能源转型及实现应对气候变化目标的重大战略举措,而太阳能热发电是大规模开发利用可再生能源的一个重要技术途径。

太阳能发电的主要问题是能量密度低和它的不稳定性与间歇性;而太阳能热发电技术是通过聚光器捕获低密度的太阳辐射能量,然后聚焦到位于焦点或焦线处的吸热器上,吸热器将太阳能转化为热能并加热内部的传热工质,再利用不同的热力循环将热能转换为机械能来驱动发电机进行发电,如图1所示。它的最大的特点是可以进行储热,从而消除了太阳间歇性、不稳定性的缺点,可以保证电能的稳定供应以及在电网中进行调峰填谷的功能。

图1 太阳能热发电过程

任何事物都是在不断发展的。太阳能热发电技术的发展仍然存在着很大的进步空间。为了追求更高的发电效率,适配更高温度的传热介质,科研人员提出了采用太阳能超临界CO2发电技术,以进一步推动太阳能发电技术。

本文对国内太阳能热发电技术研究现状及其产业发展情况、新一代太阳能热发电技术研究方向及进展进行了介绍。

一、太阳能热发电技术的发展历程

太阳能热发电技术自从上世纪80年代初开始发展,已经有了近40年的历史。根据吸热器参数不同,太阳能热发电技术可以分为四代技术。

1、导热油、水工质传热

第一代为导热油和水作为工质的太阳能热发电技术,其吸热器运行温度在230℃-430℃范围。导热油工质主要用在槽式太阳能热发电系统中,最高运行温度为400℃,超过该温度后导热油会发生分解,因此太阳能热发电效率较低。但基于导热油作为传热工质的槽式太阳能热发电技术由于其模块化制作、系统运行稳定、成本较低的优点,是目前国际上商业化程度最广的技术。

对于塔式太阳能热发电来说,采用水/蒸汽作为吸热与传热工质,能直接将吸热器的热量带入汽轮机,简化了整个系统。但水工质在300℃左右时,饱和状态或过热状态下的运行对吸热器和相应设备的运行和监控都提出了较高要求。水工质的工作温度受到压力的制约一般不会太高,系统整体发电效率的提高受到很大限制。对于槽式太阳能热电技术来说,采用水/蒸汽作为传热工质同样可以显著简化系统,减少换热器等,不足之处在于在槽式集热管内存在两相流问题,相变过程比较复杂,需要开发复杂的控制策略才能保证系统稳定。另外,水/蒸汽传热工质的系统如何进行储热也并没有找到合适的方案。

目前西班牙PS10、美国Ivanpah电站及中科院电工所在八达岭的塔式实验电站采用的都是水/蒸汽的吸热器。采用水/蒸汽作为传热工质的技术只在西班牙PSA测试中心、法国及泰国建设了较小规模的槽式系统,国内北京兆阳光热公司建设了水/蒸汽传热工质的类线性菲涅尔系统。

2、熔融盐工质传热

第二代技术为采用熔融盐作为传热工质的太阳能热发电技术,其吸热器运行温度在375℃-560℃范围。熔融盐是盐类的熔融态液体,太阳能热发电技术中通常所说的熔融盐是指无机盐熔融体。一般为混合熔融盐,其熔点(或凝固点)普遍较高,在某一特定温度范围内,物理化学性能稳定,超过特定温度也会发生分解和氧化反应导致熔点升高,盐质劣化。熔融盐可以同时作为电站的储热工质, 从而实现“吸热—储热”。

目前大部分塔式太阳能热发电站采用熔融盐作为传热工质,而部分槽式太阳能热发电系统也开始采用熔融盐作为传热工质。这些电站中,通常采用二元盐做为传热工质,其最高使用温度可以达到550℃,显著提升了光热发电效率。但熔融盐的缺点是其较高的凝固点,因此需要采用电伴热系统维持其全天温度不低于凝固点温度,导致较高的维持成本和热量损失。

3、空气介质传热

第三代技术为空气作为传热工质的太阳能热发电技术。利用高温空气发电的热力循环,通常称作 Brayton 循环。 空气吸热器是整个循环系统中的关键部件,空气吸热器的核心部件是吸热体。以空气为传热流体的塔式电站优点在于易于获得,无成本,清洁,环境友好;工作温度范围宽,无相变;可实现高运行温度,发电效率高等特点。不足之处在于空气传热效果差,源于其低密度和高粘度的物理特性,吸热内温度部分不均,承压不足等。

常用的多孔材料如碳化硅泡沫陶瓷材料,是一种强度高、导热系数高、 热膨胀系数低、 抗热冲击能力强和高温下抗氧化性能优异的高性能陶瓷材料。目前被认为是最有潜力作为空气吸热器吸热体的材料。

