3种聚光型太阳能热发电系统分析比较

曹璐璐

摘要：介绍国内外常用的槽式、塔式和碟式3种聚光型热发电系统的结构及工作原理，分析每个系统的优缺点，并进行横向比较，为进一步研究单一发电系统提供参考。

关键词：太阳能发电；聚光型；槽式；碟式；塔式

中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）09-0044-03

聚光类太阳能热发电是指聚集太阳光将其转化为足够温度的热能，然后转换成电能的技术，是当今世界太阳能热利用研究领域的前沿课题，具有零排放、可持续利用的优点。目前应用广泛的聚光型太阳能热发电技术是间接利用太阳能的技术，即太阳热能通过热机带动常规发电机发电，主要分为槽式、塔式和碟式3种发电系统。

1 槽式（parabolic trough）太阳能热发电系统

槽式太阳能热发电是将多个槽型抛物面聚光集热器经过串并联的排列，产生高温加热工质，利用产生的蒸汽驱动汽轮机发电机组发电，是一种利用槽式抛物面反射镜聚光的分散型系统。槽式太阳能热发电系统具有规模大、寿命长、成本低等特点，非常适合商业并网发电。整个系统包括聚光集热子系统、换热子系统、发电子系统、蓄热子系统和辅助能源子系统。

1.1 聚光集热子系统

聚光集热子系统是系统的核心，由聚光镜、接收器和跟踪装置构成。该聚光镜面从几何上看是将抛物线左右平移而形成的槽式抛物面，它将太阳光聚在一条线上，在这条焦线上安装有管状集热器，用以吸收聚焦后的太阳辐射能，常将众多槽式抛物面串并联成聚光集热器阵列。槽式抛物面对太阳辐射多进行一维跟踪（设备轴线南北放置，然后东西旋转跟踪），其几何聚光比在10～100之间，温度可达400 ℃左右。

1.2 换热子系统

当系统工质为油时，采用双回路。即接收器中工质油被加热后，进入换热子系统中产生蒸汽，蒸汽进入发电子系统发电。换热子系统一般由预热器、蒸汽发生器、过热器和再热器组成。直接采用水为工质时，可简化此子系统。

1.3 发电子系统、蓄热子系统和辅助能源子系统

发电子系统、蓄热子系统和辅助能源子系统的功能与塔式太阳能热发电基本相同。图1为槽式太阳能热发电系统示意图，利用导热油作为集热介质，293 ℃的低温导热油从储油罐中泵入槽式太阳能集热场，被加热到390 ℃，然后依次通过加热器、过热器、蒸发器、预热器等，将收集到的太阳热能交换给动力回路中的蒸汽，产生10.4 MPa、1 370 ℃的过热蒸汽，并进入汽轮机中做功。该系统中集热油回路和动力蒸汽回路分开，经过一系列换热器来交换热量。当太阳能供应不足时，利用一个辅助加热器将油回路中的导热油加热，从而实现系统的稳定连续运行。

2 塔式（parabolic trough）太阳能热发电系统

塔式塔式太阳能热发电系统是利用定日镜将太阳光聚焦在中心吸热塔的吸热器上，并将聚焦的辐射能转变成热能，然后将热能传递给热力循环的工质，再驱动热机做功发电的系统。其具有规模大、热传递路程短、热损耗少、聚光比和温度较高等特点，适于大规模并网发电。塔式太阳热发电系统也称集中式太阳能热发电。塔式太阳能热发电系统包括聚光子系统、集热子系统、发电子系统、蓄热子系统和辅助能源子系统。

2.1 聚光子系统

聚光子系统包括定日镜群和跟踪装置。采用双轴跟踪，以确保每台定日镜的反射光线进入集热系统的接收器内；定日镜微弧度的镜面保证太阳光聚焦到塔顶的接收器上；定日镜群的成本占总投入的一半以上。

