何雅玲*,a, 邱羽a,b, 王坤a, 袁帆a,王文奇a, 李明佳a, 郭嘉琪a
*通讯作者. 电子邮箱: yalinghe@mail.xjtu.edu.cn
a西安交通大学能源与动力工程学院热流科学与工程教育部重点实验室, 陕西, 西安, 710049.
b中南大学能源科学与工程学院, 湖南, 长沙, 410083
1. 研究背景
为应对化石能源燃烧造成的环境问题和资源浪费，世界各国正在推动可再生能源的大规模利用。据《2019年BP世界能源展望》预测，到2040年以太阳能和风力发电为代表的非水可再生能源的发电量将占到全球总发电量的约30%，其中具有间歇特性的风力和光伏发电将占到很大比例，其会对电力系统造成冲击，因而需要采取有效的措施来提升系统的灵活性。
研究表明具备大规模储热能力的聚光太阳能热发电（CSP）技术具有良好的调度性，可有效提升电力系统的灵活性。然而，目前CSP仍然存在光电转换效率较低、成本较高等问题，阻碍了其大规模商业化应用。鉴于此，有必要进一步探索提高CSP光电效率、降低成本的途径。近日，西安交通大学何雅玲教授团队在ENERGY上发表论文，综述了CSP技术的研究进展，分析了下一代CSP技术的发展趋势，总结了发展中所面临的关键科学和技术问题，展望了针对这些问题的解决对策及未来工作，为该领域的发展提供了专业的见解。
2. CSP技术及其发展中的一些问题
2.1 现有CSP技术及其技术分代
根据聚光器型式的不同，可以将现有CSP技术分为槽式、塔式、线性菲涅尔式和碟式等4种类型。同时，根据动力循环形式和循环效率的不同，可以CSP技术分为3代，参见图 1。
第一代技术采用循环效率仅为28%-38%的蒸汽朗肯循环，其透平入口温度低至240℃-440℃，系统年光电效率低至9%-16%。截至2020年初，第一代技术在已建成的CSP装机容量中占绝大多数（80.2%），其中槽式系统的占比达到76.51%。第二代电站大多数采用了槽式、塔式和线性菲涅尔式技术，并采用循环效率约为38%-44%的朗肯循环，其透平入口蒸汽温度提升到了480℃-550℃，系统年光电效率可达到10%-20%。目前在建的CSP电站中，第二代技术中的熔盐吸热储热塔式系统的装机量占到了总量的61.51%。同时，中国、美国和欧盟等都将塔式技术视为发展下一代更高温度的CSP的关键技术。
在下一代CSP技术中，学界和业界希望通过提高透平入口温度来进一步提升系统发电效率并降低成本。研究表明，在下一代技术中，透平入口温度、吸热器出口温度将提升到700℃以上（参见图 1），并将现用的蒸汽朗肯循环发电系统用超临界二氧化碳（S-CO2）布雷顿循环发电系统来替换，从而有望将循环发电效率提升到50%以上。为达到上述目的，从光能吸收的角度，学者们提出了采用液态熔盐、固态颗粒、气体等不同工质的技术路线（参见图 1）。
图1 几代CSP技术的发展
2.2 CSP发展中的关键问题
当运行温度超过700°C之后，在塔式聚光太阳能系统的聚光、吸热、储热及动力循环等核心环节将会出现许多新的关键问题。
