新型布雷登塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)

布魯斯安德森，黃湘，孫海翔，王福華

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新型布雷登塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)

布魯斯×安德森1，黃湘2，孫海翔3，王福華4

（1．247太陽(yáng)能公司，美國(guó) 弗吉利亞州 大瀑布城 22066；2．中國(guó)華電科工集團(tuán)有限公司，北京市 海淀區(qū) 100088；3．中國(guó)科技開發(fā)院，廣東省 深圳市 518000；4．西藏啟迪弘通清潔能源科技有限公司，北京市 海淀區(qū) 100084）

太陽(yáng)能熱發(fā)電通常以水工質(zhì)吸熱作為第1代，以熔鹽吸熱作為第2代，以空氣、超臨界二氧化碳或固體粒子作為介質(zhì)的布雷登循環(huán)系統(tǒng)稱為第3代太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)。通過采用空氣或陶瓷粒子作為吸熱介質(zhì)，采用干熱存儲(chǔ)介質(zhì)(如耐火磚和陶瓷材料等)進(jìn)行規(guī)模化儲(chǔ)熱，能提高系統(tǒng)效率和降低成本，系統(tǒng)的儲(chǔ)熱能力可保證電站在任何時(shí)候都按照電網(wǎng)調(diào)度要求發(fā)電。采用標(biāo)準(zhǔn)化模塊設(shè)計(jì)，通過工廠化制作，使電站設(shè)計(jì)、設(shè)備生產(chǎn)、安裝、調(diào)試和運(yùn)行都大為簡(jiǎn)便，儲(chǔ)存的熱量可用于食品加工、干燥、農(nóng)業(yè)應(yīng)用等。根據(jù)美國(guó)能源部的研究，具有儲(chǔ)熱功能的模塊配備小型燃?xì)庑屯钙娇蓪?shí)現(xiàn)快速啟停，改善電網(wǎng)電壓和頻率質(zhì)量。

分布式能源；太陽(yáng)能熱發(fā)電；布雷登循環(huán)；空氣型集熱器；模塊化；儲(chǔ)熱裝置；電網(wǎng)穩(wěn)定

0 引言

2011年，美國(guó)威爾遜太陽(yáng)能動(dòng)力公司在美國(guó)能源部的支持下，提出了模塊化的布雷登循環(huán)太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)構(gòu)想。當(dāng)時(shí)的布雷登循環(huán)基于高壓空氣系統(tǒng)發(fā)電[1-2]，無儲(chǔ)熱裝置，價(jià)格高昂，因而實(shí)用性較低。后來提出了低壓空氣系統(tǒng)循環(huán)概念，研制了溫度超過970℃的高溫空氣換熱器，設(shè)計(jì)了儲(chǔ)熱超過13h的低成本干熱儲(chǔ)能裝置，采用陶瓷或廉價(jià)耐火磚材料作為儲(chǔ)能材料，研制了新型低壓空氣加熱太陽(yáng)能集熱器。最初開發(fā)的模塊單機(jī)容量約為300kW，模塊化擴(kuò)展后系統(tǒng)可達(dá)100MW或更大容量。該系統(tǒng)成本低，具有靈活、可靠的發(fā)電方法，電網(wǎng)接入友好，電力輸出特性優(yōu)于光伏、風(fēng)電和初期太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)。

1 傳統(tǒng)太陽(yáng)能布雷登塔式熱發(fā)電系統(tǒng)

傳統(tǒng)太陽(yáng)能布雷登塔式熱發(fā)電系統(tǒng)由鏡場(chǎng)、集熱塔(集熱器)、儲(chǔ)熱系統(tǒng)和布雷登循環(huán)發(fā)電 系統(tǒng)組成，如圖1所示。鏡場(chǎng)由無數(shù)面玻璃反射鏡組成，將太陽(yáng)光反射聚焦到塔頂?shù)募療崞鳎凰呒s30~40m；熱量可儲(chǔ)存；發(fā)電系統(tǒng)由空氣透平(或稱為空氣燃機(jī))、壓縮機(jī)、熱回收裝置、發(fā)電機(jī)等組成，以太陽(yáng)熱能作為驅(qū)動(dòng)力[3]，也可以用化石燃料或生物燃料補(bǔ)燃。圖1(a)為傳統(tǒng)高壓空氣腔式吸熱器結(jié)構(gòu)[4]，圖1(b)為布雷登循環(huán)熱力系統(tǒng)。

