徐 偉，楊 帆，劉靜靜，繆晨陽(yáng)

（東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院太陽(yáng)能研究中心，南京 210096）

新能源技術(shù)

槽式拋物面太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與探討

徐 偉，楊 帆，劉靜靜，繆晨陽(yáng)

（東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院太陽(yáng)能研究中心，南京 210096）

介紹了太陽(yáng)能聚光熱發(fā)電技術(shù)的基礎(chǔ)，闡述了槽式拋物面太陽(yáng)能熱發(fā)電的基本原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并介紹了槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀。結(jié)合我國(guó)的國(guó)情，探討了槽式拋物面太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)未來(lái)發(fā)展的主要問(wèn)題，并嘗試給出了相應(yīng)的解決對(duì)策。

太陽(yáng)能熱發(fā)電；槽式拋物面；聚光

可再生能源系統(tǒng)是基于有效利用當(dāng)?shù)刭Y源和網(wǎng)絡(luò)，可以看作是一個(gè)有效的、可靠的、環(huán)保的能源系統(tǒng)。根據(jù)《BP世界能源統(tǒng)計(jì)年鑒2013》可知：全球?qū)τ谝淮文茉葱枨笤诳傮w上來(lái)說(shuō)都是呈上升趨勢(shì)。

雖然傳統(tǒng)燃煤發(fā)電是目前解決電力供需問(wèn)題最主要且最重要的對(duì)策；但是伴隨著全球人口快速增長(zhǎng)，電力需求亦不斷增長(zhǎng)，而煤炭?jī)?chǔ)存量卻逐年減少。地球上的沙漠在6h內(nèi)接收到的太陽(yáng)輻射能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)整個(gè)地球上的人口在一年內(nèi)所消耗的能量，只需利用接收到的這一部分太陽(yáng)能就能滿(mǎn)足全世界的電力需求。

1 太陽(yáng)能的利用

表1為太陽(yáng)能熱發(fā)電未來(lái)的情況預(yù)測(cè)。

表1 太陽(yáng)能聚光熱發(fā)電的情況預(yù)測(cè)

聚集太陽(yáng)光并將其轉(zhuǎn)化為工作流體的高溫?zé)崮?，通過(guò)常規(guī)的熱機(jī)或其他發(fā)電技術(shù)將其轉(zhuǎn)換成電能的技術(shù)稱(chēng)之為太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)［1］。根據(jù)工作原理的不同，太陽(yáng)能熱發(fā)電機(jī)一般主要分為塔式、碟式以及槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電。表2給出了三種太陽(yáng)能熱發(fā)電的基本參數(shù)。

表2 三種太陽(yáng)能熱發(fā)電方式的比較

2 槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電

2．1 系統(tǒng)概述

槽式拋物面太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)具有緊湊的結(jié)構(gòu)，且制造集熱裝置所需構(gòu)件形式不多，因而容易實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。槽式拋物面太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)已經(jīng)被證明是最成熟和最低成本的太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)，其發(fā)電站也是目前所有太陽(yáng)能熱發(fā)電試驗(yàn)電站中功率及年效率最高的。美國(guó)和歐洲已經(jīng)投入的商業(yè)項(xiàng)目每年為其國(guó)內(nèi)電網(wǎng)提供可觀的電力。

槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)總共有兩種形式［2］：雙回路系統(tǒng)和單回路系統(tǒng)。槽式拋物面太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的工作原理見(jiàn)圖1。太陽(yáng)能集熱場(chǎng)采用單軸對(duì)日跟蹤系統(tǒng)的集熱器陣列，每一個(gè)集熱器組裝有拋物面型反射鏡。首先太陽(yáng)光被反射鏡匯聚在焦線上，然后安裝在焦線上的吸熱管吸收聚焦后的太陽(yáng)輻射能，并通過(guò)換熱介質(zhì)將熱量輸送到過(guò)熱蒸汽發(fā)生器中，從而推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電［3］。