在聚光环节，现有定日镜场的聚光比和聚光效率都处在较低水平，难以满足更高吸热温度下对高聚光比和聚光效率的需求。在吸热环节，当吸热温度提高之后，吸热器的热损失将急剧增大，导致光热转换效率明显降低。在储热环节，由于S-CO2循环的运行温度区间与朗肯循环相比显著降低，因而其难以充分利用传统双罐熔盐储热系统的储热能力。同时，高温熔盐、颗粒、气体等工质还会与吸热器、储热器发生严重的腐蚀或磨损作用。最后，在动力循环方面，尚未提出真正适合太阳能热发电系统特点的S-CO2布雷顿循环型式，也缺乏S-CO2关键部件的设计、制造和应用经验。
随后，论文分别针对塔式系统的聚光、吸热、储热及动力循环等关键环节进行综述，总结各环节的具体研究进展和发展趋势，展望了针对上述关键问题的解决对策及未来工作。
3. CSP技术的前景展望
3.1 面向未来的定日镜场聚光技术
定日镜场成本占到了塔式电站成本的40%-50%，但镜场的年光学效率却只有50%-60%。很显然，若能成功降低镜场成本并提升其光学效率，就可以有效提升塔式光热电站的市场竞争力。具体而言，可以通过定日镜设计和镜场布置优化来达到上述目的。
3.1.1 定日镜结构设计与优化
定日镜主要由反射镜、支撑结构、跟踪装置、控制系统及布线、地基组成（参见图2），其光学性能和成本直接受到各组件的影响。为进一步发展高效率、低成本的定日镜技术，需要对下述与定日镜各组件设计相关的内容进行研究。
首先，需要通过优化来寻找可能存在的最优定日镜尺寸。这是因为定日镜尺寸越大，跟踪装置单位面积下的成本就越低，从而有利于降低定日镜成本。然而，随着尺寸增大，支撑结构的重量也会增大。当尺寸增大到一定程度时，支撑结构增大的成本有可能会超过跟踪装置减少的成本，从而导致定日镜成本过大。反之，对小尺寸的定日镜而言，其支撑结构的成本比大定日镜低，但控制系统、布线、地基等的成本却可能会比大镜更高。目前学界和业界尚未在定日镜的最优尺寸上达成共识，未来有必要进一步探寻定日镜可能的最优尺寸。其次，需要进一步提升反射镜的聚光性能。现有的典型定日镜采用4 mm厚的玻璃镜作为反射镜，其典型的形面误差和反射率分别为1.3 mrad和0.935。为进一步提升性能，可以通过减小玻璃镜的厚度来提升反射率，也可以采用新型的薄膜反射镜来提升光学性能并降低成本。最后，现有支撑结构和跟踪装置分别占定日镜总成本的25%-35%和30%-35%，其技术已经非常成熟，因而很难再从其自身工业生产环节降低成本。但正如前文所述，可以进一步通过结构和尺寸优化来减小结构重量，从而降低成本。此外，还应进一步转变设计思路，提出更多突破传统的新概念支撑和跟踪装置，以尽可能降低定日镜成本。
图2 定日镜的部件组成及亟待研究的内容
3.1.2 定日镜场布置方式优化
镜场布置是指通过设计镜场中每一面定日镜的位置来尽可能地增大镜场年光学效率，同时还需要尽可能地减小占地面积。然而，镜场布置几乎是一个有无限自由度的问题。为简化镜场布置的优化过程，通常会将该问题简化为有限的几个自由度。目前，常见的几种镜场布置型式主要包括叉排布置、仿生布置、逐镜优化布置以及非限制性局部优化布置等。
然而，通过对比上述布置方式可以发现，在布置镜场时很难在年光学效率和占地面积之间达成合理权衡与妥协。甚至不清楚是否存在既具有最高的效率，又不会过多增大占地面积的最优镜场布置方法。鉴于此，未来需进一步开展下述研究：①寻找最优的镜场优化方法，并着眼于寻找镜场布置优化的最优自由度；②集思广益地寻找自然界中业已存在的点状布置型式，以期进一步从仿生的角度来提升镜场性能。
