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)家最早建立小型實驗裝置，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，探索光熱規(guī)?；没虬l(fā)電的可能性。上世紀(jì)80年代又在克里米亞建立5兆瓦實驗裝置。在這一時期，國際上也有很多國家相繼建立了實驗裝置，但至今仍停留在技術(shù)探索上，特別是對傳熱介質(zhì)的選擇很類似核電，多種多樣，眼花繚亂。

例如美國從建立太陽能1號采用水做傳熱和動力工質(zhì)到太陽能2號采用熔鹽介質(zhì)時間跨度十余年。而真正具有商業(yè)化意義的塔式熱發(fā)電實驗項目Gemasolar電站則由歐盟出資建設(shè)，于2011年投入運行。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，市場競爭力不足的共同問題。

近年來，美國和歐盟都將光熱發(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，同時加大政府財政投資支持力度。美國能源部Sunshot太陽能計劃公開了第三代光熱發(fā)電發(fā)展路線圖并按部就班推進(jìn)，歐盟公開了2020地平線計劃，其中“Next-CSP”（下一代太陽能熱發(fā)電）和SCARABEUS課題著眼于超臨界二氧化碳熱發(fā)電技術(shù)與固體粒子儲熱傳熱結(jié)合，都取得了明顯進(jìn)展。目前我國也開始了“超臨界CO2太陽能熱發(fā)電關(guān)鍵基礎(chǔ)問題研究”，并列入國家重點科研計劃。但要實施超臨界二氧化碳太陽能熱發(fā)電，就不能不對塔式熱發(fā)電技術(shù)進(jìn)行再創(chuàng)新。

塔式光熱發(fā)電技術(shù)在我國備受推崇，從2005年南京江寧和2006年北京延慶大漢兩個實驗項目算起，目前已經(jīng)建成和在建的示范項目就多達(dá)8、9個，是國際上應(yīng)用該技術(shù)最多的國家。什么原因呢？一句話，“高溫、高工況、高效率”即“三高”最吸引中國專家的眼球。毫無疑問，塔式光熱發(fā)電優(yōu)勢很突出；

1、依托高聚光比，接收器可獲得近千度的高溫；

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

3、可為超臨界二氧化碳動力設(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、點聚焦和長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)射率和對流損失大，同時受風(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，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)和儲熱介質(zhì)尚在選擇中，沒有定論；

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，但仍然是未來光熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展的重要選項?，F(xiàn)在的任務(wù)就是針對固有缺陷進(jìn)行創(chuàng)新，揚長避短，發(fā)揮技術(shù)優(yōu)勢。就像美國NREL在新近撰寫的《Concentrating Solar Power Best Practices Study》一文指出的，目前塔式光熱發(fā)電項目投入商業(yè)運行的較少，特別是吉瑪索和新月沙丘兩個項目先后出現(xiàn)一些問題，數(shù)據(jù)未公開，還有待進(jìn)一步總結(jié)提高。

一、推廣無縫隙定日鏡，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題，如何降低初始投資，關(guān)鍵是減少鏡場投資規(guī)模。目前定日鏡跟蹤技術(shù)相對成熟，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，只能依賴紅外光譜，即波長在750納米到2300納米的不可見光（圖1）。由此可見，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熱介質(zhì)，熱傳輸過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，否則就要增加專門的熱發(fā)射涂層。同時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，鏡場規(guī)模不是越大越好，鏡場設(shè)計盡可能規(guī)避無效投資。

圖1太陽能利用光譜可用范圍

二、選擇固體粒子作為傳熱和儲熱介質(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，最早由美國桑迪亞實驗室提出，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)性差、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；

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

4、固體顆粒不會像熔鹽發(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、固體顆粒沒有腐蝕性，減少了對傳熱管道和儲熱設(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項目選擇橄欖石即鎂硅酸鹽的經(jīng)驗，建議我國選擇便于流化的粉煤灰或水泥粉末做塔式傳熱和儲熱介質(zhì)。

粉煤灰系燃煤電廠固體廢棄物，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熱介質(zhì)，而且粉煤灰系脫硫產(chǎn)物，對環(huán)境友好，成本相比熔鹽更低。（見表1）

