太阳能光热发电的集热技术现状及前景分析

胡叶广， 张 成， 周超英， 杜建军， 姚英学

(哈尔滨工业大学(深圳)机电工程与自动化学院， 深圳 518055)

太阳能作为一种分布普遍、清洁无污染的新能源，随着能源危机、环境污染等问题的日益突出而受到人类越来越多的关注[1]。中国蕴含着十分丰富的太阳能辐射资源，陆地上平均每年能接受约50×1018kJ的太阳能辐射，其中，甘肃、宁夏、新疆和青藏高原等地区的太阳能辐射总量最大，一年中的日照时长为3 200～3 300 h，相当于225～285 kg标准煤燃烧所发出的热量，在《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》中，太阳能开发与利用被列为重点发展方向之一[2]。

由于太阳能分布具有稀疏性、间歇性等特点，聚光型光热发电成为对太阳能进行高效利用的有效途径之一，现对太阳能光热发电在聚光集热方面的发展现状及前景进行重点分析。

1 聚光型太阳能光热发电技术

近年来，太阳能光热发电技术的应用与发展备受瞩目，该技术采用集热系统采集汇聚太阳光，并利用吸热器将太阳能转化为热能，再通过蒸汽动力循环的热功转化过程发电[3]，如图1所示。目前该技术发展非常迅速，成为可再生能源开发利用领域的优先发展主题，国家能源局也为推动太阳能光热发电技术的发展，组织实施了一批示范电站的建设[4]。

图1 太阳能光热发电系统的工作原理Fig.1 Operational principle of solar thermal power system

2 太阳能集热系统

根据聚光集热方式的不同，太阳能光热发电集热系统主要有4种类型：槽式集热系统、塔式集热系统、碟式集热系统以及线性菲涅尔式集热系统[5]。

2.1 槽式集热系统

槽式集热系统主要由槽式抛物面聚光镜与真空吸热管等结构构成，如图2所示。位于抛物面聚光镜焦线处的真空集热管接收槽式抛物面聚光镜的聚焦能流，传热工质(通常采用导热油)在真空集热管的吸热管中流动并吸收热量，吸热管表面镀有选择性涂层，以最大化吸收辐射能流、减少热损失。槽式集热系统在跟踪方式上通常采用东西向单轴跟踪，结构简单，安装维护方便，而且相比于其他集热系统，具有最佳的土地利用率。然而聚光器的线聚焦方式决定了其聚光比较低，通常在50～90，系统的运行温度最高也只有400 ℃左右，导致太阳能转化效率受限，适用于太阳能中低温利用[6]。

图2 槽式集热系统Fig.2 Solar parabolic trough heat collecting system

槽式聚光器的聚光效率主要受几何效应和光学效应两种因素影响，其中几何效应包含入射角修正系数、遮挡系数、集热器端部系数、余弦损失系数等因子，而光学效应则包含吸热管吸收率、聚光器镜面反射率、聚光器拦截因子、镜面玻璃及吸热管玻璃穿透率等因子[7]。针对如何提高槽式集热系统的聚光效率，中外研究人员开展了相关的研究工作。Jeter[8]建立了槽式抛物面聚光器的能流密度分布模型，并计算得到了LS-2型槽式集热系统的聚光比分布规律。Carcia-Cortes等[9]对槽式聚光器的表面精度进行光学检测，进而获得聚光器的聚光效率，并提出聚光器的优化设计方法。王金平[10]对槽式聚光镜阵列的布置与跟踪方式进行了分析，结果表明南北布置东西跟踪年均聚光效率要高于东西布置南北跟踪的聚光器。