2.2 集热子系统

集热子系统包括定日镜场中间或南方的竖塔和竖塔顶部的接收器。竖塔的高度取决于电站容量；接收器主要有空腔式和外留式2种型式，竖塔在镜场中间时一般选用外露式接收器，竖塔在镜场南方时选用空腔式接收器。塔式太阳热发电系统通常可达到的聚光比为300～1 500，运行温度可达1 000～1 500 ℃。

2.3 发电子系统

按照工质是水还是气体选用汽轮机组或燃气轮机组，其基本组成与常规发电设备类似，但需要设置工作流体在接收器和辅助能源系统之间循环的切换装置。

2.4 蓄热子系统

太阳能热发电系统在早晚或云遮间隙必须依靠储存的能量维持系统正常运行。蓄热的方法主要有显式、潜式和化学蓄热3种方式。

图2为Solar One太阳热发电系统示意图，该电站位于美国加州的Barstow地区，运行于1982—1988年之间，是当时世界上最大的验证第一代塔式发电技术的太阳能电站。它由跟踪太阳光的定日镜（收集器）、吸热器、工质加热器、热量储存系统以及热机单元组体等组成。由平面镜、跟踪机构、支架等组成的定日镜阵列，可由微处理机控制实现最佳聚焦，始终对准太阳捕获并聚集太阳辐射能到高塔顶端的吸热器上，再通过吸热器把热力循环的工质加热至较高温度；储存系统把部分热能储藏起来备用，以最大限度地平衡系统能量供需；热机单元实现热转功的功能，把太阳能转换为电能输出。吸热器中通入205 ℃的给水，直接产生516 ℃/10.1 MPa的过热蒸汽，进入非再热的汽轮机膨胀做功，过热蒸汽也可送入一个油-沙石蓄热系统进行能量的存储，满足动力系统的启停和机组在夜晚时的用汽需求。该系统具有四级回热抽汽，其中第三级为除氧器，前两级的输水逐级回流到除氧器，最后一级给水加热器的输水返回冷凝器。如果要求在阴雨天和夜间正常发电，可以增加合适的常规燃料作为辅助能源的辅助能源子系统，以形成太阳能和化石燃料综合互补的多能源发电系统。此外，塔式太阳能热发电系统和槽式的系统相比，除聚光集热器有所不同外，两者在系统构成和工作原理等方面都基本相似。

3 碟式（Parabolic dish）太阳能热发电系统

碟式太阳能热发电系统是利用旋转抛物面反射镜，将入射阳光聚集在焦点上，放置在焦点处的太阳能接收器收集较高温度的热能，加热工质，驱动发电机组发电；或在焦点处直接放置太阳能斯特发电装置发电。碟式太阳能热发电系统具有寿命长、效率高、灵活性强等特点，可以单台供电，也可以多套并联使用，非常适合边远地区和山区发电。整个系统包括聚光集热子系统、发电子系统、蓄热子系统。聚光子系统系统借助于双轴跟踪，利用旋转抛物面反射镜，将入射的太阳辐射进行点聚集，聚光点的温度一般在500～

1 000 ℃，吸热器吸收这部分辐射能并将其转换成热能，加热工质以驱动热机（如燃气轮机、斯特林发动机或其它类型透平等），从而将热能转换成电能。

图3为一个典型碟式太阳能热发电系统示意图，它利用双轴跟踪的碟式聚光器将太阳能聚焦到吸热器上，将来自回热器的高压空气加热到850 ℃，然后进入燃气轮机做功，该回热循环燃气轮机的压比约为2.5；当太阳能供应不足时，利用燃料进入燃烧室补燃，该系统的太阳能净发电效率高达29.6%。目前，这类系统单元容量多为30～50 kW，相对较小，它主要应用于分布式能源系统组成分散的动力系统，也可以将多个系统组成一簇向电网供电。