圖1 槽式拋物面太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)示意圖

槽式拋物面太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵部分由三部分構(gòu)成：蓄熱系統(tǒng)、蒸汽產(chǎn)生系統(tǒng)、高溫真空管集熱器。典型蓄熱系統(tǒng)有兩種形式：一是傳熱介質(zhì)和儲(chǔ)熱材料均為熔融鹽，沒(méi)有中間換熱；另一種是采用熔融鹽液作為顯熱儲(chǔ)存材料，合成油作為傳熱介質(zhì)，它們之間有換熱器。整個(gè)熱發(fā)電系統(tǒng)的核心部件是高溫真空管集熱器。槽式拋物面太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的集熱器主要是由真空集熱管和拋物面反射板組成。槽式聚光集熱器具有整體投資較少、經(jīng)濟(jì)效益好、聚光比小、集熱溫度較高等優(yōu)點(diǎn)，因而容易實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。槽式拋物面太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)采用的聚光器是拋物面反射鏡。聚光器的好壞不僅與自身制造精度有關(guān)，還與跟蹤裝置有關(guān)。當(dāng)太陽(yáng)在空中不斷移動(dòng)的時(shí)候，地面上的槽式太陽(yáng)能集熱器就圍繞著固定方向的水平軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)跟蹤。為了盡可能降低整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的能耗，從而減少能源消耗，整個(gè)跟蹤系統(tǒng)采用閉環(huán)控制；同時(shí)旋轉(zhuǎn)軸必須位于集熱器重心位置，從而使對(duì)日跟蹤精度達(dá)到±0．1°。

2．2 DSG技術(shù)原理

Cohen和Kearney于1994年提出直接蒸汽產(chǎn)生（Direct Steam Generation，DSG）技術(shù)，認(rèn)為是提高槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)效率的最佳選擇。不僅是因?yàn)閯?dòng)力模塊和集熱場(chǎng)之間不需要換熱而減少了換熱損失，而且采用了DSG技術(shù)可以使得集熱工質(zhì)達(dá)到更高溫度，使得凈效率被顯著提高到13%［4］。

DSG集熱系統(tǒng)通常分成三種類(lèi)型：一次通過(guò)類(lèi)型、再循環(huán)類(lèi)型、注入給水類(lèi)型。圖2分別是這三種類(lèi)型的示意圖。一次通過(guò)類(lèi)型主要是在一個(gè)通道中產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽，原理簡(jiǎn)單但是對(duì)流動(dòng)的蒸汽狀態(tài)控制難度較大；再循環(huán)類(lèi)型是產(chǎn)生濕蒸汽，相對(duì)于一次通過(guò)類(lèi)型系統(tǒng)也會(huì)變得復(fù)雜；而注入給水類(lèi)型是為了控制吸收管上蒸汽質(zhì)量和流動(dòng)穩(wěn)定性，系統(tǒng)復(fù)雜性提高的同時(shí)也增加了成本。

圖2 DSG三種類(lèi)型示意圖

2．3 國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2．3．1 國(guó)外

目前，槽式拋物面太陽(yáng)能熱發(fā)電電站幾乎占據(jù)了太陽(yáng)能熱發(fā)電電站裝機(jī)容量的90%，也是目前所有太陽(yáng)能熱發(fā)電試驗(yàn)電站中功率及年效率最高的電站。截止2011年初，全世界一共有29座槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電電站在運(yùn)行，總裝機(jī)容量為1 220MW，大約占到了聚光太陽(yáng)能發(fā)電（Concentrating Solar Power，CSP）電站的96．3%。

2009年，裝機(jī)容量為50MW的Andasol 1在西班牙Andalucia正式竣工，是歐洲第一個(gè)運(yùn)行的槽式太陽(yáng)能電站，預(yù)計(jì)年發(fā)電量179GW·h。太陽(yáng)能集熱場(chǎng)年平均效率估計(jì)約43%，整個(gè)電站效率約16%。2010年，一座5MW Archimede ENEA槽式電站在意大利西西里島建成，熔融鹽作為循環(huán)工質(zhì)和儲(chǔ)熱介質(zhì)，而且使用的是世界上較為先進(jìn)的ENEA太陽(yáng)能聚光器［5］。2011年11月，一座1 000MW的熱發(fā)電系統(tǒng)正式建成［4］。2012年11月7日，西班牙Abengoa集團(tuán)宣布開(kāi)始在南非建設(shè)100MW的KaXu Solar One槽式光熱發(fā)電項(xiàng)目。表3是近年來(lái)部分國(guó)外槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目的一些基本信息。

