太阳能光热发电技术研究现状及其关键设备问题分析

摘  要：本文主要介绍了目前主流太阳能光热发电技术的发展现状，并对聚光器、吸热器、储热器、辅助设备等主要设备在运行中易发生的问题进行了简要分析，以供相关领域的学者和技术人员参考。

关键词：太阳能;光热发电技术;关键设备

中图分类号：TK514  文献标识码：A    文章编号：2096-6903（2020）08-0000-00

1太阳能光热发电技术

太阳能光热发电技术是通过集热装置采集、吸收聚焦装置表面上的太阳辐射能，并将其转化成热能用以加热水、空气和其他介质，间接产生水蒸气带动汽轮发电机发电，其具有规模化、清洁能源等优势[1]。根据聚光方式不同太阳能光热发电类型也不同，其中最为典型的是通过反射镜将太阳能反射至集热器，集热器加热熔盐、导热油等介质，进而与水进行热交换后产生过热蒸汽推动汽轮发电机做功。常见的光热发电技术有四种：槽式、塔式、线性菲涅尔式、蝶式，其中槽式光热发电技术最为成熟。

2太阳能光热发电发展现状

20世纪50年代初期，前苏联研发出塔式光热发电装置，随后，西班牙、美国等国家研发出槽式光热发电装置，到20世纪末期，塔式光热发电技术实现了大幅突破，光热发电效率大大提高。从塔式光热发电装置的研发到应用，光热发电站呈现出快速发展趋势，特别是在工业发达国家，各类型的光热发电站成为竞相发展的重点。近几年，太阳能光热发电的商业化发展趋势日趋加快，其中美国和西班牙是全球太阳能光热发电站数量最多的国家，而其在我国的发展正处在加速发展阶段。

2.1塔式太阳能光热发电

塔式太阳能光热发电主要有水工质和熔盐介质两种，目前比较流行的为熔盐介质技术，本文以熔盐介质为例进行介绍。定日镜将太阳光反射到光塔顶部的吸热器来加热吸热器中的熔盐，加热后熔盐（约565℃）通过蒸汽发生器（SGS）产生高温高压蒸汽带动汽轮发电机组发电，从而产生电能。在塔式太阳能光热发电系统中，配置有大量的定日镜，定日镜实时自动跟踪太阳，保证太阳光始终聚焦于吸热器上。目前，以熔盐作为传热、储热介质是塔式太阳能光热发电的主要方式，且发电站总装机容量也呈快速上升趋势[2]。

2.2槽式太阳能光热发电

1973年，墨西哥成为最先建立槽式太阳能光热发电站的国家，容量为100MW，其也是最早实现商业化的太阳能光热电站。随后美国相继建立SEGS槽式导热油无储热太阳能光热发电站，共有9座，最小为14MW，最大为90MW。进入21世纪后，摩洛哥、西班牙等国家对槽式太阳能光热发电系统进行优化升级，尤其是西班牙，在2010年建立全球第一个以熔盐为储热介质的槽式太阳能光热发电站。配置熔盐储热系统后，槽式光热电站在实现白天发电的同时也可以储热。白天抛物线反射镜将太阳光聚焦于集热管上加热内部的导热油，加热后的导热油一部分通过蒸汽发生器加热水产生蒸汽推动汽轮发电机发电，另一部分导热油通过油盐换热器加热熔盐，加热后的熔盐储存在热熔盐罐中。在夜间或者多云及阴雨天气时，热熔盐罐中的熔盐通过油盐换热器加热导热油，加热后的导热油通过蒸汽发生器加热水产生主蒸汽推动汽轮发电机组。这是在储热能力匹配的情况下，光热电站能保证24h平稳发电的原因。当前其已投入商业运行，配置熔盐储热的槽式太阳能光热发电站的最大單机容量为200MW。

2.3 线性菲涅尔式太阳能光热发电

与槽式太阳能光热发电系统相比，线性菲涅尔式太阳能光热发电简化了其形式，通过将大型抛物反射转化成多个离散小镜面，实现跟踪条件反射的目的，且具有较强的适应性[3]。上世纪末期，澳大利亚悉尼大学设计出紧凑型发电系统，得到广泛的认可和推广，于是在21世纪，西班牙和美国分别建立了线性菲涅尔式太阳能光热发电站。