槽式真空集热管传热形式主要包括对流传热、热传导以及辐射传热[11]。对流传热主要发生在3个位置：吸热管内表面与传热工质之间、吸热管外表面与玻璃管之间、玻璃管与外界大气之间。热传导主要发生在4个位置：吸热管壁、玻璃管壁、真空层以及集热管支架。辐射传热主要发生在两个位置：吸热管与玻璃管之间、玻璃管与环境之间。Garcia-Valladares等[12]根据玻璃管、吸热管以及传热工质之间的热平衡方程，得到了槽式真空集热管的传热传质特性。Rolim等[13]分析了非均匀能流密度分布对集热管传热特性的影响，为槽式集热管传热性能的精确分析提供了依据。孔伟强等[14]建立了真空管吸热器的整体动态能量平衡模型，并提出了吸热器的动态测试方法，结果表明，该方法能够得到稳定的测试结果。此外，中外研究人员针对真空集热管结构开展了大量的优化设计工作，以强化工质传热、提高集热管热效率[15-19]。

目前槽式集热技术已经趋于成熟，美国与以色列组建的Luz公司早在1985年就建设了全球首座商业化SEGS槽式光热电站，总装机容量达到354 MW[20]。此后，大批槽式电站相继建成，包括西班牙的Andsol电站、南非的KaXu Solar One电站、美国的Solana电站等[21]。中国在2018年也建成了国内首个大型商业化槽式光热发电项目——中广核德令哈50 MW槽式电站。

2.2 塔式集热系统

塔式集热系统主要由定日镜聚光镜场、吸热塔以及位于塔顶的中央吸热器等部分构成，其通过定日镜场采集汇聚太阳能到中央吸热器，再通过传热工质(通常采用熔融盐、水或空气)吸收能量进行光热转化，如图3所示。定日镜镜面具有一定曲率可以将太阳光聚焦到吸热器，由于塔式集热技术采用点聚焦方式，定日镜阵列需采用双轴跟踪，结构更加复杂。相比于其他几种集热技术，塔式集热系统对镜场的跟踪聚光性能要求高，且占地面积更大，因此塔式集热系统的建设成本高、运行维护难度大。然而塔式集热系统在规模化应用中(50～100 MW)经济效益更高，而且系统具有更高的聚光比(600～1 000)和集热温度(可达1 000 ℃)，因而太阳能转化效率的提升潜力更大[22-23]。

图3 塔式集热系统Fig.3 Solar tower heat collecting system

塔式镜场由定日镜阵列构成，其聚光效率主要受到余弦效应、阴影遮挡效应、镜面反射率、大气衰减效应、吸热器溢出效应等因素的影响[24]。针对如何提高塔式集热系统的聚光效率，中外研究人员开展了相关的研究工作。加拿大ATS公司于1980年代研发出总反射面积为148 m2的ATS150定日镜，其由多面面积为1.22 m2的球形子反射镜拼接而成，经过Sandia实验室测试，该定日镜性能稳定，具有较高的聚光精度，为后续的定日镜方案设计提供了参考[25]。中科院电工所的Guo等[26-27]、Zang等[28]设计制造出一种4 m×4 m的轮胎面定日镜，通过考虑定日镜的偏心问题，对跟踪系统进行误差补偿并得到定日镜的精确跟踪数学模型，实验测试表明定日镜跟踪精度在2.5×10-6m以内。由于塔式镜场包含了数量众多的定日镜，这些定日镜系统在镜场中如何进行排列放置成为塔式太阳能发电的研究热点和难点，因为镜场布置的好坏会直接影响到整个镜场的聚光效率，因而研究人员对塔式定日镜场的布置优化开展了相关的研究工作[29-31]。美国桑迪亚国家实验室的Kistler[32]在20世纪80年代开发出DELSOL镜场布置优化工具，能够对镜场进行径向交错式的初始化设计，并能够基于经济效益对塔高、吸热器尺寸、镜场边界以及镜场的布置进行优化，适特别用于大型塔式聚光镜场的初始设计。Noone等[33]提出一种仿生镜场布置(螺旋叶序列)，优化后镜场的效率相比于传统径向交错式镜场提高了0.36%，同时可减少占地面积15.8%。中科院长春光机所的魏秀东等[34]为了实现对塔式电站镜场的优化设计，提高设计响应速度，提出了利用腔式吸热器几何特性和定日镜效率因子相结合的镜场边界限制方法，并开发出镜场优化工具HFLD，研究人员利用该工具实现了对北京延庆塔式镜场的高效布置优化。丁婷婷等[35]则通过考虑镜场的阴影遮挡损失，对镜场进行布置优化，得到了圆形聚光镜场，并且对该镜场的余弦效率进行了重点仿真和分析，进而重新定义了定日镜的镜场布置方案。