4、固体颗粒或液体金属传热

为了获得更高的发电效率,提出第四代技术以固体颗粒或液体金属作为传热工质的太阳能热发电技术,其吸热器运行温度在800℃及以上,可以采用超临界二氧化碳(S- CO2)的布莱顿循环。采用颗粒作为吸热体可以形成不连续的吸热面和体,颗粒器的优点在于:柔性吸热面,耐非均匀高能流高温和热冲击;耐温高,1000℃;使用温域宽,不冻结,不过热,避免了熔融盐的问题;体吸收效率高;价格低廉等特点。但从交变应力下吸热体的安全性考虑,目前全球还没有在役的超过600℃的面式或管式液体吸热器。

目前颗粒吸热器是国际上研究的热点技术。当颗粒吸热器达到高温后,通过与S-CO2进行换热,获得更高的发电效率。美国、德国、法国及西班牙等国家开展了大量的S-CO2太阳能发电技术研究。中科院电工所近年来同样开展了该方面的研究,开发了固体颗粒自由下落式吸热器(如图2所示),并在2019年获得了国家重点研发计划:“超临界CO2太阳能热发电关键基础问题研究”项目支持。

图2 电工所的固体颗粒自由下落式吸热器

二、太阳能超临界CO2发电技术

布雷顿循环里面的超临界CO2循环是目前研究的一个热点,主要原因是超临界CO2循环的发电效率比较高。太阳能热发电系统装机容量较小,对于以水为循环工质的朗肯循环效率一般低于40%,而超临界CO2循环在40-50%之间。对于同样为布雷顿循环,以超临界CO2为工质的循环效率也要比以氦气和空气为工质的循环高。因此,研究超临界CO2循环在太阳能领域的应用具有很深远的意义。

1、超临界CO2循环原理及其优势

研究采用循环比较法。假设将太阳能集热作为一个恒温热源,环境作为另一个热源,根据卡诺定理,在两个热源之间工作的所有循环,可逆循环的效率是最高的,所有的可逆循环的效率是相同的,与卡诺效率相等。另外,假设循环内部过程可逆,即忽略回热过程、压缩与膨胀过程的不可逆损失。实际循环与卡诺循环相比,工质从热源吸热的平均温度和向环境放热的平均温度,与热源温度和环境温度存在一个差值,通过差值的大小判断出循环效率的高低,差值越小,说明这个循环越接近卡诺循环,循环效率越高,反之亦然。

图3 布雷顿循环与郎肯循环对比

图3为前面提到的两类热力学循环T-s图。左侧图中1-2-3-4-5-6-1为超临界CO2循环各过程,平均吸热温度为764K(红线所示),与热源的平均吸热温差为59K,平均放热温度为319K,平均放热温差为14K;右侧图中1-2-3-4-5-1为朗肯循环各过程,由于工质吸热存在相变,平均吸热温度592K,平均吸热温差为231K,远高于超临界CO2布雷顿循环,平均放热温度为315K,平均放热温差为10K,略低于超临界CO2布雷顿循环。根据平均吸热温度和平均放热温度,计算出布雷顿循环效率达到了58%左右,朗肯循环在47%。由此看出,超临界CO2布雷顿循环吸热过程更加接近热源,是循环效率高的主要原因。

图4 不同工质的布雷顿循环对比

对比以空气为工质的布雷顿循环和以超临界CO2为工质的布雷顿循环,以空气为工质的布雷顿循环的平均吸热温度为737K,其平均放热温度为359K;而以超临界CO2为工质的布雷顿循环的平均吸热温度为764K,平均放热温度为319K。由此可以看出,以超临界CO2为工质的循环的吸热过程和放热过程都要更接近高温热源和低温热源,最终使超临界CO2布雷顿循环效率为58%,而以空气为循环工质的布雷顿循环效率为51%。主要原因是受到超临界CO2工质的物性影响,对于超临界CO2是临界点附近的一种状态,越是在临界点附近,其非理想性越强,而对于空气近似于理想气体。

图5 超临界CO2的物性

图5显示的是超临界CO2在临界点附近的可压缩性,即压缩因子,压缩因子越小,越偏离于理想气体,越容易压缩。相同压比下,压缩因子越小压缩前后流体温度变化越小,超临界CO2的压缩因子远小于空气(压缩因子近似为1),所以压缩之后流体温升远小于空气。如图3所示,对于空气来说压缩之后温度上升到413K,使用超临界CO2压缩之后温度为347K,压缩机耗功小于空气压缩。另外,超临界CO2在临界点附近的比热远大于空气比热,因此前者的放热过程是温降较小,更加贴近低温热源。以上两个因素共同作用下使超临界CO2为布雷顿循环吸放热过程更加接近高温和低温热源,从而更加高效。