表3 國(guó)外部分槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目

Laing［6］通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了一座位于西班牙帶有蓄熱系統(tǒng)的DSG槽式熱發(fā)電系統(tǒng)，結(jié)果表明：混凝土存儲(chǔ)單元放電容量約為250kW·h，而相變材料（Phase Change Material，PCM）存儲(chǔ)單元的放電容量約為720kW·h。在恒定壓力模塊中，放電率峰值超過(guò)700kW；而在滑壓模塊中，幾乎整個(gè)充電和放電周期的熱流率都為定值。Jones S A等［7］利用TRNSYS搭建一個(gè)30MW的SEGSⅥ槽式拋物面熱發(fā)電系統(tǒng)，然后對(duì)太陽(yáng)能和動(dòng)力模塊性能進(jìn)行模擬分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：模型預(yù)測(cè)和實(shí)際運(yùn)行結(jié)果有著很高的一致性，誤差通常小于10%；同時(shí)也對(duì)瞬態(tài)行為比如啟動(dòng)、關(guān)閉和云響應(yīng)進(jìn)行了充分模擬。Pang H等通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的軟件分析了PTC系統(tǒng)（混合太陽(yáng)能拋物面槽式聚光器）在不同氣候條件、不同系統(tǒng)配置和負(fù)載條件下能源輸出、損失和系統(tǒng)各部分效率。Poullikkas A［8］對(duì)在Mediterranean地區(qū)建立拋物槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電站進(jìn)行了可行性分析，考慮了諸如電站容量、成本投資等參數(shù)，并采用了參數(shù)化的成本-效益分析，預(yù)測(cè)電站的容量因子為39%，年發(fā)電量為86．5GW·h。

Al－Nasser A M［9］采用Duffi和Beckman的方法對(duì)Jubail的一個(gè)裝機(jī)容量為50MW的拋物槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電站模型進(jìn)行了性能分析，通過(guò)采用經(jīng)濟(jì)學(xué)方法得到電站的平準(zhǔn)化電力成本（Levelized Cost of Electricity，LCOE）為0．107美元／（kW·h）。Montes M J等［10］分析了太陽(yáng)能互補(bǔ)的聯(lián)合循環(huán)（Integrated Solar Combined Cycle，ISCC）系統(tǒng)和傳統(tǒng)的聯(lián)合循環(huán)燃?xì)獍l(fā)電（Combined Cycle Gas Turbine，CCGT）系統(tǒng)太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)對(duì)于工作在炎熱和干燥環(huán)境條件下燃?xì)饴?lián)合循環(huán)系統(tǒng)性能的貢獻(xiàn)，以評(píng)估這種技術(shù)發(fā)展的潛力。利用TRNSYS模擬兩個(gè)系統(tǒng)全年運(yùn)行情況之后發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)CCGT在Almería比Las Vegas年發(fā)電量更大，前者為1 857．43GW·h，后者為1 845．9GW·h。最后通過(guò)經(jīng)濟(jì)性分析發(fā)現(xiàn)，Las Vegas的ISCC系統(tǒng)的LCOE遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Almería。在Las Vegas，ISCC系統(tǒng)的LCOE小于CCGT，而在Almería，ISCC系統(tǒng)的LCOE卻是較大值。

Abbas M等［11］利用SAM軟件分別評(píng)估四個(gè)位于阿爾及利亞氣候條件下的相同配置的100 MW槽式拋物面太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)。通過(guò)綜合系統(tǒng)的性能、成本和財(cái)務(wù)模型計(jì)算出四個(gè)系統(tǒng)年能量輸出分別是415GW·h、376．6GW·h、223GW·h和261．8GW·h。

2．3．2 國(guó)內(nèi)

相對(duì)于國(guó)外槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)的快速進(jìn)步，我國(guó)在這方面的研發(fā)就顯得非常落后。2011年5月，我國(guó)第一個(gè)太陽(yáng)能熱發(fā)電工程項(xiàng)目鄂爾多斯50MW槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電電站，完成特許權(quán)示范招標(biāo)。電站采用槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)，年發(fā)電量1．2×108kW·h。2011年10月，亞洲首個(gè)槽式ISCC發(fā)電站在寧夏回族自治區(qū)開(kāi)工建設(shè)，電站年發(fā)電量約3．04×108kW·h。