2.4蝶式太阳能光热发电

比较前几种光热发电方式，蝶式太阳能光热发电系统的聚光效果最高，聚光比高达3000，聚光温度在750～1500℃之间，是目前效率最高的太阳能光热发电方式，高达29.4%。但该技术尚未成熟，目前主要以小规模试验发电为主。在21世纪，西班牙和美国相继建立蝶式太阳能光热发电，由于存在各种技术限制，尚未大规模并网发电，目前国内也正在研究、建设蝶式示范光热电站。

3太阳能光热发电技术关键设备存在的问题

从能量转换方式看，太阳能光热发电是将太阳能转化为电能。从发电原理来看，太阳能光热发电原理基本上与煤炭发电相似或者是相同。因此在常规设备使用上具有数量多，应用范围广的特征，为了有效提高发电量，必须要提高太能辐射经热能，辐射经热能则是通过提高能流密度方式实现的，因此对应的设备，包括储存、转换、热能接受、跟踪和聚光等。在太阳能光热发电技术中，关键设备的设计、制造和安装水平均会在一定程度上影响到发电机组的性能，甚至影响到整个太阳能光热发电的竞技性、可靠性和安全性。

3.1聚光器/定日镜

聚光器是将太阳光集中到位于吸热塔顶部吸热器表面的反射装置。由于地球自转原因，太阳光处于相对转动状态，通过使用双轴实时跟踪，可将太阳光投射到聚光器表面上。由于聚光器是太阳能光热发电技术的核心设备，因此对聚光器的定位精度要求较高，同时要求运动稳定、平整度误差小和反射率高，工作寿命长。此外还要满足易于安装维护、操作灵活、产量高、机械强度高和全天候工作等要求。

3.2吸热器

吸热器是接受聚光器投射过来的太阳辐射能，并通过管屏吸热将太阳辐射能转化为热能。故吸热器设备材料必须要具有较高的换热系数，耐高温、耐腐蚀和耐疲劳，耐高温能力在1200℃以上。满足这种要求的材料只有镍基合金材料，但该材料具有加工难度大，价格昂贵等特征。

3.3储热系统设备

太阳能光热发电技术最为重要的一个系统是双罐储热系统，主要包括一个冷熔盐管、一个热熔盐罐。在大规模太阳能光热发电中比较常见，且热熔盐罐和冷熔盐罐都是单独放置。

3.4蒸汽发生器设备（SGS）

目前塔式光热电站普遍采用的传热介质为熔盐，由于熔盐特殊的化学特性及工作温度要求，蒸汽发生器设备（省煤器、蒸发器、再热器、过热器）普遍采用347H不锈钢材质。即使如此，由于熔盐的腐蚀性及上述设备在日常运行中内部管束的温度变化速率较大，蒸发器设备的内部管束易受损造成熔盐泄漏事故，进而造成停机。解决办法：进一步优化蒸发器设备的设计和制造，关注内部管束的热膨胀因素。

4结语

在科技高速发展的背景下，光热发电技术向长时储热、高参数和大规模方向发展。在投资光热发电项目时，技术路线的选择至关重要，如风能互补发电、光热与光伏发电互补、槽式储热光热发电技术、塔式熔盐光热发电技术等。我国西北地区拥有丰富的太阳能资源，但同时也有多项不利因素，如西北地区环境恶劣，需进一步系统验证环境问题对降低镜面反射率及光照强度的影响。另外在太阳能光热发电技术中，我国存在行业标准、性能考核以及光热系统设计等不足，通过借鉴西方技术优势，建立行业标准，提升太阳能光热发电技术的性能，并加大相关设备的研发和制造能力，提高设备性能，降低关键设备的生产成本，从而加速我国太阳能光热发电技术的整体发展水平。

参考文献

[1]何志瞧，童家麟.太阳能光热发电现状及超临界CO2光热发电技术应用前景[J].华电技术，2020，42（4）：77-83.

[2]张哲旸，巨星，潘信宇，等.太阳能光伏–光热复合发电技术及其商业化应用[J].发电技术，2020，41（3）：220-230.

[3]解民，郑江伟.太阳能光热发电的技术特点与应用研究[J].电力系统装备，2020（5）：54-55.

收稿日期：2020-07-06

作者简介：周和军（1978—），男，山东泰安人，本科，高级工程师，研究方向：电气工程及其自动化、太阳能光热发电。