因此,超临界CO2循环效率高的原因在于它使用了回热循环,与热源的匹配更加合理;另外也利用了超临界工质物性的特征,如临界点附件压缩因子小、比热大的特征,使实际循环更接近理想循环,循环效率更高。

2、关键技术瓶颈

高温集热和储热的技术。由于超临界CO2循环在高温下更具优势,因此高温集热和储热非常关键。目前现有的熔盐传热工质的工作温度在600℃以下,更高温度下会分解,对集热温度700-800℃的目标来说仍然是一个挑战。现在高温太阳集热方面研究主要集中在两个方向,一是新型高温熔盐的开发,降低成本和腐蚀性,美国亚利桑那大学的李佩文教授在美国能源部的支持下开发了高温熔盐,并进行了高温熔盐的物性测试工作;二是开发高温颗粒吸热器,利用陶瓷颗粒作为吸热介质,正在研究自由落体、阻流式、离心式和石英管颗粒吸热器。

透平机械技术。透平机械包括近临界流体压缩和高压膨胀、轴承、密封等关键技术。现有的压缩技术都是针对远离临界点的流体,近临界点附近流体的压缩还没有相关的技术。临界点附近流体的物性,包括:密度、比热、粘性等,会发生剧烈变化,为压缩机组的设计和运行带来了非常大的挑战,同时也要求非常高的控制精度。由于超临界CO2与气体相比,能量密度是非常大,若要获得高效的膨胀和压缩,就要求透平机械的转速比较高,例如1MW发电容量的机组,转速高达7万转/分,因此需要相应高转速的轴承。超临界CO2布雷顿循环透平入口压力是20-30MPa,温度在600℃以上;出口的压力在7.5-8MPa左右,整个透平机械运行在高温高压的条件下,为了保证高温高压得超临界CO2不泄露的大气中,要求非常先进的密封技术。

超临界流体换热技术。回热器是超临界CO2布雷顿循环的关键部件,该换热器的冷侧是20MPa-30MPa的超临界CO2流体,热侧是8MPa的超临界CO2流体,工作温度是从600℃到近环境温度,这种高温高压条件下的换热是非常困难的。英国开发了一种印刷电路换热器,使用印刷电路板的方法在薄板上刻蚀出微槽,然后再把这个薄板堆积起来,然后用扩散焊的方法变成一个整体。

精准的系统控制技术。超临界CO2布雷顿循环发电系统是一个非常复杂的系统,涉及集热、压缩、换热、膨胀等过程,尤其是在临界点附近物性是急剧变化的,很小的控制偏差会是整个系统性能就会急剧下降,因此精准的系统控制技术是超临界CO2布雷顿循环发电系统的关键。

3、研究进展

美国Sandia实验室建成了国际首套发电功率为250kW的超临界CO2布雷顿循环实验台。循环的设计效率为40-50%,通过实验,实际达到了15-20%;发现需要改进的地方还很多,比如减少密封的泄露量、减小轴承和发电机的风阻损失、改进保温、增加压比等。中科院工程热物理所也在进行超临界CO2布雷顿循环关键技术的研发,目前在衡水分所设计并建造了一座大型超临界CO2压缩机测试平台,驱动功率约为500kW。中科院电工所目前已经在粒子吸热器、CO2与粒子换热器及超临界CO2布雷顿循环的系统仿真方面开展深入研究,通过“十三五”重点研发计划的支持,完成太阳能超临界CO2发电技术的系统示范,为进一步提高太阳能热发电效率、降低成本打下基础。

三、结束语

太阳能超临界CO2布雷顿循环发电技术是下一代太阳能热发电技术,具有重要的研究价值和应用前景,是国内外太阳能热发电领域的研究热点。我国已经设立的重点研发专项项目支持该技术的研发。这种技术一旦应用,可以大幅降低太阳能热发电成本的潜力,推动太阳能热发电行业更好的发展,使人类的太阳能事业向前迈进一大步。

作者简介:
王志峰博士,中国科学院太阳能热利用及光伏系统重点实验室主任,中国科学院电工研究所研究员,博士生导师,国家重点基础研究发展计划(973计划)能源科学领域专家咨询组成员。国家太阳能光热产业技术创新战略联盟创始人,国际能源署太阳能热发电和热化学组织(IEA Solar PACES)副主席。
雷东强博士,中国科学院电工研究所副研究员,主要研究方向为槽式太阳能热发电技术。