歐盟資助協(xié)議編號的727762項目，在《作為傳熱流體和儲存材料的懸浮顆粒的評估》報告中對不同的固體粒子性能做了分析，其分?jǐn)?shù)排序為從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、對流換熱不同，無需冷熱物體接觸，熱平衡的建立依賴物體間輻射熱的發(fā)射和吸收。

固體粒子接收器最早在美國阿爾伯克基市的桑迪亞國家太陽熱測試設(shè)施(NSTTF)進(jìn)行實驗，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，粒子通過空腔自由下落，在動態(tài)中粒子接收聚焦于空腔前方透射的太陽光輻射熱。一般的理解是，熱輻射在靜態(tài)中通過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，讓落砂在動態(tài)中直接吸收光輻射效果好嗎？2020年9月美國能源部撥付桑迪亞75萬美元，擬與德國DLR合作實驗其設(shè)計的轉(zhuǎn)籠式接收器。

歐盟NEXT-CSP計劃專注于管內(nèi)微粒技術(shù)的研發(fā)，并由法國承擔(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，以反射通過管縫隙進(jìn)入背面耐火板的光輻射，實驗溫度在800至900度，滿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)計理念與美國桑迪亞和德國DLR的粒子下落式不同，它通過底部高壓風(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)展的重點是設(shè)計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。美國桑迪亞的固體粒子實驗限于顆粒的自由下落，以及通過窗口吸收光照熱輻射熱能，暴露的問題就是效率低且固體顆粒損失嚴(yán)重。由法國承擔(dān)的歐盟“CSP2計劃”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，除此之外還一并對固體粒子流化床換熱裝置進(jìn)行了實驗。

根據(jù)固體粒子傳熱儲熱特點，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控制，粉煤灰在密閉通道通過輻射熱獲得高溫，再通過流化床鍋爐換熱（圖2）。

圖2自主設(shè)計塔式光熱發(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。流態(tài)化顆?？稍谶h(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。相對于最先進(jìn)的液體傳熱介質(zhì)，用于傳熱和儲熱的固體顆粒成本極低，為塔式光熱發(fā)電帶來了巨大的成本效益?？傊鲬B(tài)顆粒具有高溫度、高熱動力、低成本優(yōu)勢。在提高定日鏡光學(xué)效率的同時，適當(dāng)布局塔式太陽能鏡場，可以大幅提高太陽能通量，保證固體粒子輻照溫度達(dá)到近千度高溫。循環(huán)流化床在我國燃煤電站廣泛使用，技術(shù)成熟，經(jīng)驗豐富，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，投資成本會大幅降低。

美國NREL和Babcock&Wilcox公司共同提出的可適應(yīng)多種動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，通過墻體自身具有的儲熱功能應(yīng)對不穩(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)計模式，固體粒子接收器也采用三面體布置，定日鏡鏡場相應(yīng)為東、西、北三個扇形鏡場，分別對應(yīng)三個固體粒子接收墻體。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)度實現(xiàn)均衡。通過優(yōu)化鏡場布局，降低初始投資。該設(shè)計比較適合我國緯度高、海拔高、環(huán)境溫度低的環(huán)境。

結(jié)語

目前塔式光熱發(fā)電站在傳熱和存儲介質(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。拿熔鹽來說，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)國外的實驗結(jié)果，預(yù)計采用流態(tài)化固體粒子作為傳熱儲熱介質(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%，同時發(fā)電成本降低約25%，并顯著降低存儲介質(zhì)的成本和電站初始投資。但是欲實現(xiàn)這個目標(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)儲熱等的設(shè)計和配套，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。可喜的是我國已經(jīng)啟動了這些工作。

總之，塔式光熱發(fā)電前景誘人，技術(shù)路線多種多樣，核心是能否結(jié)合國情，走我們自己的路。一句話，這是前無古人的事業(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，但愿為國內(nèi)塔式光熱發(fā)電技術(shù)創(chuàng)新盡綿薄之力。

注：本文作者系太陽能熱發(fā)電技術(shù)資深學(xué)者張建城。