圖1 傳統(tǒng)太陽(yáng)能布雷登塔式熱發(fā)電系統(tǒng)

布雷登塔式熱發(fā)電系統(tǒng)白天或晚上任何時(shí)間都可以發(fā)電，能量來源由太陽(yáng)能、經(jīng)過儲(chǔ)熱的太陽(yáng)能、其他化石能源或可再生能源，每個(gè)模塊獨(dú)立運(yùn)行，可靠性和調(diào)節(jié)性能高，也可提供持續(xù)的熱量用于供熱和制冷、農(nóng)業(yè)加工和干燥、水質(zhì)凈化或海水淡化等。

2 布雷登塔式熱發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)突破

傳統(tǒng)布雷登循環(huán)集熱器受到尺寸的限制，由于集熱器受熱腔體部分必須和壓縮空氣隔離，其結(jié)果是吸熱窗體承受高壓和高溫，需要既耐壓又耐熱的透明材料，因此受熱面直徑控制在1m以內(nèi)。

傳統(tǒng)布雷登循環(huán)系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，高壓壓縮空氣進(jìn)行第一次預(yù)熱后就直接進(jìn)入燃燒室，但集熱器結(jié)構(gòu)難以設(shè)計(jì)，集熱器窗體直徑需控制在0.6~0.8m范圍，單機(jī)發(fā)電量?jī)H100kW。

2.1 布雷登低壓空氣加熱系統(tǒng)

新開發(fā)的低壓布雷登循環(huán)系統(tǒng)采用了間接加熱方法，取消了高壓空氣通過集熱器，如圖2所示。通過增加高溫高壓換熱器，集熱側(cè)采用低壓空氣系統(tǒng)，發(fā)電側(cè)采用高壓空氣系統(tǒng)，減小了空氣布雷登集熱器的設(shè)計(jì)難度，避免了集熱器的設(shè)計(jì)直徑限制，因而使布雷登循環(huán)系統(tǒng)的輸出功率大大增加[5]。圖2中顯示了高溫空氣換熱器和低溫空氣換熱器，低壓空氣去集熱器吸熱，產(chǎn)生的高溫空氣一部分去高、低溫?fù)Q熱器，將高溫?zé)崃總鬏斀o高壓空氣，另一部分去儲(chǔ)熱裝置，實(shí)現(xiàn)部分能量的儲(chǔ)存，用于夜晚發(fā)電；經(jīng)過壓縮機(jī)的高壓空氣經(jīng)過兩級(jí)換熱器，產(chǎn)生的高溫高壓空氣推動(dòng)空氣透平做功發(fā)電，從透平出來的低溫低壓空氣去太陽(yáng)能集熱器，溫度升高后去換熱器或儲(chǔ)熱器；整個(gè)系統(tǒng)中，高壓氣體僅限制在壓縮機(jī)后的兩級(jí)換熱器和布雷登透平入口范圍，其他部分的空氣全部為低壓系統(tǒng)[6]。圖中藍(lán)線是太陽(yáng)能集熱發(fā)電流程，紅線是太陽(yáng)能集熱儲(chǔ)熱流程，綠線是儲(chǔ)熱器放熱發(fā)電流程。

圖2 新型間接低壓布雷登循環(huán)系統(tǒng)

新型換熱器利用低壓空氣將太陽(yáng)能集熱器收集到的熱量轉(zhuǎn)移到高壓空氣中，高溫高壓的空氣進(jìn)入空氣透平中做功。這樣，高壓空氣就不必進(jìn)入集熱器，太陽(yáng)能集熱器的直徑從0.6m可擴(kuò)大到2m，使發(fā)電能力提高到300~400kW，同時(shí)儲(chǔ)存10~15h的熱量[7]。根據(jù)傳熱和力學(xué)分析，采用低壓空氣的集熱器最大直徑可達(dá)到5m，則儲(chǔ)熱系統(tǒng)可存儲(chǔ)48h的發(fā)電能量，或進(jìn)一步提高單機(jī)出力。太陽(yáng)能集熱器部件不需要冷卻裝置，也沒有運(yùn)動(dòng)部件，因而易于加工制造。

