槽式太阳能热发电双罐式熔融盐间接储热系统设计研究_田增华
槽式太阳能热电厂中采用双罐熔盐储能技术的可行性分析
2017年第24卷第8期技术与市场创新与实践槽式太阳能热电厂中采用双罐熔盐储能技术的可行性分析张洪岩，江才俊，张太勇(中广核工程有限公司，广东深圳518057)摘要：目前世界上大部分槽式太阳能电站的储能系统都采用双罐储能系统，采用导热油作为中间载体。
该理念已经被 商业运行的电站所验证，包括:SEGS I槽式电站（额定功率13.8 MWe，储热容量为120 MWht)、SOLARTWO塔式电站（额定 功率10 MWe，储热容量为105 MWht)。
用于槽式电站的导热油价格昂贵，使得采用导热油作为储能介质的系统造价大幅上 升。
根据SEGS I电站和SOLAR TWO电站的运行经验，研究得出双罐熔盐储能系统的造价根据罐尺寸大的不同约在 MYM30 ~40/KWht之间，并给出了详细的性能及造价分析数据，研究证明采用熔盐作为储能介质比采用导热油更为经济。
关键词：槽式太阳能储能系统；性能模型；经济分析doi：10. 3969/j.issn.1006 - 8554. 2017.08.0081概述目前槽式太阳能技术被证明是最便宜且可行的太阳能热 利用发电技术。
美国LUZ公司在加利福尼亚的沙漠中开发建 设了 9座大型的商业运行的槽式太阳能电站，单机容量从14 ~ 80 MW不等，总容量为384 MW。
第一座槽式太阳能热发电电站（SEGS1)建于1984年，具 有3h的储热能力，可以使电站在正常太阳能发电期和调峰期 转换。
电站采用一种矿物油热媒介质，有2座储能罐:1座储存冷油，座储存热油，热油温度300^。
该矿物油是高可燃性 的，在以后的项目中未再使用。
后续效率更高的SEGS电站集 热场运行温度更高（400^)，对这些电站来说，用于SEGS1的双罐储能系统是不可行的，原因是合成的矿物油HTF的价格 太高，且苯醚的蒸汽压力要求采用压力容器，导致工程投资进 一步上升。
本文分析了在槽式太阳能电站中采用熔盐储能系统的可 行性。
槽式太阳能热发电电站油盐换热器控制研究
工程技术科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald821 储热工况运行控制回路槽式太阳能热发电电站储热工况时，操作者必须保证通过油盐换热器加热的熔盐温度不能低于350 ℃。
为了避免上述情况出现，必须对进入油盐换热器的冷盐流量进行控制。
熔盐温度的控制有两种控制器。
(1)流量控制器：熔盐流量的设计点是根据油盐换热器接收的导热油的流量和温度计算出来的。
计算使用油盐换热器中的焓值平衡（加热介质是导热油，被加热介质是熔盐）。
通过焓值平衡计算得到质量流量控制要求的数据：F 导热油 (k g / s ):导热油进口流量；(k g / s ):计算的熔盐流量设置点；T 1 (°C ):盐油换热器中导热油进口温度；T 2 (°C ):盐油换热器中导热油出口温度；T 3 (°C ):熔盐进口温度；T 4 (°C):温度设置点(386 °C)；C p 导热油(J/ k g·°C) = 3.302·T H T F+1 363.28，这里导热油温度是两个测量仪器所测得结果的平均值。
C p 熔盐(J / k g ·°C)=0.165·T+1 450.12，此处冷盐的温度是测量仪器所测得结果和设置点的平均值。
储热过程中输入流量控制器的变量是冷盐的流量，由两个流量计测得：一个位于油盐换热器进口处，另一个位于其出口处。
流量控制回路检查熔盐的流量是否满足系统要求，体积流量和质量流量之间的转换公式如下。