3.2 面向未来的太阳能吸热技术
在下一代吸热器出口温度超过700℃的光热电站中，熔盐吸热器、颗粒吸热器、气体吸热器被认为是3种最具应用前景的吸热器。但在如此高的吸热温度下，这些吸热器技术面临着材料失效和效率降低等问题。
3.2.1 熔盐吸热器
对于熔盐吸热器而言，700℃以上温度很容易造成熔盐分解、吸热器腐蚀和效率降低等问题。为解决这些问题，需要进一步开展以下工作。
首先，由于传统的二元硝酸盐在温度超过600℃之后就会开始分解，因而亟需开发适用于700℃以上温度的耐高温熔盐。目前，碳酸盐、氟化盐和氯化盐被广泛推荐用作下一代电站的吸热和储热工质，其熔点和温度使用区间如图3所示。其次，由于传统熔盐吸热器采用的Inconel 625钢在650℃的氯化盐内的腐蚀速率达到了2800±380 μm·year-1，远大于商业运行要求的小于10 μm·year-1的值，因而亟需开发耐腐蚀的新型吸热器材料。镍基合金和金属陶瓷被认为是可应用于下一代熔盐吸热器的2种耐蚀材料。但目前镍基合金在熔盐中的腐蚀特性仍然不清晰，而金属陶瓷的制造技术尚不成熟，难以满足工业需求。鉴于此，未来研究应注重以下2点：①研究揭示镍基合金和金属陶瓷在候选高温熔盐中的腐蚀特性；②发展3D打印等新型的金属陶瓷加工与制造方法。
最后，当将传统的熔盐吸热器的出口温度从550 ℃提高到700 ℃，由于辐射和对流热损失增大，从而导致熔盐吸热器效率降低，因而亟需发展新型熔盐吸热器技术以提高吸热器的效率。图4给出了一种吸热器的多尺度设计方法，其有望同时降低吸热器的光学损失和热损失。具体的设计方法如下，在宏观尺度上，使用翅片状结构（10m~1m）以重新吸收被吸热面反射的光线，从而降低光学损失；在中等尺度上，采用cm-mm级的强化管，其不平整的外表面可通过重吸收来减少光学损失，而其具有扰流结构的内表面可通过强化管内传热来降低热损失；在微观尺度上，可在强化管外表面喷涂具有高吸收率和低红外发射率的纳米涂层（μm-nm），进一步减少光学损失和热损失。
图3 典型熔盐传热/储热介质的适用温度范围
图4 吸热器多尺度设计方法.
3.2.2 颗粒吸热器
颗粒吸热器是另外一种可在700℃以上高温下运行的吸热技术。目前，常见的吸光颗粒主要有石英砂、硬质粘土熟料和陶瓷颗粒。不同的颗粒具有不同的优缺点，例如，石英砂和硬质粘土熟料的热稳定性较高、产量丰富、价格低廉，但其对太阳辐射的吸收率较低；而陶瓷颗粒通常具有较高的吸收率，但其价格较高。此外，在吸热器运行中，密集的颗粒之间存在严重的相互磨损的问题，这会降低颗粒的耐久性，增加吸热器运行成本。鉴于此，未来需要开发具有高吸收率、低发射率且耐磨损的廉价颗粒。
按照结构的不同可以将现有颗粒吸热器分为直接式和间接式2种类型。自由下落式吸热器是一种最基本的直接式颗粒吸热器。美国桑迪亚国家实验室对一个1 MWth的自由下落颗粒吸热器的测试表明其出口温度可达到700 ℃以上，但吸热器效率低于70%。旋转窑式和流化床式吸热器是另外2种直接式吸热器，其出口温度均可达900℃以上，但其在运行中需要额外的能量来驱动吸热器旋转或颗粒流化。此外，由于直接式吸热器的吸热腔与外部空气是联通的，因而颗粒很容易从进光口逃逸，从而降低吸热器效率并提高运行成本。