太阳能光热发电技术的应用与发展

懒虫

太阳能是一种用之不尽、取之不竭的清洁能源，在能源与环境问题日趋严峻的今天，很多国家都对太阳能发电技术进行了研究和实践，并取得了一些成果。太阳能光热发电是太阳能利用的一种有效方式，目前有槽式、碟式和塔式三种典型的太阳能光热发电方式。比之传统的火力发电方式，太阳能有其环保的优势，但是也存在一些问题需要去克服。随着人类对清洁能源的需求太阳能发电技术将会得到更加深入的发展。

关键词：太阳能光热发电 CPS 塔式发电 碟式发电 槽式发电 应用 发展趋势

1.太阳能热发电技术概述  

能源与环境问题是当今世界面临的两个重要问题，随着化石能源的日趋枯竭，一次能源的利用成本也不断增加，由于大量的燃烧矿石燃料，使环境问题日益严重，温室效应、空气污染越来越引起人们的重视。近年来一些可再生能源受到了人们的推崇，为各国所重视。太阳能是一种取之不尽、用之不竭的清洁能源，利用太阳能直接发电是缓解甚至解决能源问题的一种有效方式，世界各国也都在做积极的努力，已经有很多太阳能发电项目投入运行，太阳能发电技术在未来有着广阔的发展前景。

太阳能是太阳通过辐射的方式想宇宙空间释放的能量，人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太阳。正是各种植物通过光合作用把太阳能转变成化学能在植物体内贮存下来。煤炭、石油、天然气等化石燃料也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代形成的。它们实质上是由古代生物固定下来的太阳能。此外，水能、风能、等也都是由太阳能转换来的。地球轨道上的平均太阳辐射强度为1369W/ m2。地球赤道的周长为40000km，从而可计算出，地球获得的能量可达173000TW。在海平面上的标准峰值强度为1kW/m2，地球表面某一点24h的年平均辐射强度为0.20kW/m2，相当于有102000TW 的能量，人类依赖这些能量维持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源（地热能资源除外），虽然太阳能资源总量相当于现在人类所利用的能源的一万多倍，但太阳能的能量密度低，而且它因地而异，因时而变，这是开发利用太阳能面临的主要问题。太阳能的这些特点会使它在整个综合能源体系中的作用受到一定的限制。

2.太阳能光热发电方式的类型和应用

作为一种广泛的清洁能源，太阳能有很多利用方式。太阳能发电、太阳能热水器、太阳能采光采暖、太阳能干燥等，其中太阳能光热发电也叫聚焦型太阳能热发电（ConcentratingSolar Power，简称CSP），可以大规模集中利用太阳能的方式，是一种解决能源问题的有效途径。

太阳能热发电技术就是利用光学系统聚集太阳辐射能，用以加热工质，生产高温蒸汽。驱动汽轮机组发电，简称光热发电技术。他与光伏发电相比，具有效率高、结构紧凑、运行成本低等优点。

根据聚光方式的不同，光热发电技术可分为三种方式：塔式太阳能热发电、槽式太阳能热发电和碟式太阳能热发电技术。三种聚光集热方式的不同在数量上的直接体现就是聚光比的不同。聚光比即吸收体的平均能流密度和入射能流密度之比。这三种方式都可以大致地分为太阳能集热系统、热传输和交换系统、发电系统三个基本系统。但是因为他们各自聚光比不同，导致能够达到的集热温度也不同，所以三种聚光方式对应的三个组成系统也有不同程度的差异。

2.1 槽式聚光发电系统

槽式聚光是利用抛物线的光学原理，聚集太阳辐射能。抛物线纵向延伸形成的平面称为抛物面，它能将平行于自身轴线的太阳辐射汇聚到一条线（带）上，提高能量密度，易于利用。在这条太阳辐射汇集带上布置有集热管，用来吸收太阳能，并将其转化为热能。目前的集热管一般为真空式玻璃集热管。集热管由外部的玻璃管和内部的西热管构成，两管之间空隙抽真空阻止热量损失。吸热管有不锈钢制成，内部有工质流动，在不锈钢管的表面涂有黑色的吸热薄膜，薄膜对太阳光有较高的吸率，同时在红外波普段有较低的发射率，这样就能够有效地吸收太阳能。这种聚光系统还需要设置控制系统来适应太阳能光在一天中角度的变化。槽式聚光吸热系统将太阳能转化为集热管内导热流体的热能，燃后用高温工质去加热给水产生蒸汽去冲转汽轮机发电。槽式太阳能聚光系统的聚光比为20到80，以油为导热流体的聚热温度最高为300到400℃，以混合硝酸盐为导热流体最高能使集热温度达到550℃，后者对于提高发电效率而言更具有优势，但是总的发电效率还是较低。另外，为了克服太阳能在时间上分布不均的特点，还要设置蓄热系统，或者是用其他燃料作为补充调整。

