太阳能热发电系统的研究开发现状

刘静静，杨帆，金以明

（1.东南大学 能源与环境学院，南京 210096）

（2.东南大学 图书馆，南京 210096）

太阳能热发电有聚焦式和非聚焦式两种：非聚焦类直接把太阳能转化热能发电，目前有太阳能真空管发电、太阳能热气流发电和太阳能热池发电等，不过这些技术还在研究阶段，技术还很不成熟，要实际应用还需要解决许多难题；聚焦式太阳能热发电利用聚光器将太阳能转化为高密度的能量，作为高温热源直接或者间接加热给水，生成高温高压蒸汽推动发电机组发电，可以充分利用传统发电技术，技术相对成熟，开发利用项目的技术可行性和经济可行性也更好，因此受到更多的关注。本文将主要讨论聚焦类太阳能热发电技术，特别是技术比较成熟的塔式、槽式和碟式三种聚焦式太阳能热发电技术［1－3］，评价这些技术的优势和存在的问题及其一些改进的技术方案。

1 塔式太阳能热发电系统

塔式太阳能热发电系统（集中型太阳能热发电系统）主要由定日镜部分、吸热与热能传递部分（热流体系统）、发电部分组成。图1为塔式太阳能发电的系统图。塔式太阳能热发电系统的吸热器位于高塔上，定日镜群以高塔为中心，呈圆周状分布。定日镜可以跟踪太阳的位置，尽可能多地把太阳光反射到吸热器。吸热器将吸收到的高密度辐射能作为高温热源加热工质，高温工质通过管道存入高温蓄热罐，然后用泵送入蒸汽发生器加热给水生产高压过热蒸汽，利用蒸汽驱动汽轮机组发电。汽轮机的乏汽经冷凝器冷凝后送入蒸汽发生器循环使用；传热介质在蒸汽发生器中放出热量后先回到低温蓄热罐中，然后再送回吸热器加热，完成一个循环。蓄热装置将高峰时段的热量进行存储，可以在以后早晚时段或者阴雨天使用［4－6］。

图1 塔式太阳能发电系统示意

由于镜场中的定日镜数目庞大，典型的塔式太阳能热发电系统的聚焦比可高达1 500，投射到塔顶吸热器的平均热流密度达300～1 000kW／m2，工作温度可高达1 500℃。塔式太阳能热发电系统的聚光倍数高、能量集中过程简便、热转化效率高，非常适合大规模并网发电。但是目前的塔式系统的造价较高，制约了它的推广应用。因此发展塔式太阳能热发电技术还有许多关键技术有有待于突破。

1）定日镜反射面的设计 定日镜反射面采用普通的平面或球面形状，加上定日镜采用方位角仰角跟踪，塔上的太阳聚光光强随太阳位置变化波动很大，同时各定日镜还存在余弦效应也会影响反射效果，因此目前塔式太阳能热发电的光热转换效率仅60%左右。

2）定日镜跟踪控制 散布在中心塔周围的定日镜为了同时对正中心塔，就必须分别对每一个定日镜进行不同的控制，控制系统复杂制作成本高。

3）中心塔的高度 为了减小余弦效应中心塔必须造得足够高，增加了建设成本，特别是高空的风力较大，制造和安装的难度大大增加。

4）吸热器的性能 白天，太阳光在吸收塔上聚焦的光斑大小会有较大的变化，导致聚光的强度也有大幅变化，加上各个定日镜的余弦效应不同，对塔式太阳能热发电系统吸热器的性能要求很高。