鉴于此，有必要探究减少颗粒逃逸和降低热损失的方法，例如：控制颗粒流动、使用风幕或者设计新的颗粒吸热器结构等。间接式颗粒吸热器使颗粒在封闭的通道内流动，从而解决了颗粒逃逸的问题。但在间接式吸热器中，聚集的阳光首先照射到不透明的金属管内/外表面，然后被管外/内流动的颗粒以热能的形式带走。这增加了管壁面到固体颗粒之间的热阻，会降低吸热器效率。此外，对管内流化式的间接颗粒吸热器而言，还需要额外的能量以流化颗粒。未来可通过控制颗粒流动和设计新型的强化管等方式来强化颗粒与管壁之间的传热，从而提高吸热效率。
3.2.3 气体吸热器
气体吸热器也是一种可以运行在700℃以上的吸热器技术，其一般以空气、二氧化碳、氦气等为吸热工质。根据吸热方式的不同，气体吸热器也可分为直接式和间接式2种类型。
容积式吸热器是典型的直接式气体吸热器，其使用多孔介质吸收太阳辐射并加热气体。容积式吸热器有闭式和开式2种类型。开式吸热器直接从环境中吸取空气作为吸热介质；而闭式吸热器则用玻璃窗封住吸热器进光口，其吸热介质不与外界空气接触。尽管有一例实验表明容积式吸热器可在1100℃时达到80%的吸热效率，但通常在750℃以上时，其效率就无法超过75%。这主要是因为气体的热物性较差，导致吸热工质与多孔介质之间的传热速率较低。为强化传热性能，学者们提出了不同的多孔结构，如多孔泡沫结构、单片蜂窝结构、针状结构和渐变式多孔结构等。对于闭式吸热器而言，在热应力以及吸热流体压力的共同作用下，石英玻璃可能会破裂，因此现存闭式吸热器的运行压力通常在2.5 MPa以下。
在下一代CSP技术中，如果采用较高压力的气体作为吸热介质，那么容积式吸热器就不再适用，而采用间接吸热的管式吸热器就成为了较好的选择。管式吸热器可分为腔式、刺猬状和平板式等多种型式。在运行过程中，阳光被聚集到吸热管表面以加热在管内流动的气体。由于空气热物性过差，因而管式吸热器仍面临吸热器效率较低的问题。为提高吸热器效率，学者们提出了微通道吸热器以增加传热面积，但微通道又会导致较高的压力损失。此外，目前大部分管式吸热器仍处于理论设计阶段，尽管已经开展了一些实验研究，但实验中的运行压力和温度远低于未来CSP电站的要求。
鉴于此，需要进一步开展下述研究：①设计新型吸热器结构或者优化已有的结构以提高气体吸热器效率；②在实际运行温度和压力下开展实验研究以验证吸热器性能。
3.3 面向未来的高温储热技术
目前大多数最先进的CSP系统使用双罐熔盐储热系统，给后端的热力循环工质提供温度约为560°C的热能。为适应下一代CSP系统超过700°C的高温要求，亟需开发适用于该高温的储热介质及相应的储热系统。根据储热储热介质类型的不同，可将适用于下一代CSP的储热系统分为熔盐储热系统和粒子储热系统。
3.3.1 熔盐储热系统
目前，在发展下一代熔盐储热系统方面有2种主要思路。
第1种思路希望继续沿用现有的双罐熔盐储热系统。在这种思路中，由于自然界存在的大多数熔盐在超过700℃的高温条件下都会发生较严重的腐蚀问题，故首要目标是开发高效、低成本且适宜于700℃以上高温条件的熔盐。同时，由于在更高的温度下，储热器的热损失也会变得更严重，因而在储热器结构上也仍需探索能够同时满足耐腐蚀、低导热率、热防护性能好的储热新技术。