目前，聚光方式发电技术得到了较大发展，在过去几十年中世界各地兴建了许多这种类型的实验与示范电站，表1给出了聚光型太阳能热电站的发展状态以及优缺点。

4 结语

对3种主要的聚光型热发电系统做了比较详细的介绍，论述每种系统的结构与工作原理，分析每个系统的优缺点，并进行横向比较，为进一步研究单一发电系统提供参考。

摘要：介绍国内外常用的槽式、塔式和碟式3种聚光型热发电系统的结构及工作原理，分析每个系统的优缺点，并进行横向比较，为进一步研究单一发电系统提供参考。

关键词：太阳能发电；聚光型；槽式；碟式；塔式

中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）09-0044-03

聚光类太阳能热发电是指聚集太阳光将其转化为足够温度的热能，然后转换成电能的技术，是当今世界太阳能热利用研究领域的前沿课题，具有零排放、可持续利用的优点。目前应用广泛的聚光型太阳能热发电技术是间接利用太阳能的技术，即太阳热能通过热机带动常规发电机发电，主要分为槽式、塔式和碟式3种发电系统。

1 槽式（parabolic trough）太阳能热发电系统

槽式太阳能热发电是将多个槽型抛物面聚光集热器经过串并联的排列，产生高温加热工质，利用产生的蒸汽驱动汽轮机发电机组发电，是一种利用槽式抛物面反射镜聚光的分散型系统。槽式太阳能热发电系统具有规模大、寿命长、成本低等特点，非常适合商业并网发电。整个系统包括聚光集热子系统、换热子系统、发电子系统、蓄热子系统和辅助能源子系统。

1.1 聚光集热子系统

聚光集热子系统是系统的核心，由聚光镜、接收器和跟踪装置构成。该聚光镜面从几何上看是将抛物线左右平移而形成的槽式抛物面，它将太阳光聚在一条线上，在这条焦线上安装有管状集热器，用以吸收聚焦后的太阳辐射能，常将众多槽式抛物面串并联成聚光集热器阵列。槽式抛物面对太阳辐射多进行一维跟踪（设备轴线南北放置，然后东西旋转跟踪），其几何聚光比在10～100之间，温度可达400 ℃左右。

1.2 换热子系统

当系统工质为油时，采用双回路。即接收器中工质油被加热后，进入换热子系统中产生蒸汽，蒸汽进入发电子系统发电。换热子系统一般由预热器、蒸汽发生器、过热器和再热器组成。直接采用水为工质时，可简化此子系统。

1.3 发电子系统、蓄热子系统和辅助能源子系统

发电子系统、蓄热子系统和辅助能源子系统的功能与塔式太阳能热发电基本相同。图1为槽式太阳能热发电系统示意图，利用导热油作为集热介质，293 ℃的低温导热油从储油罐中泵入槽式太阳能集热场，被加热到390 ℃，然后依次通过加热器、过热器、蒸发器、预热器等，将收集到的太阳热能交换给动力回路中的蒸汽，产生10.4 MPa、1 370 ℃的过热蒸汽，并进入汽轮机中做功。该系统中集热油回路和动力蒸汽回路分开，经过一系列换热器来交换热量。当太阳能供应不足时，利用一个辅助加热器将油回路中的导热油加热，从而实现系统的稳定连续运行。

2 塔式（parabolic trough）太阳能热发电系统

塔式塔式太阳能热发电系统是利用定日镜将太阳光聚焦在中心吸热塔的吸热器上，并将聚焦的辐射能转变成热能，然后将热能传递给热力循环的工质，再驱动热机做功发电的系统。其具有规模大、热传递路程短、热损耗少、聚光比和温度较高等特点，适于大规模并网发电。塔式太阳热发电系统也称集中式太阳能热发电。塔式太阳能热发电系统包括聚光子系统、集热子系统、发电子系统、蓄热子系统和辅助能源子系统。

2.1 聚光子系统

聚光子系统包括定日镜群和跟踪装置。采用双轴跟踪，以确保每台定日镜的反射光线进入集热系统的接收器内；定日镜微弧度的镜面保证太阳光聚焦到塔顶的接收器上；定日镜群的成本占总投入的一半以上。