Ρ熔盐(k g/m 3)=-0.639 8·T (℃)+2 090.1Ρ导热油(k g/m 3)=-0.907 97·T(℃)+ 0.000 781 16·T 2 (℃) - 2.367×10-6·T 3(℃)+1 083.25(2)反馈温度控制器。
采用熔融盐介质的槽式太阳能热发电系统及热发电方法[发明专利]
![采用熔融盐介质的槽式太阳能热发电系统及热发电方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/e2d171e6844769eae009ede8.png)
专利名称：采用熔融盐介质的槽式太阳能热发电系统及热发电方法
专利类型：发明专利
发明人：董军
申请号：CN201410601442.1
申请日：20141031
公开号：CN105545618A
公开日：
20160504
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明提供一种采用熔融盐介质的槽式太阳能热发电系统及热发电方法，系统包括槽式集热器(1)、盐水换热器(7)、汽轮发电机(8)、低温蓄热罐(5)、高温蓄热罐(6)和排熔融盐系统；槽式集热器(1)由多列独立的子槽式集热器组成，每个所述子槽式集热器由多个集热管按自下而上顺序串接；在每个所述子槽式集热器上开设至少一个排盐管路，该排盐管路的一端与所述子槽式集热器的腔体连通，该排盐管路的另一端连接储盐罐；在所述排盐管路靠近所述子槽式集热器的一端安装控制阀门；另外，每个所述子槽式集热器的底部还设置有进气口。
优点为：系统成本低、系统使用的安全性高。
申请人：中广核太阳能开发有限公司,中国广核集团有限公司
地址：100048 北京市海淀区西三环北路100号光耀东方中心21层
国籍：CN
代理机构：北京市盛峰律师事务所
代理人：席小东
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北京工业大学熔融盐传热蓄热技术探访
北京工业大学熔融盐传热蓄热技术探访北京工业大学熔融盐传热蓄热技术探访CSPPLAZA光热发电网讯：日前，在北京工业大学传热强化与过程节能教育部重点实验室里，CSPPLAZA光热发电网特约记者随同相关媒体专访了这个科研团队的带头人——马重芳。
10年前，北京工业大学教育部传热强化与过程节能重点实验室的马重芳教授敏锐地看到太阳能光热发电熔融盐传热、储热技术的未来前景，力排众议、毅然决然地率领他的团队投入到此项技术的研发中来。
10年后，该团队对此项技术的核心技术和系统把握能力已经成熟，这将成为我国拥有自主知识产权的熔融盐传热、储热技术，将有望打破国际技术封锁，为我国光热发电产业的发展提供坚强支撑。
据该团队核心专家吴玉庭教授介绍，截至目前，使用大规模熔盐储热的商业化运行的太阳能光热发电站已有12个，总装机容量60万千瓦，总熔盐用量达32万吨。
另外在建的和计划建的还有10座槽式、3座塔式光热发电项目总计104.9万千瓦的电站采用熔盐储热技术。
采用熔融盐储热已经成为太阳能光热发电的大趋势。
正是基于全天索取太阳能电力的梦想，国内外产业界展开了对储热技术的研发。
据马重芳介绍，目前全球真正掌握该项技术的机构并不多，北京工业大学率先掌握了此项技术的核心知识产权，不仅在国内领先，而且也获得了国际的关注和高度认可。
产业带动性极强———应力促光热发电产业化发展在采访中，作为光热发电产业的积极推动者，马重芳多次强调光热发电的诸多优点，他表示，光热发电是一种高品质的清洁电力，采用储热技术可以实现24小时持续发电；对电网极其友好，不会对电网产生任何压力，相反还能像抽水蓄能电站一样具有一定的电网调节功能；同时，相对光伏产业来讲，光伏电池生产过程中的高耗能、高污染在光热发电中不会出现，光热发电的产业链从头到尾没有任何污染环节，是真正绿色的清洁能源。