第2种储热思路希望采用高温相变材料作为储热介质。这是因为S-CO2循环的运行温度区间较窄，循环最高温度与最低温度之差仅为150 °C ~200°C，因而其难以充分利用传统双罐熔盐储热系统的储热能力。而相变材料能够在相变过程中吸收/释放潜热，具有更大的储热密度，因而与双罐显热储热相比，相变蓄热更适用于S-CO2循环。目前，阻碍相变储热大规模应用的主要瓶颈是大多数相变材料存在导热能力差的缺点，严重阻碍了热量的迅速高效储存/释放。为了解决这一问题，肋片等传统传热强化方法已广泛被用于相变传热强化。同时，近年来学者们又提出了一些较新颖的强化传热措施，主要包括：①从材料本身出发：通过加入少量的纳米材料或膨胀石墨等添加物，有效提高相变材料的导热率、比热容等热物性参数；②储热器结构设计角度，采用填充床结构的储热器具有较大优势，因为其能够很好地扩展传热面积并提高传热效果。但是填充床所用的相变球的封装成本依然很高，亟需进一步发展可降低封装成本的关键技术。
3.3.2 粒子储热系统
粒子储热系统使用固态颗粒作为储热介质，其结构与双罐熔盐储热系统类似，也具有高温和低温2个颗粒储仓。在典型的颗粒储热器中，高温颗粒储仓的运行温度约为800°C，而低温储仓为350°C。粒子储仓面临的最主要的问题是其热损失较大且热应力变形较严重，此外，在长期高温运行中颗粒之间容易发生烧结，从而导致储热介质耗费和储热功能失效。为解决上述问题，建议进一步开展如下2方面的研究：①储仓结构优化及其在CSP系统中集成运行可靠性验证；②具有烧结抗性的低成本粒子的开发、改性与实验。
3.4 新型高效S-CO2布雷顿循环技术
近10年来，S-CO2布雷顿循环被认为是取代传统光热发电系统中蒸汽朗肯循环的最佳选择。尽管国内外已经开展了一些研究工作，然而目前尚未提出真正适合CSP系统特点的S-CO2循环型式，且以S-CO2为工质的关键部件的设计研发还远不成熟。因此需要从系统层面与部件层面进一步对S-CO2太阳能热发电技术进行深入研究，促进S-CO2先进循环在太阳能热发电系统中的集成发展。
3.4.1 循环构建和系统集成
目前已经提出了多种 S-CO2布雷顿循环的布局构形（参见图5）。虽然有学者将在S-CO2布雷顿循环中加上“多级压缩、中间冷却”过程的循环型式视为CSP系统中具有应用前景的循环型式，但其比功小且吸热温差较窄，给S-CO2循环与现有显热蓄热系统之间的耦合带来严峻挑战。因此，针对太阳能热发电系统特点，有针对性地构建高效率、大比功和宽温差的新型S-CO2循环型式，或提出S-CO2循环与相变蓄热、热化学蓄热等先进蓄热方式的创新集成方法，是促进S-CO2太阳能热发电技术发展的有效方法。
循环型式的创新构建与先进系统的一体化集成有赖于S-CO2太阳能热发电系统的完整建模以及系统性能的准确预测。目前围绕S-CO2循环发电系统性能预测的研究，大多是基于设计工况下的稳态模型开展的，而非设计工况下以及动态条件下的特性分析，还十分有限，且模型过于简化。在这些模型中，太阳能集热器效率、涡轮机械效率等关键信息通常设为常数，并未考虑其随工况和时间的变化。构建循环更加准确的非设计工况模型和动态模型的关键，在于获得太阳能吸热器的动态性能与S-CO2涡轮机械的特性曲线。
图5 超临界布雷顿循环及其未来发展需求.