2.2 集热子系统

集热子系统包括定日镜场中间或南方的竖塔和竖塔顶部的接收器。竖塔的高度取决于电站容量；接收器主要有空腔式和外留式2种型式，竖塔在镜场中间时一般选用外露式接收器，竖塔在镜场南方时选用空腔式接收器。塔式太阳热发电系统通常可达到的聚光比为300～1 500，运行温度可达1 000～1 500 ℃。

2.3 发电子系统

按照工质是水还是气体选用汽轮机组或燃气轮机组，其基本组成与常规发电设备类似，但需要设置工作流体在接收器和辅助能源系统之间循环的切换装置。

2.4 蓄热子系统

太阳能热发电系统在早晚或云遮间隙必须依靠储存的能量维持系统正常运行。蓄热的方法主要有显式、潜式和化学蓄热3种方式。

图2为Solar One太阳热发电系统示意图，该电站位于美国加州的Barstow地区，运行于1982—1988年之间，是当时世界上最大的验证第一代塔式发电技术的太阳能电站。它由跟踪太阳光的定日镜（收集器）、吸热器、工质加热器、热量储存系统以及热机单元组体等组成。由平面镜、跟踪机构、支架等组成的定日镜阵列，可由微处理机控制实现最佳聚焦，始终对准太阳捕获并聚集太阳辐射能到高塔顶端的吸热器上，再通过吸热器把热力循环的工质加热至较高温度；储存系统把部分热能储藏起来备用，以最大限度地平衡系统能量供需；热机单元实现热转功的功能，把太阳能转换为电能输出。吸热器中通入205 ℃的给水，直接产生516 ℃/10.1 MPa的过热蒸汽，进入非再热的汽轮机膨胀做功，过热蒸汽也可送入一个油-沙石蓄热系统进行能量的存储，满足动力系统的启停和机组在夜晚时的用汽需求。该系统具有四级回热抽汽，其中第三级为除氧器，前两级的输水逐级回流到除氧器，最后一级给水加热器的输水返回冷凝器。如果要求在阴雨天和夜间正常发电，可以增加合适的常规燃料作为辅助能源的辅助能源子系统，以形成太阳能和化石燃料综合互补的多能源发电系统。此外，塔式太阳能热发电系统和槽式的系统相比，除聚光集热器有所不同外，两者在系统构成和工作原理等方面都基本相似。

3 碟式（Parabolic dish）太阳能热发电系统

碟式太阳能热发电系统是利用旋转抛物面反射镜，将入射阳光聚集在焦点上，放置在焦点处的太阳能接收器收集较高温度的热能，加热工质，驱动发电机组发电；或在焦点处直接放置太阳能斯特发电装置发电。碟式太阳能热发电系统具有寿命长、效率高、灵活性强等特点，可以单台供电，也可以多套并联使用，非常适合边远地区和山区发电。整个系统包括聚光集热子系统、发电子系统、蓄热子系统。聚光子系统系统借助于双轴跟踪，利用旋转抛物面反射镜，将入射的太阳辐射进行点聚集，聚光点的温度一般在500～

1 000 ℃，吸热器吸收这部分辐射能并将其转换成热能，加热工质以驱动热机（如燃气轮机、斯特林发动机或其它类型透平等），从而将热能转换成电能。

图3为一个典型碟式太阳能热发电系统示意图，它利用双轴跟踪的碟式聚光器将太阳能聚焦到吸热器上，将来自回热器的高压空气加热到850 ℃，然后进入燃气轮机做功，该回热循环燃气轮机的压比约为2.5；当太阳能供应不足时，利用燃料进入燃烧室补燃，该系统的太阳能净发电效率高达29.6%。目前，这类系统单元容量多为30～50 kW，相对较小，它主要应用于分布式能源系统组成分散的动力系统，也可以将多个系统组成一簇向电网供电。

