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 眾所周知，塔式光熱發(fā)電技術(shù)始自上世紀(jì) 50 年代，前蘇聯(lián)科學(xué)家最早建立小型實(shí) 驗(yàn)裝置，在碟式聚光裝置的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，其目的是保留碟式聚光器高聚光比優(yōu)勢(shì)， 探索光熱規(guī)模化利用或發(fā)電的可能性。上世紀(jì) 80 年代又在克里米亞建立 5 兆瓦實(shí)驗(yàn)裝 置。在這一時(shí)期，國(guó)際上也有很多國(guó)家相繼建立了實(shí)驗(yàn)裝置，但至今仍停留在技術(shù)探索 上，特別是對(duì)傳熱介質(zhì)的選擇很類(lèi)似核電，多種多樣，眼花繚亂。例如美國(guó)從建立太陽(yáng) 能 1 號(hào)采用水做傳熱和動(dòng)力工質(zhì)到太陽(yáng)能 2 號(hào)采用熔鹽介質(zhì)時(shí)間跨度十余年。而 真正具有商業(yè)化意義的塔式熱發(fā)電實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目Gemasolar電站則由歐盟出資建設(shè)，于 2011 年投入運(yùn)行。在此期間，槽式光熱發(fā)電技術(shù)逐漸成熟，與槽式熱發(fā)電相比，顯然塔式熱 發(fā)電技術(shù)還不能稱(chēng)之為成熟，至今仍在探索和進(jìn)步中。但是與槽式熱發(fā)電一樣均暴露高 投資、高成本，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不足的共同問(wèn)題。近年來(lái)，美國(guó)和歐盟都將光熱發(fā)電技術(shù)的 創(chuàng)新放在發(fā)展可再生能源的重要地位看待，同時(shí)加大政府財(cái)政投資支持力度。美國(guó)能源 部 Sunshot 太陽(yáng)能計(jì)劃公開(kāi)了第三代光熱發(fā)電發(fā)展路線(xiàn)圖并按部就班推進(jìn)，歐盟公開(kāi)了 2020 地平線(xiàn)計(jì)劃，其中“Next-CSP”（下一代太陽(yáng)能熱發(fā)電）和 SCARABEUS 課題著眼于 超臨界二氧化碳熱發(fā)電技術(shù)與固體粒子儲(chǔ)熱傳熱結(jié)合，都取得了明顯進(jìn)展。目前我國(guó)也 開(kāi)始了“超臨界 CO2 太陽(yáng)能熱發(fā)電關(guān)鍵基礎(chǔ)問(wèn)題研究”，并列入國(guó)家重點(diǎn)科研計(jì)劃。但 要實(shí)施超臨界二氧化碳太陽(yáng)能熱發(fā)電，就不能不對(duì)塔式熱發(fā)電技術(shù)進(jìn)行再創(chuàng)新。

塔式光熱發(fā)電技術(shù)在我國(guó)備受推崇，從 2005 年南京江寧和 2006 年北京延慶大漢兩 個(gè)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目算起，目前已經(jīng)建成和在建的示范項(xiàng)目就多達(dá) 8、9 個(gè)，是國(guó)際上應(yīng)用該技 術(shù)最多的國(guó)家。什么原因呢？一句話(huà)，“高溫、高工況、高效率”即“三高”最吸引中國(guó)專(zhuān)家的眼球。 毫無(wú)疑問(wèn)，塔式光熱發(fā)電優(yōu)勢(shì)很突出；

1、依托高聚光比，接收器可獲得近千度的高溫；

2、接收、傳熱和儲(chǔ)熱系統(tǒng)構(gòu)造緊湊，熱損失少，定日鏡跟蹤技術(shù)相對(duì)成熟；

3、可為超臨界二氧化碳動(dòng)力設(shè)備提供高溫媒介，進(jìn)一步提高發(fā)電效率，遠(yuǎn)景可期。

但是，塔式光熱發(fā)電還存在一些固有缺陷：

1、點(diǎn)聚焦和長(zhǎng)焦距決定紅外熱輻射強(qiáng)度較低，衰減度較大，不僅受制于定日鏡與接 收器的距離，更受制于大氣環(huán)境的變化，因此電站規(guī)模受限；