2.2 高溫?fù)Q熱器設(shè)備的技術(shù)突破

采用間接加熱系統(tǒng)帶來了高溫?fù)Q熱器設(shè)計(jì)的難題。國(guó)內(nèi)外關(guān)于換熱器的設(shè)計(jì)方法已很成熟，但是受材料耐溫的限制，常規(guī)換熱器的極限溫度不能超過850℃。近年來國(guó)際上耐高溫材料研制突飛猛進(jìn)，美國(guó)研制了一種含鎳鉻鋁鐵的特殊高溫合金材料，耐高溫值達(dá)到950℃。這種材料高溫抗氧化性能好，韌性和加工特性好，焊接性能優(yōu)良，可用于955℃(1750℉)及以上溫度條件。

常規(guī)化石燃料發(fā)電廠的運(yùn)行年限為20~30a，材料使用壽命一般為10萬h，為了驗(yàn)證鎳鉻鋁鐵合金的使用壽命，美國(guó)橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(ORNL)對(duì)新材料進(jìn)行了加速老化連續(xù)測(cè)試，以確定鎳鉻鋁鐵合金材料實(shí)際應(yīng)用中是否能達(dá)到10萬h。

材料加速老化試驗(yàn)是將材料做成不同厚度和不同形狀的切片，放在環(huán)境溫度和970℃以上高溫交變條件下，觀察其材料的蠕漲特性和應(yīng)力變化特性。實(shí)際操作是將材料厚度切割為60~260mm的箔片，在950℃、1000℃、1050℃三種高溫條件下，將箔片放在干燥空氣中連續(xù)12個(gè)月，在10h內(nèi)進(jìn)行800次熱交變循環(huán)，采用電子探針微量分析(EPMA)方法對(duì)箔片的鋁成分損失進(jìn)行精確測(cè)定，根據(jù)箔片試驗(yàn)前后鋁含量的微量差別確定材料的壽命值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果是，1000℃和1050℃條件下，試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果略微呈非線性狀態(tài)；如果反應(yīng)速率呈拋物線狀態(tài)，則156mm厚的箔片在950℃條件下可運(yùn)行10萬h；線性條件下，箔片在900℃條件下可運(yùn)行10萬h。

一般認(rèn)為材料實(shí)際使用結(jié)果要比試驗(yàn)數(shù)據(jù)好，原因包括：①實(shí)際運(yùn)行中換熱器的熱變化小于試驗(yàn)條件；②實(shí)際運(yùn)行溫度低于試驗(yàn)溫度；③由于系統(tǒng)采用儲(chǔ)熱裝置，機(jī)組不會(huì)每天起停；④可通過控制換熱器的熱交換速率降低熱交換器的材料壽命損耗。

2.3 塔式空氣集熱器設(shè)備的技術(shù)突破

集熱器采用低壓系統(tǒng)后使設(shè)計(jì)難度大為降低。圖1(a)是塔式高壓空氣集熱器的外形示意圖，其直徑最大為0.6m。圖3中上圖是塔式低壓空氣集熱器設(shè)備外形示意圖，下圖是集熱器內(nèi)壁結(jié)構(gòu)。相比之下，由于空氣壓力降低，設(shè)計(jì)體積增大，等體積的設(shè)備結(jié)構(gòu)質(zhì)量降低。集熱器由不銹鋼材料制成，呈圓形桶狀物，直徑約2m，采用雙壁結(jié)構(gòu)，窗口部分由耐高溫石英玻璃覆蓋，內(nèi)部有碳化硅泡沫吸熱材料。低壓空氣從尾部入口進(jìn)入，從集熱器雙壁中流過，通過在靠近窗戶的接收器前的線網(wǎng)進(jìn)口進(jìn)行預(yù)熱，吸收兩側(cè)壁面的熱量；到達(dá)集熱器中部后，空氣溫度進(jìn)一步升高，碳化硅泡沫吸熱材料有強(qiáng)烈的吸收太陽(yáng)熱 量的作用，可將吸收的熱量傳遞給途經(jīng)的空氣；到達(dá)額定溫度的空氣經(jīng)過中部流通管從尾部出口流出[8]。