目前，聚光方式发电技术得到了较大发展，在过去几十年中世界各地兴建了许多这种类型的实验与示范电站，表1给出了聚光型太阳能热电站的发展状态以及优缺点。

4 结语

对3种主要的聚光型热发电系统做了比较详细的介绍，论述每种系统的结构与工作原理，分析每个系统的优缺点，并进行横向比较，为进一步研究单一发电系统提供参考。

摘要：介绍国内外常用的槽式、塔式和碟式3种聚光型热发电系统的结构及工作原理，分析每个系统的优缺点，并进行横向比较，为进一步研究单一发电系统提供参考。

关键词：太阳能发电；聚光型；槽式；碟式；塔式

中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2014）09-0044-03

聚光类太阳能热发电是指聚集太阳光将其转化为足够温度的热能，然后转换成电能的技术，是当今世界太阳能热利用研究领域的前沿课题，具有零排放、可持续利用的优点。目前应用广泛的聚光型太阳能热发电技术是间接利用太阳能的技术，即太阳热能通过热机带动常规发电机发电，主要分为槽式、塔式和碟式3种发电系统。

1 槽式（parabolic trough）太阳能热发电系统

槽式太阳能热发电是将多个槽型抛物面聚光集热器经过串并联的排列，产生高温加热工质，利用产生的蒸汽驱动汽轮机发电机组发电，是一种利用槽式抛物面反射镜聚光的分散型系统。槽式太阳能热发电系统具有规模大、寿命长、成本低等特点，非常适合商业并网发电。整个系统包括聚光集热子系统、换热子系统、发电子系统、蓄热子系统和辅助能源子系统。

1.1 聚光集热子系统

聚光集热子系统是系统的核心，由聚光镜、接收器和跟踪装置构成。该聚光镜面从几何上看是将抛物线左右平移而形成的槽式抛物面，它将太阳光聚在一条线上，在这条焦线上安装有管状集热器，用以吸收聚焦后的太阳辐射能，常将众多槽式抛物面串并联成聚光集热器阵列。槽式抛物面对太阳辐射多进行一维跟踪（设备轴线南北放置，然后东西旋转跟踪），其几何聚光比在10～100之间，温度可达400 ℃左右。

1.2 换热子系统

当系统工质为油时，采用双回路。即接收器中工质油被加热后，进入换热子系统中产生蒸汽，蒸汽进入发电子系统发电。换热子系统一般由预热器、蒸汽发生器、过热器和再热器组成。直接采用水为工质时，可简化此子系统。

1.3 发电子系统、蓄热子系统和辅助能源子系统

发电子系统、蓄热子系统和辅助能源子系统的功能与塔式太阳能热发电基本相同。图1为槽式太阳能热发电系统示意图，利用导热油作为集热介质，293 ℃的低温导热油从储油罐中泵入槽式太阳能集热场，被加热到390 ℃，然后依次通过加热器、过热器、蒸发器、预热器等，将收集到的太阳热能交换给动力回路中的蒸汽，产生10.4 MPa、1 370 ℃的过热蒸汽，并进入汽轮机中做功。该系统中集热油回路和动力蒸汽回路分开，经过一系列换热器来交换热量。当太阳能供应不足时，利用一个辅助加热器将油回路中的导热油加热，从而实现系统的稳定连续运行。

2 塔式（parabolic trough）太阳能热发电系统

塔式塔式太阳能热发电系统是利用定日镜将太阳光聚焦在中心吸热塔的吸热器上，并将聚焦的辐射能转变成热能，然后将热能传递给热力循环的工质，再驱动热机做功发电的系统。其具有规模大、热传递路程短、热损耗少、聚光比和温度较高等特点，适于大规模并网发电。塔式太阳热发电系统也称集中式太阳能热发电。塔式太阳能热发电系统包括聚光子系统、集热子系统、发电子系统、蓄热子系统和辅助能源子系统。

2.1 聚光子系统

聚光子系统包括定日镜群和跟踪装置。采用双轴跟踪，以确保每台定日镜的反射光线进入集热系统的接收器内；定日镜微弧度的镜面保证太阳光聚焦到塔顶的接收器上；定日镜群的成本占总投入的一半以上。

2.2 集热子系统

集热子系统包括定日镜场中间或南方的竖塔和竖塔顶部的接收器。竖塔的高度取决于电站容量；接收器主要有空腔式和外留式2种型式，竖塔在镜场中间时一般选用外露式接收器，竖塔在镜场南方时选用空腔式接收器。塔式太阳热发电系统通常可达到的聚光比为300～1 500，运行温度可达1 000～1 500 ℃。

