塔式太阳能光热发电系统研究及应用

关键字：塔式太阳能、光热发电、定日镜

太阳能光热发电有三种技术路线，槽式太阳能光热发电由于输热线路长，输热损失大、辐射损失难以控制等缺陷阻碍了该技术的推广；碟式光热发电系统的核心部件斯特林发动机造价昂贵，建设成本居高不下，同时无法储热，维修复杂等缺陷，这导致蝶式光热发电系统难以广泛应用。塔式太阳能光热发电系统通过定日镜精准聚光，将太阳能转化为千度高温热能，高温热能加热熔盐，蒸汽发生系统通过实现熔盐与水之间的热交换，经换热后形成蒸汽驱动汽轮机进行高效发电。具体原理如下图 1 所示。

图 1 塔式太阳能光热发电系统原理图

从上述原理图可以看出，该发电装置主要由两个循环系统组成，即：高温熔盐流向系统、水变蒸汽的流向。高温熔盐流向系统：是高温盐罐流出高温熔盐--- 高温熔盐进入过热器---- 进入再热器-----经换热后在出口混合 ----- 进入蒸汽发生器 -- --- 给水预热器 --变成低温熔盐 - 返回低温盐罐。水变蒸汽的流向系统：低温水 ---- 高压加热器 ----- 给水预热器 ---- 蒸发器 ----- 过滤器 ----- 进入汽轮机高压缸 ----- 进入再热器 - 进入汽轮机低压缸 ----- 排入直接空冷凝汽器（复水器）---- 变成低温水后继续循环。

两套循环系统其主要光热发电设备有吸热系统、聚光系统、蒸汽发生器系统、直接空冷系统、发电设备系统、盐泵设备、盐罐设备、熔盐管道、熔盐阀门、熔盐、管道电伴热、电气系统等设备组成。

（一）聚光系统：将太阳光照的辐射热能反射到吸热器表面位置的一种设备。由定日镜、跟踪系统、镜场追日跟踪系统、光斑校准系统（校正相机）、辅助清洗系统、气象监测系统等构成。定日镜：主要部件有镜子支架、反射镜、传动部件、连接座、立柱、电机、控制器、定控制箱、线缆等。定日镜技术参数：定日镜形状有方形和菱形两种，由多片镜子组装成一套，单套定日镜不同厂家一般由 8 片 ~35 片镜片组合而成。定日镜追日功能：定日镜自动跟踪太阳，将反射光斑投射到吸热器指定的坐标位置。定日镜校正功能：为保证定日镜跟踪精度，在镜场建成之初以及镜场正常运营过程中，利用光斑校准系统（校正相机）对定日镜跟踪误差进行校正，校正相机安装在吸热器附近位置，一般需要安装 8 个左右重载云台一体机校正，对四周不同区域的定日镜进行对正。

（二）吸热系统：将太阳光照的辐射热能传递给吸热器内部流动的熔盐的一种设备。由吸热塔、吸热器、管道、阀门、电伴热系统、紧急压缩空气系统、传热流体温度监测系统等设备组成。吸热塔：一般采用混凝土塔，是光热电站中最高的构筑物，结构总高度一般均超过 150 米，近年主流的设计高度一般为 180 米 -185 米左右高度。吸热器：从定日镜反射到吸热塔表面太阳辐射光能量转化为热能，且是由多个带有集箱的管屏组成的外露管式换热器，可将熔盐从 290 摄氏度加热到 565 摄氏度的设备，设计最高温度可以达到 600^∘C 左右。

（三）蒸汽发生器系统：蒸汽发生器系统可以理解为一种特殊的锅炉，通过将水加热成为蒸汽的一种设备。光热发电系统的蒸汽发生器系统一般包含预热器、蒸发器、过热器、再热器、汽包等组成。预热器：一般采用卧式安装，内置 U 型或蛇形管束。蒸发器：可以采用卧式或立式安装，内置U 型或蛇形管束。过热器：一般采用卧式安装，内置 U 型管束。再热器：一般采用卧式安装，内置 U 型管束。汽包：一般采用卧式安装，汽包用于将蒸汽汽相与水的液相分离，将干蒸汽送入过热器并保持蒸汽 - 水混合物的饱和状态，以保证汽包内存有一定量的水来确保汽水循环中的瞬态工况。