5）定日镜的布置 定日镜数目众多，为防止光线遮挡，定日镜占地面积巨大。

大量实验和运行数据证明，塔式太阳能热发电技术可行，具有巨大的商业应用前景，因此怎样解决这些技术难题，成为了各国研究者的首要问题。

2 槽式太阳能热发电系统

槽式太阳能热发电系统通过抛物面槽式聚光镜面将太阳光汇聚在焦线上，在焦线上安装的管状吸热器吸收聚焦后的太阳辐射能，产生高温蒸汽，推动汽轮机进行发电。发电站通常由槽形抛物面聚光器及其单轴或双轴跟踪系统、合成油热载体及其循环系统、油水换热系统和汽轮机发电系统组成，其中聚光器、吸收器以及跟踪系统组合在一起，构成了槽式太阳能热发电系统的太阳岛。抛物面聚光集热器根据需要采用串联或并联的布置；集热器内的流体工质被加热后，流经换热器加热水产生高温高压蒸汽，借助于蒸汽动力循环来发电。为了解决太阳能的间歇性和不稳定性，电站一般要求配置蓄热装置或者辅助锅炉，见图2。

图2 槽式太阳能热电站示意

槽式太阳能热发电技术采用的是线聚焦方式，集热器的轴线与焦线平行呈南北方向布置，因此定日镜的控制比较简单只需要一维跟踪，但是聚光比也因此比塔式热发电低，通常为10～100之间，一般在50左右；工作温度也仅为400℃左右。

槽式太阳能热发电技术比较成熟，目前已取得了大规模商业化生产的能力。截至2009年全球在运的光热发电站中，有88%的项目是槽式热发电站，在建的光热发电站项目中占了97.5%。

不过槽式太阳能热发电技术也还存在一些问题，特别是核心部件高温真空管还存在一些技术缺陷，涂层材料以及涂装工艺、玻璃金属封接工艺都还有待改进，金属内管热膨胀带来的安全隐患也必须有解决方法。特别是槽式太阳能热发电系统中的聚光器只能收集直射光线，为了获得更多的太阳辐射能量，就必须采用跟踪装置调节聚光器和入射光线的角度。聚光器固定在槽式反射镜上一起运动造成装置笨重、反射镜大镜结构造成风阻很大，抗风能力很差，因此必须改进支撑结构［7－10］。另外，集热器中的集热管内管为金属管，外管为玻璃管，由于两者线膨胀系数不同，使集热管随着温度的变化不断的热胀冷缩，会造成真空玻璃管泄漏甚至破裂。

加强核心部件的技术研发、工艺改进将是今后提高槽式太阳能热发电效率、降低成本的关键，也将成为推动槽式太阳能发展的重要动力。

3 碟式太阳能热发电系统

碟式太阳能热发电技术是太阳能热发电中光电转换效率最高的一种方式。该系统由聚光器、接收器、热机、支架、跟踪控制系统等组成，运行时利用旋转抛物面的碟式聚光器将太阳聚焦到安装在抛物面焦点的接收器上，接收器内的传热工质受热温度和压力升高，推动热机运转并带动发电机发电。图3是碟式太阳能热发电装置的现场照片。

图3 碟式太阳能热发电装置

该系统采用的是高效的旋转抛物面蝶式聚光器，聚光比可以达到3 000以上，因此接收器的吸热面积可以做得很小，接收温度达800℃以上。碟式太阳能热发电的效率非常高，最高效率可达29.4%，并且单机容量可以做得较小，一般在5～25kW之间，非常适合建立分布式能源系统，特别适合应用在农村或一些偏远地区。但是碟式太阳能热发电造价昂贵，目前的建设成本高达4.7～6.4万元／kW，高于塔式和槽式太阳能热发电的建设成本。碟式系统的优势是聚光比高、接收器可以达到2 000℃的高温，但是目前还没有一种材料可以在这么高的温度下工作，而且高温热能的储存困难，采用热熔盐储热技术不安全而且造价高，因此接收器一般并不放在焦点上，碟式系统的高聚光度的优点实际上并不能得到充分的发挥。

