劉靜靜，楊帆，金以明

（1.東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院，南京 210096）

（2.東南大學(xué) 圖書館，南京 210096）

太陽(yáng)能熱發(fā)電有聚焦式和非聚焦式兩種：非聚焦類直接把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化熱能發(fā)電，目前有太陽(yáng)能真空管發(fā)電、太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電和太陽(yáng)能熱池發(fā)電等，不過(guò)這些技術(shù)還在研究階段，技術(shù)還很不成熟，要實(shí)際應(yīng)用還需要解決許多難題；聚焦式太陽(yáng)能熱發(fā)電利用聚光器將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為高密度的能量，作為高溫?zé)嵩粗苯踊蛘唛g接加熱給水，生成高溫高壓蒸汽推動(dòng)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，可以充分利用傳統(tǒng)發(fā)電技術(shù)，技術(shù)相對(duì)成熟，開(kāi)發(fā)利用項(xiàng)目的技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)可行性也更好，因此受到更多的關(guān)注。本文將主要討論聚焦類太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)，特別是技術(shù)比較成熟的塔式、槽式和碟式三種聚焦式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)［1－3］，評(píng)價(jià)這些技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和存在的問(wèn)題及其一些改進(jìn)的技術(shù)方案。

1 塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)

塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)（集中型太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)）主要由定日鏡部分、吸熱與熱能傳遞部分（熱流體系統(tǒng)）、發(fā)電部分組成。圖1為塔式太陽(yáng)能發(fā)電的系統(tǒng)圖。塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的吸熱器位于高塔上，定日鏡群以高塔為中心，呈圓周狀分布。定日鏡可以跟蹤太陽(yáng)的位置，盡可能多地把太陽(yáng)光反射到吸熱器。吸熱器將吸收到的高密度輻射能作為高溫?zé)嵩醇訜峁べ|(zhì)，高溫工質(zhì)通過(guò)管道存入高溫蓄熱罐，然后用泵送入蒸汽發(fā)生器加熱給水生產(chǎn)高壓過(guò)熱蒸汽，利用蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)組發(fā)電。汽輪機(jī)的乏汽經(jīng)冷凝器冷凝后送入蒸汽發(fā)生器循環(huán)使用；傳熱介質(zhì)在蒸汽發(fā)生器中放出熱量后先回到低溫蓄熱罐中，然后再送回吸熱器加熱，完成一個(gè)循環(huán)。蓄熱裝置將高峰時(shí)段的熱量進(jìn)行存儲(chǔ)，可以在以后早晚時(shí)段或者陰雨天使用［4－6］。

圖1 塔式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)示意

由于鏡場(chǎng)中的定日鏡數(shù)目龐大，典型的塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的聚焦比可高達(dá)1 500，投射到塔頂吸熱器的平均熱流密度達(dá)300～1 000kW／m2，工作溫度可高達(dá)1 500℃。塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的聚光倍數(shù)高、能量集中過(guò)程簡(jiǎn)便、熱轉(zhuǎn)化效率高，非常適合大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電。但是目前的塔式系統(tǒng)的造價(jià)較高，制約了它的推廣應(yīng)用。因此發(fā)展塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)還有許多關(guān)鍵技術(shù)有有待于突破。

1）定日鏡反射面的設(shè)計(jì) 定日鏡反射面采用普通的平面或球面形狀，加上定日鏡采用方位角仰角跟蹤，塔上的太陽(yáng)聚光光強(qiáng)隨太陽(yáng)位置變化波動(dòng)很大，同時(shí)各定日鏡還存在余弦效應(yīng)也會(huì)影響反射效果，因此目前塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電的光熱轉(zhuǎn)換效率僅60%左右。

2）定日鏡跟蹤控制 散布在中心塔周圍的定日鏡為了同時(shí)對(duì)正中心塔，就必須分別對(duì)每一個(gè)定日鏡進(jìn)行不同的控制，控制系統(tǒng)復(fù)雜制作成本高。

