新型布雷登塔式太阳能热发电系统

布鲁斯安德森，黄湘，孙海翔，王福华



新型布雷登塔式太阳能热发电系统

布鲁斯×安德森1，黄湘2，孙海翔3，王福华4

（1．247太阳能公司，美国 弗吉利亚州 大瀑布城 22066；2．中国华电科工集团有限公司，北京市 海淀区 100088；3．中国科技开发院，广东省 深圳市 518000；4．西藏启迪弘通清洁能源科技有限公司，北京市 海淀区 100084）

太阳能热发电通常以水工质吸热作为第1代，以熔盐吸热作为第2代，以空气、超临界二氧化碳或固体粒子作为介质的布雷登循环系统称为第3代太阳能热发电系统。通过采用空气或陶瓷粒子作为吸热介质，采用干热存储介质(如耐火砖和陶瓷材料等)进行规模化储热，能提高系统效率和降低成本，系统的储热能力可保证电站在任何时候都按照电网调度要求发电。采用标准化模块设计，通过工厂化制作，使电站设计、设备生产、安装、调试和运行都大为简便，储存的热量可用于食品加工、干燥、农业应用等。根据美国能源部的研究，具有储热功能的模块配备小型燃气型透平可实现快速启停，改善电网电压和频率质量。

分布式能源；太阳能热发电；布雷登循环；空气型集热器；模块化；储热装置；电网稳定

0 引言

2011年，美国威尔逊太阳能动力公司在美国能源部的支持下，提出了模块化的布雷登循环太阳能热发电系统构想。当时的布雷登循环基于高压空气系统发电[1-2]，无储热装置，价格高昂，因而实用性较低。后来提出了低压空气系统循环概念，研制了温度超过970℃的高温空气换热器，设计了储热超过13h的低成本干热储能装置，采用陶瓷或廉价耐火砖材料作为储能材料，研制了新型低压空气加热太阳能集热器。最初开发的模块单机容量约为300kW，模块化扩展后系统可达100MW或更大容量。该系统成本低，具有灵活、可靠的发电方法，电网接入友好，电力输出特性优于光伏、风电和初期太阳能热发电系统。

1 传统太阳能布雷登塔式热发电系统

传统太阳能布雷登塔式热发电系统由镜场、集热塔(集热器)、储热系统和布雷登循环发电 系统组成，如图1所示。镜场由无数面玻璃反射镜组成，将太阳光反射聚焦到塔顶的集热器；塔高约30~40m；热量可储存；发电系统由空气透平(或称为空气燃机)、压缩机、热回收装置、发电机等组成，以太阳热能作为驱动力[3]，也可以用化石燃料或生物燃料补燃。图1(a)为传统高压空气腔式吸热器结构[4]，图1(b)为布雷登循环热力系统。

图1 传统太阳能布雷登塔式热发电系统

布雷登塔式热发电系统白天或晚上任何时间都可以发电，能量来源由太阳能、经过储热的太阳能、其他化石能源或可再生能源，每个模块独立运行，可靠性和调节性能高，也可提供持续的热量用于供热和制冷、农业加工和干燥、水质净化或海水淡化等。

2 布雷登塔式热发电系统的技术突破

传统布雷登循环集热器受到尺寸的限制，由于集热器受热腔体部分必须和压缩空气隔离，其结果是吸热窗体承受高压和高温，需要既耐压又耐热的透明材料，因此受热面直径控制在1m以内。

传统布雷登循环系统比较简单，高压压缩空气进行第一次预热后就直接进入燃烧室，但集热器结构难以设计，集热器窗体直径需控制在0.6~0.8m范围，单机发电量仅100kW。

2.1 布雷登低压空气加热系统

新开发的低压布雷登循环系统采用了间接加热方法，取消了高压空气通过集热器，如图2所示。通过增加高温高压换热器，集热侧采用低压空气系统，发电侧采用高压空气系统，减小了空气布雷登集热器的设计难度，避免了集热器的设计直径限制，因而使布雷登循环系统的输出功率大大增加[5]。图2中显示了高温空气换热器和低温空气换热器，低压空气去集热器吸热，产生的高温空气一部分去高、低温换热器，将高温热量传输给高压空气，另一部分去储热装置，实现部分能量的储存，用于夜晚发电；经过压缩机的高压空气经过两级换热器，产生的高温高压空气推动空气透平做功发电，从透平出来的低温低压空气去太阳能集热器，温度升高后去换热器或储热器；整个系统中，高压气体仅限制在压缩机后的两级换热器和布雷登透平入口范围，其他部分的空气全部为低压系统[6]。图中蓝线是太阳能集热发电流程，红线是太阳能集热储热流程，绿线是储热器放热发电流程。