圖3 直徑2m的塔式空氣集熱器設(shè)備外形和集熱器內(nèi)壁結(jié)構(gòu)

2.4 固體儲(chǔ)熱系統(tǒng)的研制

儲(chǔ)熱通常采用熔鹽。由于布雷登熱力循環(huán)由空氣驅(qū)動(dòng)，而不是蒸汽驅(qū)動(dòng)，因此采用空氣作為介質(zhì)進(jìn)行熱傳輸，存儲(chǔ)介質(zhì)采用粒子陶瓷、蜂窩陶瓷、耐火磚和玄武巖(卵石)等，可大幅降低單位儲(chǔ)熱的成本[9]。儲(chǔ)熱材料和熱儲(chǔ)罐外形如圖4所示。

圖4 蜂窩陶瓷、耐火磚和玄武巖儲(chǔ)熱介質(zhì)及其熱儲(chǔ)罐外形

選擇儲(chǔ)熱介質(zhì)時(shí)，關(guān)鍵要考慮材料的單位體積的表面積比、熱容性和熱導(dǎo)性，即介質(zhì)傳遞表面需有良好的導(dǎo)熱性能。單位體積下的外表面積和熱容量要大，同時(shí)考慮材料的機(jī)械穩(wěn)定性、耐用性和成本。常用的儲(chǔ)熱介質(zhì)及其特性如下：1）硅酸鹽成型磚，v=90m2/m3，=25%；2）硅酸鹽成型棒，v=60m2/m3，=37%；3）陶瓷蜂窩磚，v=270m2/m3，=60%；4）陶瓷塊，v=60m2/m3，=40%；5）硅酸鹽陶瓷球，v=120m2/m3，=40%。

熱儲(chǔ)罐外型見圖4，其中高溫絕緣保護(hù)容器通常用鋼板制成，外包裹保溫層和保護(hù)層，保溫材料常用輕質(zhì)耐火磚或陶瓷纖維，也可采用其他保溫材料。由于熱儲(chǔ)罐運(yùn)行溫度大于900℃，目前的混凝土砌塊類材料無法采用。

布雷登循環(huán)各系統(tǒng)的主要設(shè)備參數(shù)如下：

1）直徑2m的太陽(yáng)能集熱器；2）300kW商用空氣透平；3）儲(chǔ)熱容量為13h的儲(chǔ)熱罐，總儲(chǔ)熱發(fā)電量3900kW×h，考慮換熱器和空氣透平效率，熱存儲(chǔ)總量為16000kW×h(熱)。

儲(chǔ)熱罐布置在地面，考慮到運(yùn)輸條件，儲(chǔ)熱罐直徑不大于4m，每段長(zhǎng)3m，運(yùn)往現(xiàn)場(chǎng)焊接組裝，填充陶瓷儲(chǔ)熱介質(zhì)后，罐體總高度約9m，每單元配置3個(gè)或4個(gè)該罐體。

儲(chǔ)熱空氣從罐體底部進(jìn)入，頂部為出口，經(jīng)太陽(yáng)聚焦加熱后的集熱器出口熱空氣溫度約為970℃，到罐體出口溫度約降低300℃，逐漸加熱，最終到達(dá)970℃。罐內(nèi)溫度梯度變化如圖5所示。夜間相反，空氣透平排氣進(jìn)入儲(chǔ)熱罐底部，提高溫度后從頂部出口進(jìn)入高溫?fù)Q熱器，加熱高壓空氣，高溫高壓空氣進(jìn)入空氣透平做功。