马重芳今年已经72岁了，记者惊诧于其青年人般的自信和学者型的渊博。
他甚至从国家经济层面对记者分析了光热发电产业的战略性重要地位。
槽式太阳能热发电双罐式熔融盐间接储热系统设计研究_田增华
虽然ＮａＮＯ３和ＫＮＯ３按６：４配比的工业级混合 盐被广泛应用于槽式太阳能热发电储热系统中， 但其配比份额并非固定不变，其配比份额可在 ６：４ 基础上发生变化，但需要在工程设计开始重新对 混合盐的各种性质进行测量与计算。
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SOLAR ENERGY
技术与产品 太 阳 能
把白天太阳辐射的能量以热能的形式储存起来， 到了晚上释放出来进行热发电，这样可以起到削 峰填谷的作用［１］。
储热技术是合理有效利用现有能源、优化使 用可再生能源和提高能源效率的重要技术。储热 技术主要应用于以下三个方面［２］：（１） 在能源的生产 与其消费之间提供时间延迟和保障有效使用；（２） 提供热惰性和热保护（包括温度控制）；（３） 保障能源 供应安全。
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技术与产品 太 阳 能
系统时，需先将其溶解在水中，将溶液注入系统， 然后加热蒸发掉水分，该熔融盐具有 １２０℃的凝结 温度，并在 ５００℃时也具有较好的热稳定性［７］。通 过对三种熔融盐的性能及价格比较，太阳盐凝固点
高于其他两种熔融盐，但在储热系统需要大量熔 融盐量时，太阳盐较其他两种熔融盐具有一定的成 本优势，因此太阳盐更被广泛的应用于槽式太阳能 热发电站储热系统中。
储热介质
Ｓｏｌａｒ Ｓａｌｔ （６０％ＮａＮＯ３＋４０％ＫＮＯ３）
表 1 熔融盐性质比较
熔盐槽式光电发热电站与熔盐蓄热储能系统的研究
熔盐槽式光电发热电站与熔盐蓄热储能系统的研究
汪琦;张慧芬;俞红啸;汪育佑
【期刊名称】《上海化工》
【年(卷),期】2017(42)7
【摘要】介绍了熔盐槽式光热发电站的结构特点,分析了熔融盐槽式电站管路系统的运行方式,讨论了真空集热管的涂层薄膜、增透膜、熔封连接、烘烤抽真空等制作技术,研究了熔盐蓄热储能循环系统的设计开发过程,探讨了太阳能集热器和太阳能集热场的计算机智能控制方法.
【总页数】3页(P37-39)
【作者】汪琦;张慧芬;俞红啸;汪育佑
【作者单位】上海热油炉设计开发中心上海200042;上海热油炉设计开发中心上海200042;上海热油炉设计开发中心上海200042;上海热油炉设计开发中心上海200042
【正文语种】中文
【中图分类】TK514
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槽式太阳能储热采暖系统设计
槽式太阳能储热采暖系统设计
牛高云;郭锋;刘杨
【期刊名称】《能源研究与管理》
【年(卷),期】2018(000)002
【摘要】我国太阳能辐射资源丰富,大力开发太阳能资源,对改变国家能源结构,优化能源配置,提高能源综合利用率具有重要意义.在分析太阳能与常规供热方式联合供热的基础上,提出一种新型的槽式太阳能储热采暖系统,白天光照条件好的情况下,利用供水泵将冷水罐中的冷水泵入槽式太阳光镜场中,将集热管内部的水加热到额定温度,热水回流至热水罐储存起来,一部分热水通过换热器加热供暖系统,由换热水泵将换热后的水泵入冷水罐,多余的热水则储存在热水罐中;晚上或白天无光照条件下,利用热水罐中存储的热水加热供暖系统,从而达到全天24 h供热.