3）中心塔的高度 為了減小余弦效應(yīng)中心塔必須造得足夠高，增加了建設(shè)成本，特別是高空的風(fēng)力較大，制造和安裝的難度大大增加。

4）吸熱器的性能 白天，太陽(yáng)光在吸收塔上聚焦的光斑大小會(huì)有較大的變化，導(dǎo)致聚光的強(qiáng)度也有大幅變化，加上各個(gè)定日鏡的余弦效應(yīng)不同，對(duì)塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)吸熱器的性能要求很高。

5）定日鏡的布置 定日鏡數(shù)目眾多，為防止光線遮擋，定日鏡占地面積巨大。

大量實(shí)驗(yàn)和運(yùn)行數(shù)據(jù)證明，塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)可行，具有巨大的商業(yè)應(yīng)用前景，因此怎樣解決這些技術(shù)難題，成為了各國(guó)研究者的首要問(wèn)題。

2 槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)

槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)通過(guò)拋物面槽式聚光鏡面將太陽(yáng)光匯聚在焦線上，在焦線上安裝的管狀吸熱器吸收聚焦后的太陽(yáng)輻射能，產(chǎn)生高溫蒸汽，推動(dòng)汽輪機(jī)進(jìn)行發(fā)電。發(fā)電站通常由槽形拋物面聚光器及其單軸或雙軸跟蹤系統(tǒng)、合成油熱載體及其循環(huán)系統(tǒng)、油水換熱系統(tǒng)和汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)組成，其中聚光器、吸收器以及跟蹤系統(tǒng)組合在一起，構(gòu)成了槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的太陽(yáng)島。拋物面聚光集熱器根據(jù)需要采用串聯(lián)或并聯(lián)的布置；集熱器內(nèi)的流體工質(zhì)被加熱后，流經(jīng)換熱器加熱水產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，借助于蒸汽動(dòng)力循環(huán)來(lái)發(fā)電。為了解決太陽(yáng)能的間歇性和不穩(wěn)定性，電站一般要求配置蓄熱裝置或者輔助鍋爐，見(jiàn)圖2。

圖2 槽式太陽(yáng)能熱電站示意

槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)采用的是線聚焦方式，集熱器的軸線與焦線平行呈南北方向布置，因此定日鏡的控制比較簡(jiǎn)單只需要一維跟蹤，但是聚光比也因此比塔式熱發(fā)電低，通常為10～100之間，一般在50左右；工作溫度也僅為400℃左右。

槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)比較成熟，目前已取得了大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)的能力。截至2009年全球在運(yùn)的光熱發(fā)電站中，有88%的項(xiàng)目是槽式熱發(fā)電站，在建的光熱發(fā)電站項(xiàng)目中占了97.5%。

不過(guò)槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)也還存在一些問(wèn)題，特別是核心部件高溫真空管還存在一些技術(shù)缺陷，涂層材料以及涂裝工藝、玻璃金屬封接工藝都還有待改進(jìn)，金屬內(nèi)管熱膨脹帶來(lái)的安全隱患也必須有解決方法。特別是槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中的聚光器只能收集直射光線，為了獲得更多的太陽(yáng)輻射能量，就必須采用跟蹤裝置調(diào)節(jié)聚光器和入射光線的角度。聚光器固定在槽式反射鏡上一起運(yùn)動(dòng)造成裝置笨重、反射鏡大鏡結(jié)構(gòu)造成風(fēng)阻很大，抗風(fēng)能力很差，因此必須改進(jìn)支撐結(jié)構(gòu)［7－10］。另外，集熱器中的集熱管內(nèi)管為金屬管，外管為玻璃管，由于兩者線膨脹系數(shù)不同，使集熱管隨著溫度的變化不斷的熱脹冷縮，會(huì)造成真空玻璃管泄漏甚至破裂。

加強(qiáng)核心部件的技術(shù)研發(fā)、工藝改進(jìn)將是今后提高槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電效率、降低成本的關(guān)鍵，也將成為推動(dòng)槽式太陽(yáng)能發(fā)展的重要?jiǎng)恿Α?/p>

3 碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)

碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)是太陽(yáng)能熱發(fā)電中光電轉(zhuǎn)換效率最高的一種方式。該系統(tǒng)由聚光器、接收器、熱機(jī)、支架、跟蹤控制系統(tǒng)等組成，運(yùn)行時(shí)利用旋轉(zhuǎn)拋物面的碟式聚光器將太陽(yáng)聚焦到安裝在拋物面焦點(diǎn)的接收器上，接收器內(nèi)的傳熱工質(zhì)受熱溫度和壓力升高，推動(dòng)熱機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。圖3是碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置的現(xiàn)場(chǎng)照片。

圖3 碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電裝置

該系統(tǒng)采用的是高效的旋轉(zhuǎn)拋物面蝶式聚光器，聚光比可以達(dá)到3 000以上，因此接收器的吸熱面積可以做得很小，接收溫度達(dá)800℃以上。碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電的效率非常高，最高效率可達(dá)29.4%，并且單機(jī)容量可以做得較小，一般在5～25kW之間，非常適合建立分布式能源系統(tǒng)，特別適合應(yīng)用在農(nóng)村或一些偏遠(yuǎn)地區(qū)。但是碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電造價(jià)昂貴，目前的建設(shè)成本高達(dá)4.7～6.4萬(wàn)元／kW，高于塔式和槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電的建設(shè)成本。碟式系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)是聚光比高、接收器可以達(dá)到2 000℃的高溫，但是目前還沒(méi)有一種材料可以在這么高的溫度下工作，而且高溫?zé)崮艿膬?chǔ)存困難，采用熱熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)不安全而且造價(jià)高，因此接收器一般并不放在焦點(diǎn)上，碟式系統(tǒng)的高聚光度的優(yōu)點(diǎn)實(shí)際上并不能得到充分的發(fā)揮。

碟式熱發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單操作方便，還可以做成小型微型裝置作為太空裝備的電源。今后的研究方向主要是提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和降低系統(tǒng)發(fā)電成本［11－14］。

4 聚焦式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)的比較

三種聚焦式太陽(yáng)能熱發(fā)電方式各有優(yōu)點(diǎn)：塔式太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)聚光比和運(yùn)行溫度高、系統(tǒng)容量大和熱轉(zhuǎn)換效率高，適合大規(guī)模發(fā)電；槽式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)較為成熟，最早進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)行。碟式太陽(yáng)能發(fā)電熱效率最高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便，非常適合分布式小規(guī)模發(fā)電系統(tǒng)。但是塔式太陽(yáng)能發(fā)電由于建設(shè)成本過(guò)高，始終無(wú)法大規(guī)模投入商業(yè)化運(yùn)行。槽式太陽(yáng)能發(fā)電聚光比小、工作溫度低，核心部件真空管技術(shù)尚未成熟、吸收管表面選擇性涂層性能不穩(wěn)定，阻礙了它的推廣。碟式發(fā)電系統(tǒng)最適合與斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)配套使用，但是目前斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)還不成熟。表1給出了三種太陽(yáng)能熱發(fā)電的基本參數(shù)比較，表2列出了三種發(fā)電方式的優(yōu)缺點(diǎn)［15－20］。

表1 三種太陽(yáng)能熱發(fā)電的基本參數(shù)比較

表2 三種太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)

對(duì)于當(dāng)前太陽(yáng)能發(fā)展存在的難點(diǎn)，鄭建濤等人提出了4個(gè)優(yōu)化方案。

1）塔式和槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的組合取長(zhǎng)補(bǔ)短提高槽式系統(tǒng)的導(dǎo)熱介質(zhì)溫度，彌補(bǔ)塔式系統(tǒng)的高塔建設(shè)和控制困難的缺陷。

2）與輔助燃煤（燃?xì)猓┮惑w化 用太陽(yáng)能熱量來(lái)輔助加熱鍋爐給水，避免獨(dú)立太陽(yáng)能發(fā)電需要儲(chǔ)熱運(yùn)行的缺點(diǎn)。