图2 新型间接低压布雷登循环系统

新型换热器利用低压空气将太阳能集热器收集到的热量转移到高压空气中，高温高压的空气进入空气透平中做功。这样，高压空气就不必进入集热器，太阳能集热器的直径从0.6m可扩大到2m，使发电能力提高到300~400kW，同时储存10~15h的热量[7]。根据传热和力学分析，采用低压空气的集热器最大直径可达到5m，则储热系统可存储48h的发电能量，或进一步提高单机出力。太阳能集热器部件不需要冷却装置，也没有运动部件，因而易于加工制造。

2.2 高温换热器设备的技术突破

采用间接加热系统带来了高温换热器设计的难题。国内外关于换热器的设计方法已很成熟，但是受材料耐温的限制，常规换热器的极限温度不能超过850℃。近年来国际上耐高温材料研制突飞猛进，美国研制了一种含镍铬铝铁的特殊高温合金材料，耐高温值达到950℃。这种材料高温抗氧化性能好，韧性和加工特性好，焊接性能优良，可用于955℃(1750℉)及以上温度条件。

常规化石燃料发电厂的运行年限为20~30a，材料使用寿命一般为10万h，为了验证镍铬铝铁合金的使用寿命，美国橡树岭国家实验室(ORNL)对新材料进行了加速老化连续测试，以确定镍铬铝铁合金材料实际应用中是否能达到10万h。

材料加速老化试验是将材料做成不同厚度和不同形状的切片，放在环境温度和970℃以上高温交变条件下，观察其材料的蠕涨特性和应力变化特性。实际操作是将材料厚度切割为60~260mm的箔片，在950℃、1000℃、1050℃三种高温条件下，将箔片放在干燥空气中连续12个月，在10h内进行800次热交变循环，采用电子探针微量分析(EPMA)方法对箔片的铝成分损失进行精确测定，根据箔片试验前后铝含量的微量差别确定材料的寿命值。实验结果是，1000℃和1050℃条件下，试验数据结果略微呈非线性状态；如果反应速率呈抛物线状态，则156mm厚的箔片在950℃条件下可运行10万h；线性条件下，箔片在900℃条件下可运行10万h。

一般认为材料实际使用结果要比试验数据好，原因包括：①实际运行中换热器的热变化小于试验条件；②实际运行温度低于试验温度；③由于系统采用储热装置，机组不会每天起停；④可通过控制换热器的热交换速率降低热交换器的材料寿命损耗。

2.3 塔式空气集热器设备的技术突破

集热器采用低压系统后使设计难度大为降低。图1(a)是塔式高压空气集热器的外形示意图，其直径最大为0.6m。图3中上图是塔式低压空气集热器设备外形示意图，下图是集热器内壁结构。相比之下，由于空气压力降低，设计体积增大，等体积的设备结构质量降低。集热器由不锈钢材料制成，呈圆形桶状物，直径约2m，采用双壁结构，窗口部分由耐高温石英玻璃覆盖，内部有碳化硅泡沫吸热材料。低压空气从尾部入口进入，从集热器双壁中流过，通过在靠近窗户的接收器前的线网进口进行预热，吸收两侧壁面的热量；到达集热器中部后，空气温度进一步升高，碳化硅泡沫吸热材料有强烈的吸收太阳热 量的作用，可将吸收的热量传递给途经的空气；到达额定温度的空气经过中部流通管从尾部出口流出[8]。

图3 直径2m的塔式空气集热器设备外形和集热器内壁结构

2.4 固体储热系统的研制

储热通常采用熔盐。由于布雷登热力循环由空气驱动，而不是蒸汽驱动，因此采用空气作为介质进行热传输，存储介质采用粒子陶瓷、蜂窝陶瓷、耐火砖和玄武岩(卵石)等，可大幅降低单位储热的成本[9]。储热材料和热储罐外形如图4所示。

图4 蜂窝陶瓷、耐火砖和玄武岩储热介质及其热储罐外形

选择储热介质时，关键要考虑材料的单位体积的表面积比、热容性和热导性，即介质传递表面需有良好的导热性能。单位体积下的外表面积和热容量要大，同时考虑材料的机械稳定性、耐用性和成本。常用的储热介质及其特性如下：1）硅酸盐成型砖，v=90m2/m3，=25%；2）硅酸盐成型棒，v=60m2/m3，=37%；3）陶瓷蜂窝砖，v=270m2/m3，=60%；4）陶瓷块，v=60m2/m3，=40%；5）硅酸盐陶瓷球，v=120m2/m3，=40%。

热储罐外型见图4，其中高温绝缘保护容器通常用钢板制成，外包裹保温层和保护层，保温材料常用轻质耐火砖或陶瓷纤维，也可采用其他保温材料。由于热储罐运行温度大于900℃，目前的混凝土砌块类材料无法采用。

布雷登循环各系统的主要设备参数如下：

1）直径2m的太阳能集热器；2）300kW商用空气透平；3）储热容量为13h的储热罐，总储热发电量3900kW×h，考虑换热器和空气透平效率，热存储总量为16000kW×h(热)。