【总页数】4页(P63-66)
【作者】牛高云;郭锋;刘杨
【作者单位】国核电力规划设计研究院有限公司,北京 100094;国核电力规划设计研究院有限公司,北京 100094;国核电力规划设计研究院有限公司,北京 100094【正文语种】中文
【中图分类】TK513.5
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储热介质
Ｓｏｌａｒ Ｓａｌｔ （６０％ＮａＮＯ３＋４０％ＫＮＯ３）
表 1 熔融盐性质比较
凝固点 ℃
上限温度 平均密度
℃
ｋｇ／ｍ３
２２０
６００
１８９９
Ｈｉｔｅｃ
（７％ＮａＮＯ３＋５３％ＫＮＯ３＋４０％ＮａＮＯ２）
１４２
５３５
１６４０
ＨｉｔｅｃＸＬ （４５％ＫＮＯ３＋４８％Ｃａ（ＮＯ３）２＋７％ＮａＮＯ３）
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太 阳 能 技术与产品
3 化学反应热储热 化学反应热储热是通过化学反应的反应热进 行储热，具有储能密度高、可以长期储存等特点。 这是一种非常有潜力的高温储热方式，且成本有 可能降至相对较低的水平。该方式在理论上可以 满足太阳能热发电的要求，对于能否满足太阳能 热发电系统动力要求，以及如何与发电系统结合 的问题还处于实验室研究阶段。 4 储热形式及储热介质选择 槽式太阳能热发电带储热系统通常有两种形 式［５：］ 图 ３ 的槽式系统常采用合成油作为传热流体 （ＨＴＦ），熔融盐作为显热储热材料，导热油与储热 材料之间有导热油——熔融盐换热器，这种布置 称为间接储热系统。图４的槽式系统采用熔融盐既 作为传热流体又作为显热储热材料的方式，无导 热油——熔融盐换热器，这种布置称为直接储热 系统。后者的优点是可以减少一个换热步骤，避免 了传热流体与储热材料之间的不良换热，而且适 用于 ４００℃～５００℃的高温工况。但后者也面临一 个问题：槽式太阳能热发电系统的集热场采用的 是平面布置，且管道多，管内的传热流体不容易排 出，又由于熔融盐的凝固点通常高于 １２０℃，当采 用熔融盐作为传热流体时，就得使用保温和伴热 的方法防止熔融盐凝固，这样导致初期投资与运 行维护成本过大；以前也选用矿物油作为传热流 体和储热材料时，不存在凝固问题，但由于矿物油 的温度不能高于 ３００℃，否则易分解，这样限制了 槽式系统的工作温度不能超过 ３００℃，导致效率比 较低；当然也可以选用合成油作为传热流体和储 热材料，但其价格没有熔融盐那么便宜，实际工程 应用中不用于储热材料，而且合成油的温度也不 能高于 ４００℃，这自然也限制了槽式系统的工作温 度不能超过 ４００℃。 熔融盐储热技术在太阳能热发电系统中占有 十分重要的地位，它关系着系统运行的稳定性和 可靠性。熔融盐与导热油相比，可在相近的工作压 力下获得更高的使用温度，且耐热稳定性好，其传
图 ２ 储热形式
最成熟的，被广泛应用于太阳能热发电的高温储热 系统，根据储热介质的物理特性分为液体显热储 热、固体显热储热及固体 ／ 液体双介质显热储热。