碟式热发电系统结构简单操作方便，还可以做成小型微型装置作为太空装备的电源。今后的研究方向主要是提高系统的稳定性和降低系统发电成本［11－14］。

4 聚焦式太阳能热发电技术的比较

三种聚焦式太阳能热发电方式各有优点：塔式太阳能发电技术聚光比和运行温度高、系统容量大和热转换效率高，适合大规模发电；槽式太阳能发电系统的结构简单、技术较为成熟，最早进入商业化运行。碟式太阳能发电热效率最高、结构紧凑、安装方便，非常适合分布式小规模发电系统。但是塔式太阳能发电由于建设成本过高，始终无法大规模投入商业化运行。槽式太阳能发电聚光比小、工作温度低，核心部件真空管技术尚未成熟、吸收管表面选择性涂层性能不稳定，阻碍了它的推广。碟式发电系统最适合与斯特林发动机配套使用，但是目前斯特林发动机的技术还不成熟。表1给出了三种太阳能热发电的基本参数比较，表2列出了三种发电方式的优缺点［15－20］。

表1 三种太阳能热发电的基本参数比较

表2 三种太阳能热发电系统的优缺点

对于当前太阳能发展存在的难点，郑建涛等人提出了4个优化方案。

1）塔式和槽式太阳能热发电系统的组合取长补短提高槽式系统的导热介质温度，弥补塔式系统的高塔建设和控制困难的缺陷。

2）与辅助燃煤（燃气）一体化 用太阳能热量来辅助加热锅炉给水，避免独立太阳能发电需要储热运行的缺点。

3）太阳能光伏发电和光热发电的联合 光伏电池的工作温度上升将导致发电效率下降，在电池板背面敷设冷却通道，利用冷却工质冷却光伏电池可以提高电池的效率，冷却工质带走的热量可以采用低温热源发电技术发电，综合效率要比单一的光伏发电高。

4）太阳能热发电的就地利用 例如根据当地的需要将太阳能热发电与制氢和海水淡化相结合，避免电能输送带来的困难和损失。

5 结语

随着太阳能热发电技术的进步，太阳能热发电的可行性和发展潜力已经得到了普遍的认可，我国政府也非常关注太阳能热发电技术的发展，特别是我国已经把太阳能热发电技术的发展纳入到“十二五”规划中，要求进一步发展具有知识产权的多种太阳能集成与并网运行技术，开展多塔超临界太阳能热发电技术的研究，实现300MW超临界太阳能热发电机组的商业应用［21－26］。近年来有关部门投入了大量的人力物力，太阳能热发电的研究开发也取得了大量成果。“十五”期间，我国研制的3台直径5m的太阳能聚光器，聚光器焦点处的温度已经达到约1 600℃，设备的技术及经济指标上已经达到国际先进水平；2003年8月建成的第一套设备正常运行至今。在这一个项目中采用了多项自主创造的先进技术，例如采用太阳位置式、轨道链传动式和双蜗轮均力式等传动方式、高反射率旋三维跟踪技术和设备姿态高精密度控制传动技术，聚光系统精度达到±0.2°；采用了蜗轮蜗杆转抛物面反射镜制备技术，聚光器的反射率超过94%；采用低能耗传动技术，设备运行的电耗小于4W；采用高密度热流传热技术，吸热器能在超高热流密度下正常工作，热效率不小于91%。我国研制的采光口开口宽度为2.5m的槽式聚光器，单向抛物反射面反射器采用复合蜂窝技术，成为具有超轻型结构的反射面，解决了使用平面玻璃制作曲面镜的难题，并采用了液压传动方式，可以在沙漠中运行。“863”国家重大项目“太阳能塔式发电关键技术研究及系统示范”项目，规划在北京延庆县建造一座我国第一座也是亚洲第一座1MW太阳能塔式热电站，目前已取得阶段性成果。

太阳能热发电技术是极具发展潜力和广阔市场前景的一项新能源应用技术，也是太阳能利用中最经济的方式之一。在国家政策的支持下，选择研发适合我国国情的太阳能热发电系统，以加快太阳能发电的规模性利用，用阳光经济推动能源革命，这对改变我国的能源消费结构具有十分重要的现实意义。

［1］王亦楠.对我国太阳能热发电的一点看法［J］.中国能源，2006（8）.

