如何提高太阳能热发电系统的效率

2011-05-15新霓空太阳能中国有限公司于秀艳

太阳能 2011年12期

关键词：聚光光热汽轮机

新霓空太阳能(中国)有限公司 ■ 于秀艳

一引言

太阳能资源极为丰富，可为人类提供无限的能源。它是地球上触手可得、取之不尽、用之不竭的能源。因此，人类很早就已开始寻找各种各样的途径和办法去利用它。太阳能发电技术就是一种有效利用太阳能资源的形式。

目前世界上有两种截然不同的太阳能发电方式，即光伏发电和太阳能热发电。

光伏发电是利用太阳电池将太阳辐射能转换为电能的发电方式。目前，光伏发电已在世界许多国家开始大量推广使用。

太阳能热发电是一种新兴的太阳能发电技术。它利用聚光集热器把太阳能聚集起来，并通过光热转换装置将太阳能转变为热能，将某种工质加热到数百甚至1000℃以上的高温，然后经过蒸汽发生器将水加热成过热蒸汽，驱动汽轮发电机发电。太阳能热发电方式因采用了蓄热储能技术，整体效率高于光伏发电，因此，近几年来引起了世界各国的高度重视并得到发展。

目前，已经进行深入研发及投入使用或即将投入商业运行的太阳能热电发方式有3种：槽式、塔式和碟式太阳能热发电。

不管采取哪种发电方式，都面临着一个相同的问题，就是如何降低太阳能热发电的成本。要想降低太阳能热发电成本，一个重要的方面就是要提高系统中各环节的转换效率，最大限度地将所接收到的太阳能转变成电能，以实现收益最大化。因此，提高太阳能热发电整个系统效率对降低成本具有非常重要的作用和意义。本文就这个人们所关心的问题进行较详尽的分析论述。

二提高太阳能热发电系统效率的主要措施

1 提高聚光集热装置及光热转换装置的光热转换效率

太阳能热发电3种方式明显的不同之处在于聚光集热装置及光热转换装置的形式不同。

槽式太阳能热发电系统采用的是槽型抛物面聚光集热器，将众多的槽型抛物面聚光集热器串并联排列，并通过真空管光热转换器，将光能转换为热能，并以油为传热介质载体，输送至蒸汽发生器，加热水产生过热蒸汽，驱动汽轮机发电机组发电。槽式热发电的聚光集热装置及光热转换装置如图1所示。

塔式太阳能热发电系统是利用众多的平面反射镜阵列，将太阳辐射反射到置于高塔顶部的太阳能接收器上，并通过光热转换器将光能转换为热能，加热水产生过热蒸汽，驱动汽轮机发电机组发电。塔式热发电的聚光集热装置及光热转换装置如图2所示。

图1 槽式热发电的聚光集热装置及光热转换装置

图2 塔式热发电的聚光集热装置及光热转换装置

碟式太阳能发电系统是由多个碟式太阳聚焦镜组成的阵列，将太阳光聚焦产生860℃以上的高温，通过安装在焦点处的光热转换器将热能传递给传热介质载体空气，并输送到蒸汽发生器或蓄热器，加热水产生过热蒸汽，驱动汽轮发电机组发电。碟式热发电的聚光集热装置及光热转换装置如图3所示。

图3 碟式热发电的聚光集热装置及光热转换装置

目前这3种形式的太阳能热发电系统，从聚光集热装置及光热转换装置的光热转换效率上看，碟式最高，约为85%；塔式次之，约为70%；槽式最低，约为60%。其主要原因是这几种形式的聚光集热装置的几何聚焦比不同(分别约为200～3000，600～1000和8～80)，从而导致被加热后载热介质的温度不同(分别约为500～1500℃，500～1000℃和260～570℃)。另外，载热介质的温度不同还与所选用的载热介质的种类及转换装置的结构不同有关。例如，槽式系统采用导热油或融熔盐作为载热介质，温度只能控制在其沸点以下的某一温度，而碟式或塔式系统采用空气为载热介质，其温度可达上千度。从光热转换装置上看，槽式系统采用的是线聚焦，管式光热转换装置逐级加热的方式；而碟式和塔式采用的是点聚焦，蜂窝或多孔材料辐射对流加导热的光热转换方式，这都是导致光热转换效率不同的因素。

除上述因素外，减小聚光集热装置的余弦效应也可提高光热转换效率。如碟式和塔式热发电采用双轴跟踪系统，余弦效应明显小于单轴跟踪的槽式热发电。尤其是碟式的全方位双轴跟踪，余弦效应几乎接近于0。

因此，要提高太阳能热发电的光热转换效率，就要尽量采用几何聚焦比较高的聚光集热装置，以及耐高温的载热介质和换热效率较高的光热转换装置。同时，还要尽量采用双轴跟踪方式，以减小余弦效应，使光能利用最大化。

2 提高太阳能热发电系统载热介质的传输效率

太阳能热发电系统均是通过某种载热介质将光能转化来的热能传输至蒸汽发生器。在热能传输的过程中，由于管道的散热损失，导致了部分热能的损失。根据传热学原理，介质的温度越高，与传输管道外的环境温差越大，越容易散热，热能损失也越大。因此，需要采取更好的保温材料(如选取导热系数尽量小的保温材料)及保温措施，尽量减少载热介质热能损失，以提高载热介质的传输效率。