（１） 液体显热储热 常用的液体显热储热介质为导热油和熔融盐， 该系统较典型的储热形式为采用熔融盐作为储热 介质的双罐式储热系统，这种储热方式被成功应 用在西班牙 Ａｎｄａｓｏｌ 电站，其储热容量为汽轮机组 满发 ７．５ 小时。 （２） 固体显热储热 当换热流体的热容非常低时，如采用空气，固 体仅仅作为储热材料。固体材料作为储热材料，常 以填充层的形式堆放，需要与换热流体进行交换 热量。固体显热储热的主要方式有：砂石混凝土； 玄武岩混凝土；耐高温混凝土；浇注料陶瓷。 （３） 固体 ／ 液体双介质显热储热 双介质储热系统的一个优点是成本较低，如 采用便宜的诸如岩石、沙子或混凝土固体和较为 昂贵的换（储）热流体（如储热油）作为储热介质。然 而双储热系统的压降或寄生能量损失较大，这在 双介质储热系统设计中必须考虑。 2 潜热储热 潜热储热是利用储热介质发生相变时吸收或 放出热量来实现能量的储存，具有储热密度大、充 放热过程温度波动范围小、结构紧凑等特点，例如 ＰＳ１０塔式电站即采用饱和汽／ 水储热器。目前，太 阳能高温潜热储热技术应用于太阳能热发电站还 处于实验室研究阶段，相变材料的高温性能有待 于进一步验证。
太阳能热发电优于光伏发电的一大特点就是 能采用经济的储热技术，而蓄电则相对昂贵。太阳 能热发电系统中采用储热技术的目的是为了降低发 电成本，提高发电的有效性，它可以实现［２］：（１） 容 量缓冲；（２） 可调度性和时间平移；（３） 提高年利用 率；（４） 电力输出更平稳；（５） 高效满负荷运行等。
二 槽式太阳能热发电系统储热形式选择 现阶段实验用的太阳能储热主要有三种形式，
储热技术可分为直接储热和间接储热两大 类。直接储热系统的特点是采用强制对流换热将 热量传递给储热介质，并且储热介质自身在换热 器内循环。间接储热系统的主要特点是传热流体 与储热介质为不同介质，在储热过程中，来自于 吸热器的传热流体将热能传递给储热介质，而放 热过程中，换热流体从储热材料吸取热量，储热 介质可以是固体、液体或相变材料，自身不参与 循环。
关键词： 槽式太阳能热发电；双罐式；熔融盐；间接储热系统
一 引言 随着美国和西班牙多个槽式太阳能热发电站
的商业运行，该发电技术的可靠性已被证实，其在 我国西部和北部等太阳能资源较好地区具有广阔 的商业化前景。槽式太阳能热发电技术由多个抛 物面聚光器阵列组成太阳能集热场，将太阳直接 辐射聚焦到集热管加热传热流体，传热流体进而 与水换热产生蒸汽，驱动汽轮机组发电。其原理如 图 １ 所示。
1 显热储热 显热储热是通过提高储热介质的温度来实现 热存储，是三种热能存储方式中原理最简单、技术
水工质电站 导热油电站
双罐间接蓄热 单罐熔融盐温跃层蓄热
饱和水蓄热 混凝土 ／ 陶瓷固体蓄热
双罐间接蓄热 单罐熔融盐温跃层蓄热 混凝土 ／ 陶瓷固体蓄热
熔融盐电站
双罐直接蓄热 单罐熔融盐温跃层蓄热 混凝土 ／ 陶瓷固体蓄热
集热场
过热器 蒸发器
冷熔融 盐储罐
预热器
热熔融 盐储罐
再热器
汽轮发电机组
传热介质 膨胀箱
凝汽器
冷却塔
图 １ 槽式太阳能热发电系统图
的热能释放出来以满足发电需求。储热系统作为 太阳能热发电站的组成部分，对电站连续、稳定发 电发挥着重要作用。太阳能热发电站的储热系统 可以在太阳辐射正常时储热，而在辐射不足时放 出热来供给汽轮机运转发电，起到功率缓冲的作 用；另一方面，一天之中，中午日照强，早晚日照 弱，在夜晚则不能用太阳能发电，而储热系统可以
表 2 Solar2塔式太阳能电站的熔融盐物理性能参数
温度
密度
比热 绝对粘度 导热率
℃
ｋｇ／ｍ３ Ｊ／（ｋｇ·Ｋ） ×１０−３Ｐａ·ｓ Ｗ／（ｍ·Ｋ）
２６０．００ １９２３．８２ １４９０．５００８ ４．３４２９ ０．４９２４９３