［2］杨敏林，杨晓西，林汝谋，袁建丽.太阳能热发电技术与系统［J］.热能动力工程，2008（5）.

［3］孙德胜，陈雁.太阳能热发电技术最新进展与前景研究［J］.电源技术，2010（8）.

［4］郑建涛，裴杰.我国聚光型太阳能热发电技术发展现状［J］.热力发电，2011（2）.

［5］章国芳，朱天宇，王希晨.塔式太阳能热发电技术进展及在我国的应用前景［J］.太阳能，2008（11）.

［6］徐明，祝雪妹.聚光式太阳能热发电技术的现状及发展趋势［J］.南京师范大学学报，2011（3）.

［7］许辉，张红，白穜，丁莉，庄骏.碟式太阳能热发电技术综述［J］.热力发电，2009（5）.

［8］陈超，聂志刚，那小桃.槽式太阳能集热发电系统发展状况［J］.工程研究——跨学科视野中的工程，2009.

［9］汤延令.太阳能热发电技术现状及发展［J］.福建电力与电工，2008（12）.

［10］赵军，李新国，陈雁.太阳能热发电技术及其在我国的应用前景［J］.太阳能，2005（4）.

［11］刘巍，王宗超.碟式太阳能热发电系统［J］.重庆工学院学报（自然科学版），2009（10）.

［12］陈伟，张军.聚光型太阳能热发电现状及在我国应用的风险分析［J］.可再生能源，2010（02）.

［13］吴静.以太阳能为辅助热源的混合发电方式研究［D］.华北电力大学（北京），2010.

［14］韦彪，朱天宇.DSG太阳能槽式集热器聚光特性模拟［J］.动力工程学报，2011.

［15］Cheng Z D，He Y L，Xiao J，et al.Three－di－mensional numerical study of heat transfer character－istics in the receiver tube of parabolic trough solarcollector［J］.International Communications in Heatand Mass Transfer，2010，37（7）：782－787.

［16］裴刚，符慧德，季杰，韩崇巍.槽式太阳能聚光集热系统在不同跟踪模式下的对比［J］.太阳能学报，2010（10）.

［17］徐荣吉，何雅玲，肖杰，程泽东.槽式太阳能电站集热管热性能测试及回归分析［J］.工程热物理学报，2011（11）.

［18］王云峰，季杰，何伟，陈海飞.抛物碟式太阳能聚光器的聚光特性分析与设计［J］.光学学报，2012（01）.

［19］Chen Chifeng，Lin Chihhao，Jan Huangtzung.A solarconcentrator with two reflection mirrors designed by using a raytracing method［J］.Optik，2010，121（11）：1042－1051.

［20］K.Lovegrove，G.Burgess，J.Pye.A new 500m2paraboloidaldish solar concentrator［J］.Solar Energy，2011，85（4）：620－626.

［21］罗熙，李明，王云峰，李国良，魏生贤，王炳灿.槽式聚光热电联供系统抛物反射面的性能参数分析［J］.可再生能源，2011（02）.

［22］胡中文，张明锋，郑继华.太阳能发电研究综述［J］.能源研究与管理，2011（1）.

［23］杜春旭，王普，马重芳，吴玉庭.线性菲涅耳聚光系统无遮挡镜场布置的光学几何方法［J］.光学学报，2010（11）.

［24］于秀艳.如何提高太阳能热发电系统的效率［J］.太阳能，2011（12）.

［25］B.J.Huang，W.L.Ding，Y.C.Huang.Long－term field test of solar PV power generation using one－axis 3－position sun tracker.［J］.Solar Energy，Volume 85，Issue 9，September 2011，Pages 1935－1944.

［26］Aqeel Ahmed Bazmi，Gholamreza Zahedi.Sustainable energy systems：Role of optimization modeling techniques in power generation and supply—A review.［J］.Renewable and Sustainable Energy Reviews，Volume 15，Issue 8，October 2011，Pages 3480－3500.