2、定日鏡穩(wěn)定度決定聚光焦斑的穩(wěn)定性和焦斑溫度；

3、接收器暴露在高空，熱發(fā)射率和對(duì)流損失大，同時(shí)受風(fēng)和環(huán)境溫度制約；

4、液體接收器采用組串式布置，需要均衡穩(wěn)定的聚光焦斑支持，但日照強(qiáng)度隨季節(jié) 性變動(dòng)，以及現(xiàn)有的定日鏡穩(wěn)定技術(shù)難以保證；

5、傳熱介質(zhì)和儲(chǔ)熱介質(zhì)尚在選擇中，沒(méi)有定論；

6、站址選擇不僅受 DNI 限制，更受限于地理維度、環(huán)境溫度。

毋庸質(zhì)疑，雖然塔式光熱發(fā)電技術(shù)存在固有缺陷，但仍然是未來(lái)光熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展 的重要選項(xiàng)?，F(xiàn)在的任務(wù)就是針對(duì)固有缺陷進(jìn)行創(chuàng)新，揚(yáng)長(zhǎng)避短，發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢(shì)。就像 美國(guó) NREL 在新近撰寫(xiě)的《Concentrating Solar Power Best Practices Study》一文 指出的，目前塔式光熱發(fā)電項(xiàng)目投入商業(yè)運(yùn)行的較少，特別是吉瑪索和新月沙丘兩個(gè)項(xiàng) 目先后出現(xiàn)一些問(wèn)題，數(shù)據(jù)未公開(kāi)，還有待進(jìn)一步總結(jié)提高。

一、推廣無(wú)縫隙定日鏡，提高光熱輻射率

塔式光熱發(fā)電面臨同槽式熱發(fā)電站一樣的初始投資高的問(wèn)題，如何降低初始投資， 關(guān)鍵是減少鏡場(chǎng)投資規(guī)模。目前定日鏡跟蹤技術(shù)相對(duì)成熟，但單組定日鏡在面積的選擇 上不盡相同，有選擇 100 多平米的，也有選擇 20 多平米的，那么究竟多大最好呢？建 議以 20 至 50 平米為宜。理由是：

1、定日鏡反輻射強(qiáng)度與單個(gè)鏡面的面積直接相關(guān)，如果將鏡面分割為小鏡面再集 合組裝，實(shí)際降低了輻射強(qiáng)度，雖然總面積大了，但反射效率并不高。因此，在現(xiàn)有鏡片制造工藝的基礎(chǔ)上，用無(wú)縫隙方法組裝單組定日鏡，保證單位面積反射效率最大，同 時(shí)降低組裝成本。根據(jù)定日鏡抗風(fēng)荷及強(qiáng)度要求，單組定日鏡的面積最好在 20 至 50 平 米之內(nèi)選擇。

2、提高定日鏡熱發(fā)射率，減少熱吸收率。光熱發(fā)電對(duì)光的要求與光伏發(fā)電截然不 同，根據(jù)光的頻譜特性，可見(jiàn)光在光熱發(fā)電中僅起指示作用，熱含量很低，接收器欲獲 得穩(wěn)定的高溫輻射熱，只能依賴(lài)紅外光譜，即波長(zhǎng)在 750 納米到 2300 納米的不可見(jiàn)光 （圖 1）。由此可見(jiàn)，光熱發(fā)電從定日鏡到接收器，其熱的傳輸模式包括熱輻射和介質(zhì)傳 熱。如果采用固體粒子作為傳熱和儲(chǔ)熱介質(zhì)，熱傳輸過(guò)程基本遵循熱輻射規(guī)律。因此， 給定日鏡提出的要求就是反輻射強(qiáng)度越高越好，熱吸收率越低越好，這就要求鏡片濺射 的銀層和銅層要有較高的熱輻射率和較低的熱吸收率，否則就要增加專(zhuān)門(mén)的熱發(fā) 射涂層。同時(shí)定日鏡與接收器的距離和熱效之間也要兼顧，依據(jù)接收器輻照強(qiáng)度與定日 鏡距離之間的反比關(guān)系，鏡場(chǎng)規(guī)模不是越大越好，鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)盡可能規(guī)避無(wú)效投資。