2.3 发电子系统

按照工质是水还是气体选用汽轮机组或燃气轮机组，其基本组成与常规发电设备类似，但需要设置工作流体在接收器和辅助能源系统之间循环的切换装置。

2.4 蓄热子系统

太阳能热发电系统在早晚或云遮间隙必须依靠储存的能量维持系统正常运行。蓄热的方法主要有显式、潜式和化学蓄热3种方式。

图2为Solar One太阳热发电系统示意图，该电站位于美国加州的Barstow地区，运行于1982—1988年之间，是当时世界上最大的验证第一代塔式发电技术的太阳能电站。它由跟踪太阳光的定日镜（收集器）、吸热器、工质加热器、热量储存系统以及热机单元组体等组成。由平面镜、跟踪机构、支架等组成的定日镜阵列，可由微处理机控制实现最佳聚焦，始终对准太阳捕获并聚集太阳辐射能到高塔顶端的吸热器上，再通过吸热器把热力循环的工质加热至较高温度；储存系统把部分热能储藏起来备用，以最大限度地平衡系统能量供需；热机单元实现热转功的功能，把太阳能转换为电能输出。吸热器中通入205 ℃的给水，直接产生516 ℃/10.1 MPa的过热蒸汽，进入非再热的汽轮机膨胀做功，过热蒸汽也可送入一个油-沙石蓄热系统进行能量的存储，满足动力系统的启停和机组在夜晚时的用汽需求。该系统具有四级回热抽汽，其中第三级为除氧器，前两级的输水逐级回流到除氧器，最后一级给水加热器的输水返回冷凝器。如果要求在阴雨天和夜间正常发电，可以增加合适的常规燃料作为辅助能源的辅助能源子系统，以形成太阳能和化石燃料综合互补的多能源发电系统。此外，塔式太阳能热发电系统和槽式的系统相比，除聚光集热器有所不同外，两者在系统构成和工作原理等方面都基本相似。

3 碟式（Parabolic dish）太阳能热发电系统

碟式太阳能热发电系统是利用旋转抛物面反射镜，将入射阳光聚集在焦点上，放置在焦点处的太阳能接收器收集较高温度的热能，加热工质，驱动发电机组发电；或在焦点处直接放置太阳能斯特发电装置发电。碟式太阳能热发电系统具有寿命长、效率高、灵活性强等特点，可以单台供电，也可以多套并联使用，非常适合边远地区和山区发电。整个系统包括聚光集热子系统、发电子系统、蓄热子系统。聚光子系统系统借助于双轴跟踪，利用旋转抛物面反射镜，将入射的太阳辐射进行点聚集，聚光点的温度一般在500～

1 000 ℃，吸热器吸收这部分辐射能并将其转换成热能，加热工质以驱动热机（如燃气轮机、斯特林发动机或其它类型透平等），从而将热能转换成电能。

图3为一个典型碟式太阳能热发电系统示意图，它利用双轴跟踪的碟式聚光器将太阳能聚焦到吸热器上，将来自回热器的高压空气加热到850 ℃，然后进入燃气轮机做功，该回热循环燃气轮机的压比约为2.5；当太阳能供应不足时，利用燃料进入燃烧室补燃，该系统的太阳能净发电效率高达29.6%。目前，这类系统单元容量多为30～50 kW，相对较小，它主要应用于分布式能源系统组成分散的动力系统，也可以将多个系统组成一簇向电网供电。

目前，聚光方式发电技术得到了较大发展，在过去几十年中世界各地兴建了许多这种类型的实验与示范电站，表1给出了聚光型太阳能热电站的发展状态以及优缺点。

4 结语

对3种主要的聚光型热发电系统做了比较详细的介绍，论述每种系统的结构与工作原理，分析每个系统的优缺点，并进行横向比较，为进一步研究单一发电系统提供参考。