塔式集热系统采用中央集热结构，吸热器位于吸热塔顶部用于接收镜场聚焦的太阳辐射能，吸热器由多个吸热板构成，每个吸热板又由多根吸热管并联相接，中央吸热器的传热形式同样包括对流传热、热传导以及辐射传热[36-38]。对流传热主要发生在吸热管与传热工质之间以及吸热板与外界大气之间。热传导主要发生在吸热管壁以及吸热器支架。辐射传热主要发生在吸热板与外界环境之间。Lata等[39]分析了吸热器尺寸对传热特性及散热损失的影响，并对吸热器管径及壁厚等参数进行了最优化设计。杨小平等[40-41]、Yang等[42]建立了非均匀能流密度下的吸热器传热模型，通过模拟得到工质流量对吸热器温度分布特性以及努塞尔数的影响，为综合评价吸热器传热性能提供了依据。中科院电工所的张强强等[43]分析了太阳辐射度变化时吸热器出口温度的响应特性，得到了多云天气对吸热器热效率的影响规律。

目前塔式集热技术发展非常迅速，美国、西班牙等已建设了多个塔式光热电站。美国于1982年建成Solar One电站，额定功率为10 MW，Solar One电站的建成与成功运行验证了塔式光热发电的技术可行性，随后又相继建立了模块化电站Sierra Sun Tower和世界上最大的塔式电站Ivanpah等[23]；西班牙在2007年建设了欧洲第一座商业化塔式热电站PS10，设计功率为11 MW，随后又相继建设了PS20与Gemasolar等塔式电站[5]。近年来，中国的塔式热发电技术得到了大力发展，中国科学院于2012年在北京八达岭建成了国内第一座塔式热发电示范电站，此后，德令哈电站、敦煌电站等一批塔式热电站正积极建设中。

2.3 碟式集热系统

碟式集热系统主要由碟式抛物面聚光镜与斯特林发动机等构成，其结构如图4所示。碟式聚光器在跟踪过程中始终指向太阳并将太阳光聚焦到位于焦点的斯特林发动机中。碟式聚光器采用双轴跟踪方式，聚光器在不同姿态下都需维持较高的镜面精度和结构强度。碟式吸热器内部的传热工质吸收太阳辐射能，并直接作为斯特林发动机的做功工质[44]。碟式集热属于点聚焦，聚光比最高可以达到3 000，集热温度可达到1 000 ℃，能量转化效率高，但碟式集热系统结构复杂、储热困难，更适用于分布式太阳能发电[45]。

图4 碟式集热系统Fig.4 Solar dish heat collecting system

Truscello[46]提出聚光镜表面精度、镜面反射率以及跟踪误差等光学效应对碟式聚光器的聚光精度具有重要影响，并认为聚光器、跟踪系统以及吸热器等组件成本是碟式集热系统成本的主要组成部分。Harris等[47]研究了碟式吸热器的传热性能，分析了吸热器倾角以及几何形状对吸热器传热效率的影响规律，为碟式吸热器的结构优化设计提供了依据。Flesch等[48]分析了风速和吸热器倾角对吸热器对流散热损失的影响，结果表明，呈一定倾角吸热器的对流热损失会随着风速增大而显著增加。Seo等[49]对比分析了圆锥形、半球形、圆柱形以及圆柱半球形等4种类型碟式吸热器的传热性能，结果表明，圆柱半球形吸热器具有最优的传热性能。

碟式热发电由于技术难度大仍处于试验示范阶段，目前已有多个碟式示范系统建成并运行，包括美国的SunCatcher、SunDish以及PowerDish系统，西班牙的EuroDish系统，澳大利亚的Big Dish系统等。中国的碟式热发电技术也取得了一定的进展，由中航工业西航投资开发的国内最大的兆瓦级碟式热电站已经开工建设[50]。