楊勇平等［12－13］在考慮太陽(yáng)能熱發(fā)電子系統(tǒng)本身特性和對(duì)燃煤機(jī)組整體特性影響前提下，建立了綜合集成優(yōu)化模型，并對(duì)其中發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析，結(jié)果表明：考慮CO2減排帶來(lái)的環(huán)境效益后，這種方案的最終LCOE為0．098美元／（kW·h），大約比單純太陽(yáng)能熱發(fā)電方式低0．14美元／（kW·h）。曲航等［14］利用TRNSYS模擬了35MW槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)在奈曼和拉薩兩地全年運(yùn)行情況，結(jié)果表明：兩個(gè)系統(tǒng)年發(fā)電量相差78．5%，前者年發(fā)電量為37 271．10MW·h。趙坤［15］建立了槽式太陽(yáng)能Kalina循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并且優(yōu)化計(jì)算了主要參數(shù)，并在模擬分析了整個(gè)系統(tǒng)熱經(jīng)濟(jì)性后發(fā)現(xiàn)：1MW Kalina循環(huán)系統(tǒng)熱效率為25．6%，比Rankine循環(huán)高約8%。李獻(xiàn)偶等［16］使用SAM對(duì)在渾善達(dá)克沙地建造50MW槽式熱電站在不同條件下運(yùn)行狀況進(jìn)行了模擬。通過(guò)采用規(guī)模經(jīng)濟(jì)比例方程、年發(fā)電能力系數(shù)CF1及月發(fā)電能力系數(shù)CF2對(duì)電站經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析，結(jié)果表明：設(shè)計(jì)容量為50MW的電站上網(wǎng)電價(jià)可達(dá)到0．727元／（kW·h）。

陳志鵬等［17］采用數(shù)值計(jì)算的方法對(duì)一座無(wú)儲(chǔ)熱裝置的5MW槽式太陽(yáng)能DSG熱發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了全年穩(wěn)態(tài)運(yùn)行模擬，結(jié)果表明：系統(tǒng)主汽溫度在較低輻射強(qiáng)度下由于過(guò)熱段總有效吸熱量很少而較低；在較高輻射強(qiáng)度下，由于過(guò)熱段有效能增加的幅度不及蒸發(fā)量增加的幅度使得主汽壓力下降幅度較大。因此當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較低時(shí)，可以采取前移汽水分離器位置的措施來(lái)保證發(fā)電量；當(dāng)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度較高時(shí)，則可以降低給水流量從而穩(wěn)定主汽壓力。王貝［18］利用STAR－90仿真平臺(tái)搭建了1MW槽式太陽(yáng)能蒸汽發(fā)生器子系統(tǒng)模型并進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明：當(dāng)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)工況下穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，實(shí)際得到的工質(zhì)參數(shù)和設(shè)計(jì)值吻合度較高，說(shuō)明蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)模型具有較高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

3 槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)未來(lái)發(fā)展的探討

雖然槽式拋物面太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)是目前太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)中最為成熟的一部分，但是如果不能夠降低單位面積成本從而使其得到全面推廣，那么槽式拋物面太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)就不能夠發(fā)揮其固有的作用。所以有必要對(duì)槽式拋物面太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)開(kāi)展進(jìn)一步的研究，找出其存在的制約：

（1）外部因素制約。由于太陽(yáng)輻射能的強(qiáng)度難以準(zhǔn)確控制且隨機(jī)性較大，從而會(huì)導(dǎo)致槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電的正常運(yùn)行受到影響；太陽(yáng)能集熱場(chǎng)通常會(huì)占據(jù)很大的面積，而且這些土地通常不能夠和其他工程一起同時(shí)使用，從資源利用角度來(lái)說(shuō)這就是一種間接的浪費(fèi)。