（四）发电设备系统：发电设备主要有汽轮机和发电机组成。汽轮机：汽轮机又名蒸汽透平机，将热能转化为机械能的一种，是基于热力学的循环原理，通过燃烧燃料来加热水并产生蒸汽，然后将蒸汽通过高速旋转的涡轮叶片转换为机械能，最终带动发电机发电。发电机：将汽轮机旋转的机械能转化为电能的设备，一般光热发电都是采用直接空冷汽轮发电机组比较多。

（五）直接空冷系统：凝汽器是将汽轮机排汽冷凝成水的一种换热器，将汽轮机的低压缸排出的蒸汽凝结成水, 重新送回锅炉进行循环。汽轮机的排汽在封闭状态下，通过大直径的管道进入直接空冷凝汽器换热器的管束内部，采用轴流风机驱动空气流过空冷凝汽器管束外部，利用空气冷却使空冷凝汽器管束内部蒸汽得到冷凝，冷凝水在封闭状态下通过管道收集到一起，经过处理后送回到锅炉给水系统，锅炉加热成高温蒸汽驱动汽轮机，汽轮机排汽再循环进入空冷凝汽器冷却。如此循环，在整个循环冷却过程中没有水的消耗。

（六）盐罐设备：主要用于储存熔盐的设备，一般采用 1 个热熔盐罐和 1 个冷熔盐罐，一般冷熔盐罐尺寸需要略大于热熔盐罐尺寸。熔盐罐的尺寸在建项目常用的直径为 35 米 -37 米，高度约 15 米。冷熔盐罐正常工作温度约为 290^∘C ，设计温度约为 400% ，热熔盐罐正常工作温度约为 565°C ，设计温度约为 600^∘C 。

（七）熔盐管道电伴热：属于一种矿物质绝缘加热电缆，需要根据管道的实际情况进行选择。在选择时，需要考虑管道的长度、直径、介质、温度等参数，以及所需的最大伴热功率。电伴热是超长管道回路中保持流动状态比较经济的一种解决方案，电伴热器主要目是持续给管道保温。通过加装在管道外部，用电热来来补偿熔盐在管道传输过程中的热损失。

（八）电气系统：主变压器（110KV 或 220KV）、GIS 气体绝缘金属封闭开关（110KV 或 220KV）、站用电设备、热岛 DCS 系统（分散控制系统）、电力综合自动化设备、电力涉网设备。

（九）熔盐。一般要求熔盐所有杂质总和不得高于 0.5% ，硝酸熔盐的纯度应达到 99.5% ，颗粒大小为小于 6mm 。

（十）其他设备：整个系统还有其他设备，如变频热盐泵、变频调温盐泵、熔盐阀门、熔盐管道等设备，根据扬程、温度选择合适材质设备即可。

塔式太阳能光热发电系统相比其他光热发电系统，具有得天独厚的技术优势， ① 定日镜双轴跟踪确保精确聚光，接收器多样设计适应不同需求，整体系统实现从聚光到发电的清洁能源闭环。 ② 连续供电能力‌：储热系统实现 24 小时稳定发电，年发电时长超 5000 小时；③ ‌高转换效率‌：设计工况光电效率达 22% ，优于传统光伏。 ④ ‌电网友好性‌：输出功率可调，支撑电网稳定性。 ⑤ 系统结构简单，运行维护难度小，维护成本低。

该系统通过“光热 + 光伏”耦合模式，显著提升能源利用率，解决光伏间歇性供电不足问题，为构建新能源为主体电力系统提供关键技术路径。系统可规模化设计，电站功率大，发电效率高，是一款可大力推广光热发电技术。

参考文献：

[1]，许继刚，《塔式太阳能光热发电站设计关键技术》，中国电力出版社，2019-03

[2]，李红星，《太阳能光热发电站种结构设计》，中国电力出版社，2024-11