2.4 线性菲涅尔式集热系统

线性菲涅尔式集热系统与槽式系统类似，采用线聚焦方式，主要由条形反射镜阵列、柱型抛物面镜以及吸热器等构成，如图5所示。条形反射镜阵列通过太阳跟踪将太阳光反射到柱型抛物面镜表面，镜面将太阳光再次反射聚焦到位于焦线的长管形吸热器中[51-52]。线性菲涅尔式系统建设成本低，安装维护方便，然而太阳能转化效率较低[53]。

图5 线性菲涅尔式集热系统Fig.5 Solar linear Fresnel heat collecting system

Mills等[54]提出了反射镜阵列的交替式聚焦方式，不仅有效降低了线性菲涅尔式集热系统的占地面积，而且能够提高系统的聚光效率。杜春旭等[55-56]对线性菲涅尔式镜场进行了无遮挡设计，通过分析相邻镜元距离给出了无遮挡镜场布置条件。Natarajan等[57]建立了碟式吸热器传热的数值仿真模型，分析了吸热器形状、倾角等参数对散热损失的影响。

目前，线性菲涅尔式技术仍以示范为主，但近年来也建成了少量的商业化电站。西班牙在2012年建成了世界最大的线性菲涅耳式电站Puerto Errado，装机容量达到30 MW，运行温度达到 270 ℃。中国也于2020年建成了国内首座商业化线性菲涅尔式光热电站——50 MW敦煌电站[58]。

2.5 4种集热系统技术对比

对以上4种典型的集热系统进行综合对比，结果如表1所示。从表1可以发现，4种集热系统都有各自独特的技术特点：槽式集热采用线聚焦方式，聚光比和工作温度较其他3种方式低，但技术最成熟；塔式集热技术能量转化效率高、蓄热能力强，有利于降低储热与发电成本，发展前景最广阔；碟式集热系统单机容量小、效率高，但蓄能难度大，适用于分布式太阳能发电；线性菲涅尔式集热系统结构简单、建设成本低，但能量转化效率低，应用较少。在当前的光热发电技术体系中，槽式与塔式集热系统的发展前景与开发价值最高，是最主要的两种集热技术路线[59-61]。

表1 4种典型的集热系统技术特点[23]

3 太阳能集热技术发展前景分析

槽式和塔式作为目前最为主流的两种集热技术路线，各自都存在着优势与缺点：槽式集热技术成熟，成本低，但真空吸热管以及传热工质导热油不耐高温，系统的工作温度通常小于400 ℃，动力循环效率因此受到限制；塔式集热系统聚光比高、运行温度高，但系统占地面积大、投资成本高，而且镜场规模过大将导致聚光效率下降[62]。

图6 槽塔联合集热基本原理图Fig.6 Basic principle of trough-tower combined heat collection

槽塔太阳能联合集热发电系统的结构复杂、影响因素众多，根据太阳能热电站的运行经验，运行温度、运行压力(汽轮机入口蒸汽温度、压力)是影响系统运行性能的两个最重要参数，而考虑槽塔联合集热发电系统的双集热场结构，槽塔镜场容量比例即槽式镜场容量与塔式镜场容量之比也将是系统的一个关键影响参数。因此，研究运行温度、运行压力以及槽塔镜场容量比例对槽塔联合集热系统发电性能的影响规律，据此开展参数的优化设计，以建立最优的槽塔联合集热发电系统，将是槽塔联合集热发电系统的研究重点。

4 结论

目前太阳能光热发电系统存在的主要问题是经济性不足，其发电成本是常规能源发电成本的3～5倍，主要原因有：①受聚光效率、动力循环效率等因子的影响，光热发电效率不高；②太阳能集热场建设成本高，集热场成本占到电站总投资成本的40%。由此可知，集热系统对于光热发电性能具有重要的影响，槽塔联合集热能够提高纯槽式系统的集热温度，又能降低纯塔式系统的集热成本，同时综合了槽式成本低、塔式运行温度高的优势，有利于实现高效、低成本光热发电，发展前景十分可期。