圖5 儲(chǔ)熱罐高度與儲(chǔ)熱溫度關(guān)系圖

為降低成本，可考慮替代方案，如儲(chǔ)熱介質(zhì)采用灰渣砌磚、玄武巖卵石等，容器形狀也可根據(jù)實(shí)際情況變化。根據(jù)當(dāng)?shù)貤l件和材料性能，尤其是考慮高溫下的穩(wěn)定性，以確保能在高溫下長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

3 模塊化塔式布雷登循環(huán)系統(tǒng)示例

圖6為247太陽(yáng)能電站的示例圖，采用塔式布雷登循環(huán)，輸出功率為300kW，占地1.6′104m2，采用模塊化的空氣透平發(fā)電塔，低壓空氣太陽(yáng)能集熱器直徑2m，塔高35m，采用陶瓷儲(chǔ)熱介質(zhì)，儲(chǔ)熱罐容量可提供10~13h發(fā)電量。

圖6 模塊化的247塔式布雷登循環(huán)電站

太陽(yáng)能發(fā)電塔的布置和優(yōu)化比較復(fù)雜，鏡場(chǎng)的太陽(yáng)反射計(jì)算依賴于當(dāng)前太陽(yáng)、反射鏡與集熱塔的位置[10]，還需考慮鄰近玻璃鏡陰影遮擋情況。太陽(yáng)能計(jì)算有HFLCAL和EBSILON兩套軟件。HFLCAL用于計(jì)算光學(xué)特性，估計(jì)一年中的每小時(shí)太陽(yáng)能可接收多少，確定太陽(yáng)能鏡場(chǎng)、集熱塔、發(fā)電系統(tǒng)的主要參數(shù)，并對(duì)布置參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。鏡場(chǎng)計(jì)算每小時(shí)和每月太陽(yáng)能利用率，集熱塔計(jì)算考慮輻射損耗、反射損耗和對(duì)流損耗，根據(jù)其結(jié)構(gòu)尺寸計(jì)算接收能量和效率。EBSILON用于模擬電廠運(yùn)行，輸入當(dāng)?shù)靥?yáng)條件等參數(shù)，利用鏡場(chǎng)小時(shí)數(shù)據(jù)和集熱器性能來計(jì)算整個(gè)系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性，按順序逐時(shí)模擬，得到全年的發(fā)電結(jié)果，計(jì)算出年總發(fā)電量。數(shù)據(jù)結(jié)果以Excel表格形式對(duì)總體結(jié)果進(jìn)行評(píng)估和展示。247電站的示例計(jì)算結(jié)果見表1。

表1中列出了3個(gè)示例，HP300的電負(fù)荷出力為300kW，采用高壓空氣系統(tǒng)，使用較少的燃料，儲(chǔ)熱介質(zhì)使用蜂窩基質(zhì)的陶瓷材料，投資相對(duì)比較高；LP300的電負(fù)荷出力為300kW，采用低壓空氣系統(tǒng)，具有13h的儲(chǔ)熱量，由于太陽(yáng)能直接發(fā)電和儲(chǔ)熱發(fā)電過程中需要切換，操作過程中需要增加燃料，以使空氣透平在設(shè)計(jì)點(diǎn)保持進(jìn)口溫度，以保持額定工況下的運(yùn)行，但如果降低負(fù)荷運(yùn)行，也可以降低燃料投入或取消燃料，以充分利用儲(chǔ)存的太陽(yáng)能；LP1700的電力輸出負(fù)荷為1700kW，運(yùn)行方式和燃料使用特性與LP300相同。

表1 模塊化的247塔式布雷登循環(huán)電站技術(shù)指標(biāo)一覽表

將以上技術(shù)數(shù)據(jù)和電站總投資、運(yùn)行期、融資、贏利模式等數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算軟件SAM模型中，就可以對(duì)太陽(yáng)能電站進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。計(jì)算結(jié)果顯示，按照電站壽命期為30a，投資回報(bào)率為12%，在美國(guó)建設(shè)的布雷登循環(huán)電站投資成本最初約6000USD/kW，電價(jià)為11~12 USD/(kW×h)；當(dāng)規(guī)模化應(yīng)用后，投資成本可降低到4000 $/kW，此時(shí)電價(jià)約8 USD/(kW×h)。如果用印度或中國(guó)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，投資和電價(jià)預(yù)計(jì)可降低15%~20%左右。