圖1 太陽(yáng)能利用光譜可用范圍

二、選擇固體粒子作為傳熱和儲(chǔ)熱介質(zhì)

塔式熱發(fā)電選擇固體粒子傳熱始于上世紀(jì)八十年代，最早由美國(guó)桑迪亞實(shí)驗(yàn)室提出， 千年后被業(yè)界重新提起。

為什么固體粒子做傳熱介質(zhì)被再次重視？關(guān)鍵是熔鹽介質(zhì)存在的局限性，特別是在 應(yīng)用中暴露出經(jīng)濟(jì)型差、電站寄生損耗大、事故率高是根本原因。采用固體粒子則可以 實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：

1、適應(yīng)塔式熱發(fā)電不穩(wěn)定的光照輻射焦斑；

2、能應(yīng)對(duì)溫度瞬變沖擊，規(guī)避熔鹽介質(zhì)一怕凝固二怕氣化的風(fēng)險(xiǎn)；

3、可提高工況溫度到 600 至 1000 度，以滿(mǎn)足超臨界二氧化碳高效發(fā)電之需；

4、固體顆粒不會(huì)像熔鹽發(fā)生凍結(jié)，消除了伴熱成本以及相關(guān)的維護(hù)和寄生電源損耗：

5、固體顆粒沒(méi)有腐蝕性，減少了對(duì)傳熱管道和儲(chǔ)熱設(shè)備的防護(hù)成本。

借鑒桑迪亞塔式固體粒子技術(shù)，以及歐盟 NEXT-CSP 項(xiàng)目選擇橄欖石即鎂硅酸鹽的 經(jīng)驗(yàn)，建議我國(guó)選擇便于流化的粉煤灰或水泥粉末做塔式傳熱和儲(chǔ)熱介質(zhì)。

粉煤灰系燃煤電廠(chǎng)固體廢棄物，主要組分為：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2 等，目前主要應(yīng)用在建筑和公路交通基礎(chǔ)設(shè)施。粉煤灰原本就是燃煤電廠(chǎng)流化床或煤粉 鍋爐的傳熱介質(zhì)，工況溫度在 800 至 1000 度，且粉煤灰球磨后就可以再利用，其粒度 可恢復(fù)與現(xiàn)有超臨界燃煤發(fā)電一樣；粉煤灰同樣適宜作高溫儲(chǔ)熱介質(zhì)，而且粉煤灰系脫 硫產(chǎn)物，對(duì)環(huán)境友好，成本相比熔鹽更低。（見(jiàn)表 1）

歐盟資助協(xié)議編號(hào)的 727762 項(xiàng)目，在《作為傳熱流體和儲(chǔ)存材料的懸浮顆粒的評(píng) 估》報(bào)告中對(duì)不同的固體粒子性能做了分析，其分?jǐn)?shù)排序?yàn)閺?0(最差)到 5 或 10(最好)。

三、固體粒子接收器的選擇

固體粒子傳熱遵循熱輻射基本理論，嚴(yán)格地講，輻射換熱與導(dǎo)熱、對(duì)流換熱不同， 無(wú)需冷熱物體接觸，熱平衡的建立依賴(lài)物體間輻射熱的發(fā)射和吸收。

固體粒子接收器最早在美國(guó)阿爾伯克基市的桑迪亞國(guó)家太陽(yáng)熱測(cè)試設(shè)施(NSTTF)進(jìn) 行實(shí)驗(yàn)，接收塔高 61 米，接收器透孔高 6.3 米，寬 1.85 米，深 1.5 米。粒子從透腔上 方料斗排出釋放，粒子通過(guò)空腔自由下落，在動(dòng)態(tài)中粒子接收聚焦于空腔前方透射的太 陽(yáng)光輻射熱。一般的理解是，熱輻射在靜態(tài)中通過(guò)被照射物體表面涂敷的高效選 擇性吸收涂層以獲得最大熱吸收效果，讓落砂在動(dòng)態(tài)中直接吸收光輻射效果好嗎？ 2020 年 9 月美國(guó)能源部撥付桑迪亞 75 萬(wàn)美元，擬與德國(guó) DLR 合作實(shí)驗(yàn)其設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)籠式 接收器。