从20世纪八十年代开始，世界上很多国家都开展了槽式太阳能聚光发电系统的研究和建设。下图列出了一些著名的槽式太阳能发电站。

目前，美国、以色列、澳大利亚、德国等国家是太阳能利用大国，也是槽式太阳能热发电技术强国。 其中美国鲁兹LUZ公司是槽式太阳能热发电技术应用的典范，在1985~1991年间，美国在南加州先后建成9座槽式太阳能热发电站，总装机容量353.8 MW。2010年10月，美国政府批准在加利福尼亚州南部沙漠地区建设一个名为“布莱斯太阳能项目”的新能源项目,这是在美国公共土地上实施的规模最大的太阳能发电项目。“布莱斯太阳能项目”规划建设地点位于加州布莱斯地区附近的莫哈韦沙漠内,项目占地2833公顷,耗资60亿美元,建成后将拥有1000兆瓦发电能力。预计2011年底到2012年投入发电。

和发达国家相比较，目前我国在这方面还相对落后，直到2010年初，槽式太阳能热发电系统成套设备核心技术，由北京中航通用公司与中科院工程热物理研究所、华北电力大学合作研发成功，实现了曲面聚光镜从技术到生产的完全国产化。2010年8月10日，我国首个太阳能槽式发电项目首个生产基地奠基仪式在沅陵县城郊举行。该项目突破了聚光镜片、跟踪驱动装置、线聚焦集热管3项核心技术，我国是继美国、德国、以色列之后的全部技术国产化的国家。

2.2 碟式太阳能发电系统

碟式太阳能热动力发电系统的采用碟式聚光这种形式，碟式聚光系统的太阳辐射反射面布置成碟（盘）形，聚光比可以达到3000以上，因此能在焦点处产生很高的温度，比其它两种热发电方式的聚光温度都要高，运行温度能够达到750-1500℃，因此它可以达到最高的热机效率。

（麦道公司开发的玻璃小镜面聚光器）

碟式太阳能发电系统包括聚光器、接收器、热机、支架、跟踪控制系统等主要部件。系统工作时，从聚光器反射的太阳光聚焦在接收器上，太阳能被热机转化为热机内部工作介质的内能，使介质温度升高，即可推动热机运转，并带动发电机发电。

不同于槽式发电系统，碟式太阳能发电系统的热电转化装置主要采用斯特林机作为原动机。自由活塞斯特林机时一种活塞式外燃机，在汽缸内有一个配齐活塞和一个动力活塞。汽缸侧壁连接配齐活塞上下室的旁路，循环工质通过旁路交替运动到配气活塞的上室和下室。上室和热源交换器耦合，将吸热其的热量传递给工质，工质受热膨胀推动动力活塞做工，输出功率。下室通过中间介质回路把余热传递给回热器，工质通过旁路往复流动完成循环。斯特林热机最高的热电转换效率可达40%。

太阳能辐射随天气变化很大，所以热点转换装置发出的电力不是很稳定，不能直接提供给用户，需要经过一系列处理之后才能输出220V的工频电。和槽式太阳能发电系统一样，也需要有储能装置、蓄电池和补充能源。

与槽式太阳能聚光发电方式相比，碟式聚光发电方式还没用投入到商业应用，暂时处在示范实施阶段。国外已有多座碟式太阳能热发电站或示范系统建成并成功运行。美国、西班牙、德国等国家分别建立了从 9~25 kW 的发电系统并且

成功运行 。

我国太阳能资源丰富 ,从上世纪 70 年代末就已经开始对太阳能的热利用进行研究 ,但主要研究方向为太阳能供热。中国科学院电工研究所针对碟式太阳能热发电系统中的聚光器和跟踪控制系统进行了研究,并且建立了碟式太阳能热发电试验系统;中国科学院工程热物理所对用于碟式太阳能热发电系统的直接照射式接收器进行了一些模拟试验研究 ,分析了其热性能的影响因素。

总的来说碟式集热发电方式还处在初期阶段，但是因为其效率较高，所以很多国家都比较重视，积极开展相应的研究活动。

2.3 塔式太阳能发电系统

塔式太阳能发电系统由定日镜群、接收器、蓄热槽、主控系统和发电系统5个部分组成。在地面上布置大量的定日镜,一种自动跟踪太阳的球面镜群.在这一群定日镜中的适当位置建立一座高塔,高塔顶上安装接收器.各定日镜均使太阳光聚集成点状,集中射到锅炉上,使接收器的传热介质达到高温,并通过管道传到地面上的蒸汽发生器,产生高温蒸汽,由蒸汽驱动汽轮发电机组发电.