4 結(jié)論

根據(jù)美國(guó)能源部支持的新型太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)，提出了一種無水/蒸氣的新型布雷登循環(huán)的熱發(fā)電系統(tǒng)。新系統(tǒng)突破了傳統(tǒng)概念，建立了模塊化的、靈活運(yùn)行、低成本的發(fā)電和供熱的能源站，這一發(fā)電、供能系統(tǒng)稱為247布雷登循環(huán)塔式儲(chǔ)熱發(fā)電裝置。

模塊化的布雷登循環(huán)系統(tǒng)包括低成本的鏡場(chǎng)、干儲(chǔ)熱系統(tǒng)、熱空氣驅(qū)動(dòng)的小型燃?xì)庑屯钙桨l(fā)電裝置三部分，運(yùn)行中無需水和蒸汽，單臺(tái)機(jī)組為百kW級(jí)容量，通過模塊化集成可使系統(tǒng)達(dá)到100萬kW級(jí)的發(fā)電規(guī)模。系統(tǒng)可作為分布式能源，能提高電網(wǎng)的供電品質(zhì)，儲(chǔ)存熱量可以靈活使用，可提供約375Mcal/h的熱量，用作空調(diào)制冷、農(nóng)產(chǎn)品冷藏、水質(zhì)凈化、作物干燥等。

新型布雷登低壓空氣循環(huán)系統(tǒng)消除了高壓系統(tǒng)的不足，通過降低空氣壓力，提高儲(chǔ)熱溫度，研發(fā)低成本儲(chǔ)熱設(shè)備，解決了系統(tǒng)容量受到的局限，制造出了系統(tǒng)簡(jiǎn)單、成本低廉、運(yùn)行靈活和性能優(yōu)越的新型太陽(yáng)能系統(tǒng)。

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(責(zé)任編輯 楊陽(yáng))

Solar Heat Plant for a Newly Brayton Tower Circulation

BRUCE N. Anderson1, HUANG Xiang2, SUN Haixiang3, WANG Fuhua4

(1. 247Solar Inc., Great Falls, VA 22066, USA; 2. China Huadian Engineering Co. LTD., Haidian District, Beijing 100088, China; 3. China Science and Technology Development Institute, Shenzhen 518000, Guangdong Province, China; 4. Tibet Qidi-hongtong Clean Energy Technology Co. LTD., Haidian District, Beijing 100084, China)

The solar thermal power generation usually takes the water-medium heat absorption as the first generation, the molten salt heat absorption as the second generation, and the Braden circulation system using air, supercritical carbon dioxide or solid particles as the medium is called the third generation of solar heat power system. Through the use of air or ceramic particles as a heat-absorbing medium, the use of dry heat storage media such as refractory bricks and ceramic materials for large-scale heat storage, can improve system efficiency and reduce costs, the system's thermal storage capacity to ensure that the power station at any time according to power grid requirements for scheduling; the system uses standardized module design, through the factory production, power plant design, equipment production, installation, commissioning and operation are simple, the system stored heat can be used for food processing, drying, agricultural applications; according to the United States DOE research, modules with heat storage capability Equipped with a small gas turbine for quick start-up and shutdown, could improve grid voltage and frequency.

distributed power; solar heat power; brayton circulation; volumetric receiver; modular; thermal storage; grid stabilization

2017-11-10。

布魯斯?安德森(1960)，男，美國(guó)247太陽(yáng)能公司總裁兼首席執(zhí)行官，從事太陽(yáng)能熱發(fā)電研發(fā)及建設(shè)，bruce.anderson@247solar.com；黃湘(1956)，男，從事火電、可再生能源、新能源、分布式能源設(shè)計(jì)和工程建設(shè)， huangx@chec.com.cn。

10.12096/j.2096-4528.pgt.2018.006