显热储热、潜热储热和化学反应储热。根据储热材 料的使用特点，无论属于哪一类，一般都要满足以 下几点要求［３，４］：（１） 储热密度大；（２） 稳定性好；（３） 无毒、无腐蚀、不易燃易爆，且价格低廉；（４） 导 热系数大，能量可以及时地储存或取出；（５） 不同 状态间转化时，材料体积变化要小；（６） 合适的使 用温度。
图 ４ 双罐式直接储热系统流程图
热系数是其他有机载体的两倍，而且使用温度在 ６００℃以下时，几乎不产生蒸汽。因此，稳定性好、 价格低廉、熔点合适的熔融盐是储热技术发展的 重点。目前，可作为槽式太阳能热发电储热介质的 熔融盐主要有太阳盐、Ｈｉｔｅｃ 和 Ｈｉｔｅｃ ＸＬ 三种，其 性能及成本比较见表 １［２，６］。太阳盐为 ６０％ＮａＮＯ３ 和 ４０％ＫＮＯ３ 的混合盐，因为其在 ６００℃时具有非常 好的热稳定性、低造价、对普通材质管道及阀门的 较好的兼容性及较好的储热性能最早被应用在美 国 Ｓｏｌａｒ ２ 塔式电站中［７］，目前则被广泛应用于槽 式太阳能热发电储热系统中；Ｈ ｉ ｔ ｅ ｃ 熔融盐为 ７％ＮａＮＯ３、５３％ＫＮＯ３和 ４０％ＮａＮＯ２的混合盐，在 ４５０℃时具有很好的热稳定性，其可在短期内用在 ５３５℃温度下，但其在使用时需要进行氮气保护， 以防止Ｈｉｔｅｃ熔融盐在高温下亚硝酸盐转变为硝酸 盐［８］；Ｈｉｔｅｃ ＸＬ 熔融盐为 ４５％ＫＮＯ３、４８％Ｃａ（ＮＯ３） ２ 和 ７％ＮａＮＯ３ 的混合盐，该种熔融盐在最初装入
１２０５００１Fra bibliotek９２平均导热系数 Ｗ·ｍ／Ｋ ０．５２
０．５７
０．５３
平均热容量 成本（估算） ｋＪ·ｋｇ／Ｋ 元／吨
１．４９
６０００
１．６
６５００
１．８
１００００
三 熔融盐储热介质的物理特性 目前被广泛应用在槽式太阳能热发电储热系
统中的储热介质主要为硝酸钠（ＮａＮＯ３）和硝酸钾 （ＫＮＯ３）的混合盐，即太阳盐，其中ＮａＮＯ３与ＫＮＯ３ 混合的质量比例约为 ６：４。储热时熔融盐的温度将 加热至约 ３８５℃，放热时，系统的熔融盐将冷却到 约 ２９２℃，在两种情况下，熔融盐都为液态。
该混合熔融盐可使用在 ２６０℃～６２１℃温度范 围内，随着温度的降低，混合盐在２２１℃出现凝固， 在 ２３８℃出现结晶现象，根据混合盐各组分的平均 潜热可得到混合盐潜热约为 １６１ｋＪ／ｋｇ。混合熔融 盐基本物理特性随温度变化情况见表 ２［９］。
虽然ＮａＮＯ３和ＫＮＯ３按６：４配比的工业级混合 盐被广泛应用于槽式太阳能热发电储热系统中， 但其配比份额并非固定不变，其配比份额可在 ６：４ 基础上发生变化，但需要在工程设计开始重新对 混合盐的各种性质进行测量与计算。
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技术与产品 太 阳 能
把白天太阳辐射的能量以热能的形式储存起来， 到了晚上释放出来进行热发电，这样可以起到削 峰填谷的作用［１］。
储热技术是合理有效利用现有能源、优化使 用可再生能源和提高能源效率的重要技术。储热 技术主要应用于以下三个方面［２］：（１） 在能源的生产 与其消费之间提供时间延迟和保障有效使用；（２） 提供热惰性和热保护（包括温度控制）；（３） 保障能源 供应安全。
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技术与产品 太 阳 能
系统时，需先将其溶解在水中，将溶液注入系统， 然后加热蒸发掉水分，该熔融盐具有 １２０℃的凝结 温度，并在 ５００℃时也具有较好的热稳定性［７］。通 过对三种熔融盐的性能及价格比较，太阳盐凝固点