歐盟 NEXT-CSP 計(jì)劃專(zhuān)注于管內(nèi)微粒技術(shù)的研發(fā)，并由法國(guó)承擔(dān)歐盟“CSP2”的固 體粒子金屬管道傳熱流體接收器研究,其方案采用的是 40 只 3 米長(zhǎng)金屬管組成的接收器， 其中金屬管的外徑為 50.8 mm，每根管之間的間距為 14.2 mm，涂敷 Pyromark 2500©選 擇性吸收涂料，管后設(shè)置耐火板，以反射通過(guò)管縫隙進(jìn)入背面耐火板的光輻射，實(shí)驗(yàn)溫 度在 800 至 900 度，滿(mǎn)足超臨界二氧化碳布雷頓發(fā)電機(jī)組工況要求。它的設(shè)計(jì)理念與美 國(guó)桑迪亞和德國(guó)DLR的粒子下落式不同，它通過(guò)底部高壓風(fēng)將流化粒子送入接收器管道， 高溫粒子由上部落入儲(chǔ)熱罐，再經(jīng)流化床鍋爐換熱進(jìn)入冷罐。

目前技術(shù)挑戰(zhàn)和發(fā)展的重點(diǎn)是設(shè)計(jì)一種可以在高溫狀態(tài)下具有良好性能和可靠性 的固體粒子接收器。美國(guó)桑迪亞的固體粒子實(shí)驗(yàn)限于顆粒的自由下落，以及通過(guò)窗口吸 收光照熱輻射熱能，暴露的問(wèn)題就是效率低且固體顆粒損失嚴(yán)重。由法國(guó)承擔(dān)的歐盟 “CSP2 計(jì)劃”選擇固體顆粒橄欖石即鎂硅酸鹽金屬管道傳熱流體接收器，除此之外還一 并對(duì)固體粒子流化床換熱裝置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

根據(jù)固體粒子傳熱儲(chǔ)熱特點(diǎn)，建議接收器采用陶瓷材料制作，以模塊方式組裝，模 塊外表層涂敷耐高溫的選擇性熱吸收涂料，模塊中心為固體粒子或粉煤灰的熱輻照通道， 其溫度和流速由底部閥門(mén)控制，粉煤灰在密閉通道通過(guò)輻射熱獲得高溫，再通過(guò)流化床 鍋爐換熱（圖2）。

圖2 自主設(shè)計(jì)塔式光熱發(fā)電模塊式陶瓷接收器
四、固體粒子循環(huán)流化床換熱

在塔式光熱發(fā)電裝置中使用流態(tài)化顆粒作為傳熱介質(zhì)，與傳統(tǒng)的液體傳熱介質(zhì)相比 有許多優(yōu)點(diǎn)。流態(tài)化顆粒可在遠(yuǎn)高于 1000℃的溫度下保持熱穩(wěn)定性，并消除傳熱流體的 凍結(jié)風(fēng)險(xiǎn)。相對(duì)于最先進(jìn)的液體傳熱介質(zhì)，用于傳熱和儲(chǔ)熱的固體顆粒成本極低，為塔 式光熱發(fā)電帶來(lái)了巨大的成本效益?？傊鲬B(tài)顆粒具有高溫度、高熱動(dòng)力、低成本優(yōu) 勢(shì)。在提高定日鏡光學(xué)效率的同時(shí)，適當(dāng)布局塔式太陽(yáng)能鏡場(chǎng)，可以大幅提高太陽(yáng)能通 量，保證固體粒子輻照溫度達(dá)到近千度高溫。循環(huán)流化床在我國(guó)燃煤電站廣泛使用，技 術(shù)成熟，經(jīng)驗(yàn)豐富，稍加改造即可直接移植塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)，如果結(jié)合粉煤灰固體粒 子接收器統(tǒng)一設(shè)計(jì)，投資成本會(huì)大幅降低。