目前，当温度低于400℃时，通常可采用价格低廉的岩棉、玻璃棉、珍珠岩等产品作为保温材料；温度高于400℃时，尤其是超过600℃时，虽可用硅酸铝(钙)陶瓷纤维制品作为保温材料，但由于其导热系数较大，保温效果并不好。所以需要寻找耐高温、导热系数更小的保温材料进行替代。目前已研制出的一种名为气凝胶的产品完全可以满足这一要求，其导热系数在常温时小于空气的导热系数，约为0.02W/(m·℃)；当温度为960℃时，其导热系数约为0.06W/(m·℃)。因此，该材料适用于碟式及塔式太阳能热发电系统高温管道及设备的保温。

3 提高太阳能热发电系统的蒸汽发生器效率

(1)太阳能热发电系统蒸汽发生器的效率公式

太阳能热发电系统蒸汽发生器效率的计算方法不同于燃煤电站的锅炉。

其计算公式为：

(2)提高太阳能热发电系统蒸汽发生器的效率的措施

因各种太阳能热发电技术的蒸汽发生器在加热介质种类及温度上有所不同，采用的换热方式也不相同，故现仅以碟式发电系统的蒸汽发生器为例进行分析论述。提高碟式太阳能热发电系统蒸汽发生器效率的措施包括：

① 采用新型的开口翅片管技术

为了提高蒸汽发生器的热转换效率，在蒸汽发生器各部分的结构设计上要充分考虑效率最高这一理念。例如，由于碟式发电系统采用的载热介质为空气，空气较常规的燃煤锅炉的烟气干净得多，故在设计时无需考虑蒸汽发生器积灰堵灰等问题，在省煤器的设计上可采用新型的开口翅片管技术，这相当于增加了省煤器的换热面积，与直接采用光管的形式相比，效率可提高30%以上。

② 尽量提高加热介质的进口参数

提高蒸汽发生器入口热空气的参数，相当于提高加热介质的入口焓值，增大加热面两侧的传热端差，可增强传热效果，提高传热效率。因此，蒸汽发生器入口的空气温度越高，设备效率越高。

③ 降低加热介质的出口参数

降低蒸汽发生器加热介质的出口参数，可增大加热介质的焓降，同时减小尾部排放损失，从而提高蒸汽发生器的热转换效率。由于热空气不像燃煤锅炉的烟气含有SO2成分，可不用考虑蒸汽发生器的尾部烟道腐蚀问题，故可以尽量降低蒸汽发生器的排风温度，以减小排放损失。

受蒸汽发生器给水温度的限制，蒸汽发生器的排风温度不可能无限度降低。常规火电厂由于考虑蒸汽发生器尾部烟道低温硫酸腐蚀，排烟温度一般设计在160℃以上，对应的给水温度约为150℃。由于碟式太阳能热发电系统使用热空气作为加热介质，基本不含有硫化物，故可不考虑此限制。为此，在蒸汽发生器及汽轮机发电系统的设计过程中，可考虑采用尽量降低给水温度的办法来降低蒸汽发生器出口的排风温度。

蒸汽发生器给水需要进行充分除氧。目前给水除氧主要采用化学除氧和热力除氧两种方式。两种除氧方式比较，采用热力除氧方式除氧效果较好，更适用于该系统。但采用热力除氧方式，蒸汽发生器给水温度要达到104℃以上，此时蒸汽发生器出口的排风温度要高于120℃，这就限制了蒸汽发生器排风温度的降低。为了解决这一问题，保证在不影响蒸汽发生器给水除氧效果的前提下仍能进一步降低蒸汽发生器出口的排风温度，可对系统进行优化改进，从而使蒸汽发生器给水温度降低到约60℃，排气温度降至约75℃。除氧给水优化改进后的系统如图4所示。

另外，槽式热发电方式对加热介质采用闭式循环的方式，完全消除了蒸汽发生器的冷端损失，可大大提高蒸汽发生器的效率，从而提高整个系统的效率。

4 提高太阳能热发电系统汽轮发电机组的效率

在当前市场上，汽轮发电机组是较成熟的常规产品。通过对比分析发现，提高汽轮发电机组的效率主要有以下几种方法：

(1)提高汽轮机的进汽参数，降低排汽参数

提高汽轮机的进汽参数，降低排汽参数，相当于增大蒸汽在汽轮机中的焓降，即提高蒸汽的做功能力，这是提高汽轮机功率和效率非常有效的手段。

汽轮机排汽参数的降低对汽轮机效率的提高影响较大，但排汽参数一般受当地气候条件如气压、温度、湿度等的影响，不可能降得很低。因此，当汽轮机的进汽量和排汽参数一定时，提高汽轮机的进汽压力和温度，就成为提高效率的最有效措施。对于同样装机容量的汽轮发电机组，汽轮机的进汽压力和温度越高，则汽轮发电机组效率越高，发同样电量时所需的蒸汽量越少。

对于非再热纯凝机组，热电转换效率η的计算公式为：