（2）自身因素制約。熱發(fā)電系統(tǒng)需要大量管道，而當(dāng)前的技術(shù)又難以簡(jiǎn)化管道系統(tǒng)，使得熱損失一直較高，從而影響系統(tǒng)整體效率；系統(tǒng)部件絕熱問(wèn)題一直未能解決，導(dǎo)致熱損失不能有效減少；反射鏡結(jié)構(gòu)笨重，使得風(fēng)阻很大，降低了系統(tǒng)自身安全系數(shù)等；槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)上網(wǎng)電價(jià)一直在1元／（kW·h）以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他能源發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)，因而阻止了其進(jìn)一步的發(fā)展；同時(shí)如果把槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)出的電力送上電網(wǎng)，就會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，從而降低了電網(wǎng)的安全性。

相應(yīng)的解決對(duì)策為以下幾點(diǎn)：

（1）我國(guó)西北地區(qū)太陽(yáng)能資源非常豐富，年平均日照時(shí)間達(dá)2 800～3 300h，這些地區(qū)是比較適合建設(shè)大型槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電站。與此同時(shí)，不妨把槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合海水淡化系統(tǒng)，使得資源利用效率實(shí)現(xiàn)最大化。如果熱發(fā)電系統(tǒng)可以在西北地區(qū)得到推廣和應(yīng)用，那么可以直接解決區(qū)域能源資源短缺問(wèn)題，將創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)效益。

（2）在常規(guī)能源發(fā)電中，燃煤發(fā)電系統(tǒng)與槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)存在著許多互補(bǔ)性，比如燃煤發(fā)電機(jī)組的調(diào)整范圍比較大，從而間接降低了槽式太陽(yáng)能發(fā)電的成本，也提高了熱發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性；也可以嘗試與生物質(zhì)能組成復(fù)合系統(tǒng)發(fā)電，這種復(fù)合發(fā)電系統(tǒng)可以作為未來(lái)槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的一種選擇。

（3）常規(guī)槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)工質(zhì)為最高溫度可達(dá)400℃的導(dǎo)熱油。對(duì)于將來(lái)的槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)，可以采用DSG技術(shù)。采用DSG技術(shù)之后可以在減小環(huán)境壓力的同時(shí)簡(jiǎn)化熱發(fā)電系統(tǒng)的整體配置，同時(shí)提高蒸汽溫度等。

（4）傳統(tǒng)的跟蹤機(jī)構(gòu)提供的扭矩較小，且驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)角度的范圍受到限制，不適宜作為槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中聚光器的跟蹤驅(qū)動(dòng)?？梢圆捎酶邏弘p液壓缸推挽式驅(qū)動(dòng)作為聚光器驅(qū)動(dòng)的核心方法，不僅驅(qū)動(dòng)扭矩大，而且驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)角度范圍廣，配以伺服液壓控制系統(tǒng)可以達(dá)到很高跟蹤精度［19］。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)地域廣大，有著非常豐富的太陽(yáng)能資源。槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)是科學(xué)利用這些資源的最佳途徑之一。槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目如果能夠得到大規(guī)模的應(yīng)用，拉動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的同時(shí)可以拉動(dòng)相關(guān)地區(qū)經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)、增加當(dāng)?shù)貏趧?dòng)人口的就業(yè)率。發(fā)展槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)，既是實(shí)現(xiàn)電力供應(yīng)、環(huán)境保護(hù)的可持續(xù)發(fā)展，又是適應(yīng)當(dāng)今世界經(jīng)濟(jì)全球化的趨勢(shì)。

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Review and Discussion on Parabolic Trough Solar Power Systems

Xu Wei，Yang Fan，Liu Jingjing，Miao Chenyang
（Solar Energy Research Center，School of Energy and Environment，Southeast University，Nanjing 210096，China）

An introduction is being presented to the solar power generation technology，together with a description to the fundamental principle and structure of parabolic trough solar power systems，and with a review on development history and current research situation of the parabolic trough solar power generation technology．Main problems concerning future development of the parabolic trough solar power generation technology are discussed，to which corresponding countermeasures are proposed．

solar thermal power generation；parabolic trough；concentration

TK514

A

1671－086X（2015）01－0074－05

2014－04－23

徐 偉（1989—），男，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)樘?yáng)能熱利用。E－mail：xw201324@163．com