美國(guó) NREL 和 Babcock & Wilcox 公司共同提出的可適應(yīng)多種動(dòng)力裝置的塔式固體粒 子光熱發(fā)電裝置和流化床換熱系統(tǒng)的示意圖如圖 12 所示，帶有一個(gè)結(jié)合流化床加熱的 近黑體封閉粒子接收器、交換器和固體粒子熱能儲(chǔ)存裝置。歐盟的下一代光熱發(fā)電技術(shù) 同樣選擇了流化床換熱，但他們更注意考察所選擇的固體粒子的在磨損、比熱容等方面 分析和選擇。

五、固體粒子接收器與鏡場(chǎng)布局

為最大限度吸收光熱輻射，接收器可采用帶固體粒子通道的陶瓷模塊構(gòu)筑接收器墻 體，墻體外表面涂敷耐高溫和具有極低發(fā)射率的選擇性熱吸收涂層，可大大減少熱輻射 損失，或陶瓷墻體模塊包裹陶瓷管道，通過(guò)墻體自身具有的儲(chǔ)熱功能應(yīng)對(duì)不穩(wěn)定的光照 和焦斑跳變。接收塔可借鑒南非 Khi Solar One 50 兆瓦 DSG 塔式光熱電站設(shè)計(jì)模式，固體 粒子接收器也采用三面體布置，定日鏡鏡場(chǎng)相應(yīng)為東、西、北三個(gè)扇形鏡場(chǎng)，分別對(duì)應(yīng) 三個(gè)固體粒子接收墻體。且定日鏡面積由遠(yuǎn)及近為 50 平米至 20 平米，以兼顧不同遠(yuǎn)近 定日鏡的輻射強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)均衡。通過(guò)優(yōu)化鏡場(chǎng)布局，降低初始投資。該設(shè)計(jì)比較適合我國(guó)緯度高、海拔高、環(huán)境溫度低的環(huán)境。

結(jié) 語(yǔ)

目前塔式光熱發(fā)電站在傳熱和存儲(chǔ)介質(zhì)方面有多種選擇，但每一種介質(zhì)都有特定的 限制條件和應(yīng)用特點(diǎn)。拿熔鹽來(lái)說(shuō)，因受限于化學(xué)性質(zhì)，它的上限溫度在 565℃左右， 而結(jié)晶點(diǎn)在 230℃，導(dǎo)致系統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換效率受限，為防止熔鹽凝固還要增加很多電伴 熱設(shè)備，無(wú)端增大電站寄生損耗。采用創(chuàng)新型的流態(tài)化的耐火顆粒作為傳儲(chǔ)熱介質(zhì)，可 將系統(tǒng)工作溫度提升到 600 至 1000℃，大幅提升光熱發(fā)電效率。根據(jù)國(guó)外的實(shí)驗(yàn)結(jié)果， 預(yù)計(jì)采用流態(tài)化固體粒子作為傳熱儲(chǔ)熱介質(zhì)，光熱發(fā)電系統(tǒng)的理論發(fā)電效率將比目前最 先進(jìn)的熔鹽塔式光熱電站高出約 20%，同時(shí)發(fā)電成本降低約 25%，并顯著降低存儲(chǔ)介質(zhì) 的成本和電站初始投資。但是欲實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，不僅要精心選擇固體粒子，還要考慮塔 式接收器的可靠性和制造成本、以及蓄熱罐、流化床懸浮粒子熱交換器、超臨界二氧化 碳發(fā)電機(jī)組、固體粒子傳輸設(shè)備、冷料罐、電力或燃?xì)饣パa(bǔ)儲(chǔ)熱等的設(shè)計(jì)和配套，特別 是將其集成在塔式聚光發(fā)電系統(tǒng)中還需要做很多功課?？上驳氖俏覈?guó)已經(jīng)啟動(dòng)了這些工 作。

總之，塔式光熱發(fā)電前景誘人，技術(shù)路線(xiàn)多種多樣，核心是能否結(jié)合國(guó)情，走我們 自己的路。一句話(huà)，這是前無(wú)古人的事業(yè)，也為年輕一代光熱技術(shù)人員留出足夠大的創(chuàng) 新空間。該文僅為拋磚引玉，但愿為國(guó)內(nèi)塔式光熱發(fā)電技術(shù)創(chuàng)新盡綿薄之力。

原文章：塔式光熱發(fā)電創(chuàng)新技術(shù)之選擇