储热罐布置在地面，考虑到运输条件，储热罐直径不大于4m，每段长3m，运往现场焊接组装，填充陶瓷储热介质后，罐体总高度约9m，每单元配置3个或4个该罐体。

储热空气从罐体底部进入，顶部为出口，经太阳聚焦加热后的集热器出口热空气温度约为970℃，到罐体出口温度约降低300℃，逐渐加热，最终到达970℃。罐内温度梯度变化如图5所示。夜间相反，空气透平排气进入储热罐底部，提高温度后从顶部出口进入高温换热器，加热高压空气，高温高压空气进入空气透平做功。

图5 储热罐高度与储热温度关系图

为降低成本，可考虑替代方案，如储热介质采用灰渣砌砖、玄武岩卵石等，容器形状也可根据实际情况变化。根据当地条件和材料性能，尤其是考虑高温下的稳定性，以确保能在高温下长期稳定运行。

3 模块化塔式布雷登循环系统示例

图6为247太阳能电站的示例图，采用塔式布雷登循环，输出功率为300kW，占地1.6´104m2，采用模块化的空气透平发电塔，低压空气太阳能集热器直径2m，塔高35m，采用陶瓷储热介质，储热罐容量可提供10~13h发电量。

图6 模块化的247塔式布雷登循环电站

太阳能发电塔的布置和优化比较复杂，镜场的太阳反射计算依赖于当前太阳、反射镜与集热塔的位置[10]，还需考虑邻近玻璃镜阴影遮挡情况。太阳能计算有HFLCAL和EBSILON两套软件。HFLCAL用于计算光学特性，估计一年中的每小时太阳能可接收多少，确定太阳能镜场、集热塔、发电系统的主要参数，并对布置参数进行优化设计。镜场计算每小时和每月太阳能利用率，集热塔计算考虑辐射损耗、反射损耗和对流损耗，根据其结构尺寸计算接收能量和效率。EBSILON用于模拟电厂运行，输入当地太阳条件等参数，利用镜场小时数据和集热器性能来计算整个系统的热经济性，按顺序逐时模拟，得到全年的发电结果，计算出年总发电量。数据结果以Excel表格形式对总体结果进行评估和展示。247电站的示例计算结果见表1。

表1中列出了3个示例，HP300的电负荷出力为300kW，采用高压空气系统，使用较少的燃料，储热介质使用蜂窝基质的陶瓷材料，投资相对比较高；LP300的电负荷出力为300kW，采用低压空气系统，具有13h的储热量，由于太阳能直接发电和储热发电过程中需要切换，操作过程中需要增加燃料，以使空气透平在设计点保持进口温度，以保持额定工况下的运行，但如果降低负荷运行，也可以降低燃料投入或取消燃料，以充分利用储存的太阳能；LP1700的电力输出负荷为1700kW，运行方式和燃料使用特性与LP300相同。

表1 模块化的247塔式布雷登循环电站技术指标一览表

将以上技术数据和电站总投资、运行期、融资、赢利模式等数据输入到计算软件SAM模型中，就可以对太阳能电站进行经济性分析。计算结果显示，按照电站寿命期为30a，投资回报率为12%，在美国建设的布雷登循环电站投资成本最初约6000USD/kW，电价为11~12 USD/(kW×h)；当规模化应用后，投资成本可降低到4000 $/kW，此时电价约8 USD/(kW×h)。如果用印度或中国的数据进行分析，投资和电价预计可降低15%~20%左右。

4 结论

根据美国能源部支持的新型太阳能热发电系统，提出了一种无水/蒸气的新型布雷登循环的热发电系统。新系统突破了传统概念，建立了模块化的、灵活运行、低成本的发电和供热的能源站，这一发电、供能系统称为247布雷登循环塔式储热发电装置。

模块化的布雷登循环系统包括低成本的镜场、干储热系统、热空气驱动的小型燃气型透平发电装置三部分，运行中无需水和蒸汽，单台机组为百kW级容量，通过模块化集成可使系统达到100万kW级的发电规模。系统可作为分布式能源，能提高电网的供电品质，储存热量可以灵活使用，可提供约375Mcal/h的热量，用作空调制冷、农产品冷藏、水质净化、作物干燥等。

新型布雷登低压空气循环系统消除了高压系统的不足，通过降低空气压力，提高储热温度，研发低成本储热设备，解决了系统容量受到的局限，制造出了系统简单、成本低廉、运行灵活和性能优越的新型太阳能系统。

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(责任编辑 杨阳)

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。

布鲁斯安德森(1960)，男，美国247太阳能公司总裁兼首席执行官，从事太阳能热发电研发及建设，bruce.anderson@247solar.com；黄湘(1956)，男，从事火电、可再生能源、新能源、分布式能源设计和工程建设， huangx@chec.com.cn。

10.12096/j.2096-4528.pgt.2018.006