3.4.2 S-CO2循环关键部件
换热器、透平和压缩机是S-CO2循环中的关键部件。目前，围绕这些关键部件开展的研究主要以初步理论设计和少量的实验测试为主。
有关S-CO2换热器的研究主要集中于印刷电路板换热通道结构的设计与优化上，已经提出了包括S型和翼型等多种通道在内的高效低阻的新型换热器结构。但目前尚缺乏在较宽压力和温度范围内的S-CO2循环运行的实验数据。S-CO2换热器的动态响应特性也是一个值得研究的问题，其可以为预测和优化发电系统的动态性能提供基础。为进一步提高换热器性能，建议开发新型通道结构并进一步揭示换热器动态响应特性。
对于采用固体颗粒作为储热介质的系统而言，粒子/S-CO2换热器是另一存在巨大挑战的关键部件。现有的粒子/S-CO2换热器主要包括流动填充床换热器和流化床换热器。流动填充床换热器的优点在于其无需额外动力来驱动粒子的流动，但粒子与换热面的接触不够充分，且磨损问题比流化床换热器严重。流化床换热器则具有更好的换热效果，但需要额外的动力来流化粒子。目前，两种形式的颗粒/S-CO2换热器技术均尚不成熟。鉴于此，亟需开展以下研究：①粒子流与S-CO2之间的换热优化，例如减小流动填充床换热器中的流动滞止问题、保证流化床换热器中粒子充分流体化；②开发适宜在CSP运行环境中长期使用的换热器并对其性能进行实验测试。
S-CO2循环中的压缩机和透平在高压条件下超高速运行，对轴承和密封的稳定性造成一定威胁，并导致较低的循环效率。虽然目前世界范围内已经建立了一些小型S-CO2回路，用以测试压缩机和透平的性能，但是仍亟待继续开展高温高压条件下透平与压缩机的轴承和密封策略研究，进一步开发新型结构的透平和压缩机。此外，还需要发展大规模实验循环回路，用以验证S-CO2循环的可行性，从而为实际工业应用提供经验。
4. 结论
下一代CSP技术希望通过将系统运行温度由目前的565℃提升到700℃以上，以提升光电效率并降低成本。然而，当运行温度超过700°C之后，在系统的聚光、吸热、储热及动力循环等核心环节将会面临很多新的挑战。在聚光环节，现有定日镜场的聚光比和聚光效率都处在较低水平，难以满足更高吸热温度下对高聚光比和聚光效率的需求。在吸热环节，当吸热温度提高之后，吸热器的热损失将急剧增大，导致光热转换效率明显降低。在储热环节，由于S-CO2循环的运行温度区间与朗肯循环相比显著降低，因而其难以充分利用传统双罐熔盐储热系统的储热能力，同时，高温熔盐、颗粒、气体等工质还会与吸热器、储热器发生严重的腐蚀或磨损作用。最后，在动力循环方面，尚未提出真正适合太阳能热发电系统特点的S-CO2布雷顿循环型式，也缺乏S-CO2关键部件的设计、制造和应用经验。
为解决上述问题并推动下一代CSP技术的发展，本文提出了以下几个方面的展望。首先，在聚光方面，亟需寻找定日镜场布局、定日镜尺寸与形状、定日镜结构设计的变革性新方案和优化新方法，以提升聚光比和聚光效率并降低成本。第二，在吸热方面，亟需发展高温下的吸热器多尺度设计方法等新方法和新技术，以提升光热转换效率。第三，在储热方面，需要发展具备高导热能力、高储热密度的固液相变储热和固态颗粒储热技术，同时需要进一步发展耐高温的新型吸热和储热工质，提出能减缓或消除工质的腐蚀或磨损的新技术。最后，在循环构型方面，亟需进一步发展适用于700°C以上CSP系统特点的高效率、大比功、宽温差的新型S-CO2布雷顿循环，同时加快S-CO2压缩机、透平、耐高压高温换热器等关键部件的研发和实验测试。上述展望为下一代CSP技术的发展指出了可能的发展路径和技术方法。
致谢
本文研究工作得到了国家自然科学基金重点项目（No.51436007）、国家重点研发计划重点专项（No.2018YFB1501001）的资助。
同时，作者也感谢国家自然科学基金创新研究群体项目（No.51721004）对本文研究工作的支持。
原文地址：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0360544220304801
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