接受器是塔式太阳能发电系统的重要组成部分，根据采用的导热介质的不同，目前可以分为外部受光型和空腔型。

外部受光型接受器的一些技术类似于太阳能集热管，但是它的工作温度非常高，体积也很庞大。，这种接收器可四周受光，多用在大型太阳能系统中，其缺点是热管直接暴露而产生热量散失。能否像普通集热器那样加上玻璃外套，事实上很困难，因为接收器体积太大。

空腔型即腔体式接收器，用耐高温材料制成的空腔，空腔一面开口装有透光好、耐高温的石英玻璃，腔内壁有金属网以增大吸热与交换面积。封闭的内腔似绝对黑体，吸热性能很好，会聚的阳光透过石英玻璃窗口能在腔内产生很高温度，传热的工作介质（一般用高压空气）通过腔内被加热成1000多度的高温气体输出。由于腔体有保温层，故热损失小，空气价格又便宜，但空气热容量小、导热系数低，如何高效传热是主要的技术问题。腔体式接收器多是只有一面开窗的，故接受阳光的角度是有限的，一般不超过120度。

  Google投资了一个世界上最大的塔式太阳能发电站项目。这个太阳能塔建在美国加州东南部的莫哈韦(Mojave)沙漠，占地3600英亩 （14.6平方公里）。艾文帕太阳能电力采集系统（ISEGS）将放置173000个反光镜，将阳光聚焦到一个大约137米高的太阳能塔上。这个发电厂在2010年10月开始建造，预计在2013年竣工后装机容量39.2万千瓦。我国在太阳能塔式发电项目上也有所发展。北京延庆八达岭兴建的亚洲第一座塔式太阳能热发电站，是中科院太阳能热发电技术及系统示范项目，是国家科技部“十一五”863重点项目，于2006年立项、2008年获得发改委批准，主要目标是研究太阳能塔式热发电关键技术，建立太阳能热发电实验系统和实验平台，探索高效能、大规模、低成本商业化电站的技术途径，为我国太阳能热发电技术的研究和发展奠定基础。
2.4 三种光热发电方式的比较

槽式发电系统技术上最为成熟，且其跟踪机构比较简单，易于实现，总体成本最低，随着技术的发展，槽式发电系统的建造费用由5 976美元/kW降低到3 011美元/kW, 发电成本由26.3美分/kW·h降低到12美分/kW·h，在2020年其发电成本有望达到约4美分/kW·h，基本相当于火力发电成本。

碟式发电系统相对复杂，并且投资较高，在目前要实现大规模的商业化应用还比较难。而塔式发电系统由于技术改进，可能会大幅地降低成本，并且能够实现大规模地应用，所以发展潜力非常巨大。

3.太阳能热发电技术的发展趋势

为了应对矿石燃料日益减少带来的能源危机，减少碳排放量，保护环境，世界各国都开展了可再生能源技术的研究和应用，包括太阳能、风能、潮汐能、地热能、水能、生物质能等，其中太阳能是可再生能源的重要组成部分，因其限制条件较少，易于实施应用，能够实现大容量发电等技术优势，太阳能在未来将有广阔的发展前景。国际能源署（IEA）下属的SolarPACES、欧洲太阳能热能发电协会（ESTELA）和绿色和平组织的预测认为CSP到2030年在全球能源供应份额中将占3%-3.6%，到2050年占8%-11.8%，这意味着到2050年CSP装机容量将达到830GW，每年新增41GW。

目前，影响太阳能热发电技术大规模应用的因素是其成本较高，这要求技术进步，包括研究新材料，新的集热系统技术等。

据美国能源部主持的研究结果表明：在大规模发电方面，塔式太阳能发电将是所有太阳能发电技术中成本最低的一种。据预测，到2020年，其发电成本大约为每度5美分，具有很强的市场竞争力。这从上面提及的Google 2010年投巨资资的建造的塔式太阳能发电厂就可看出美国对此种发电技术的推崇。

总得来说太阳能热发电技术将会向着低成本、大规模的方向快速发展。将在人类未来的能源结构中占有举足轻重的地位。

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