3）太陽(yáng)能光伏發(fā)電和光熱發(fā)電的聯(lián)合 光伏電池的工作溫度上升將導(dǎo)致發(fā)電效率下降，在電池板背面敷設(shè)冷卻通道，利用冷卻工質(zhì)冷卻光伏電池可以提高電池的效率，冷卻工質(zhì)帶走的熱量可以采用低溫?zé)嵩窗l(fā)電技術(shù)發(fā)電，綜合效率要比單一的光伏發(fā)電高。

4）太陽(yáng)能熱發(fā)電的就地利用 例如根據(jù)當(dāng)?shù)氐男枰獙⑻?yáng)能熱發(fā)電與制氫和海水淡化相結(jié)合，避免電能輸送帶來(lái)的困難和損失。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)的進(jìn)步，太陽(yáng)能熱發(fā)電的可行性和發(fā)展?jié)摿σ呀?jīng)得到了普遍的認(rèn)可，我國(guó)政府也非常關(guān)注太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，特別是我國(guó)已經(jīng)把太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展納入到“十二五”規(guī)劃中，要求進(jìn)一步發(fā)展具有知識(shí)產(chǎn)權(quán)的多種太陽(yáng)能集成與并網(wǎng)運(yùn)行技術(shù)，開(kāi)展多塔超臨界太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)的研究，實(shí)現(xiàn)300MW超臨界太陽(yáng)能熱發(fā)電機(jī)組的商業(yè)應(yīng)用［21－26］。近年來(lái)有關(guān)部門投入了大量的人力物力，太陽(yáng)能熱發(fā)電的研究開(kāi)發(fā)也取得了大量成果?！笆濉逼陂g，我國(guó)研制的3臺(tái)直徑5m的太陽(yáng)能聚光器，聚光器焦點(diǎn)處的溫度已經(jīng)達(dá)到約1 600℃，設(shè)備的技術(shù)及經(jīng)濟(jì)指標(biāo)上已經(jīng)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平；2003年8月建成的第一套設(shè)備正常運(yùn)行至今。在這一個(gè)項(xiàng)目中采用了多項(xiàng)自主創(chuàng)造的先進(jìn)技術(shù)，例如采用太陽(yáng)位置式、軌道鏈傳動(dòng)式和雙蝸輪均力式等傳動(dòng)方式、高反射率旋三維跟蹤技術(shù)和設(shè)備姿態(tài)高精密度控制傳動(dòng)技術(shù)，聚光系統(tǒng)精度達(dá)到±0.2°；采用了蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)拋物面反射鏡制備技術(shù)，聚光器的反射率超過(guò)94%；采用低能耗傳動(dòng)技術(shù)，設(shè)備運(yùn)行的電耗小于4W；采用高密度熱流傳熱技術(shù)，吸熱器能在超高熱流密度下正常工作，熱效率不小于91%。我國(guó)研制的采光口開(kāi)口寬度為2.5m的槽式聚光器，單向拋物反射面反射器采用復(fù)合蜂窩技術(shù)，成為具有超輕型結(jié)構(gòu)的反射面，解決了使用平面玻璃制作曲面鏡的難題，并采用了液壓傳動(dòng)方式，可以在沙漠中運(yùn)行?！?63”國(guó)家重大項(xiàng)目“太陽(yáng)能塔式發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)研究及系統(tǒng)示范”項(xiàng)目，規(guī)劃在北京延慶縣建造一座我國(guó)第一座也是亞洲第一座1MW太陽(yáng)能塔式熱電站，目前已取得階段性成果。

太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)是極具發(fā)展?jié)摿蛷V闊市場(chǎng)前景的一項(xiàng)新能源應(yīng)用技術(shù)，也是太陽(yáng)能利用中最經(jīng)濟(jì)的方式之一。在國(guó)家政策的支持下，選擇研發(fā)適合我國(guó)國(guó)情的太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)，以加快太陽(yáng)能發(fā)電的規(guī)模性利用，用陽(yáng)光經(jīng)濟(jì)推動(dòng)能源革命，這對(duì)改變我國(guó)的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

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