太阳能热发电技术及最新进展.docx

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太阳能热发电技术及最新进展

太阳能热发电技术及最新进展

太阳能热发电技术及最新进展

摘要本文扼要概述太阳能热发电系统的基本概念,提出聚光型和非聚光型的系统分类方法。

太阳能聚光型发电系统分为塔式、槽式和碟式，非聚光型太阳能热发电系统包括太阳能热气流与太阳能热池等发电系统。

文章还根据“大容量—高参数—长周期一储热低成本”的太阳能热发电系统未来的技术发展方向，简单介绍了太阳能热发电的关键技术，包括聚光镜、吸热器、跟踪系统、储热材料、太阳能热机等。

关键词太阳能热发电；系统分类；关键技术

SolarThermalPowerGenerationTechnologyandTheLatestProgress

Abstract:

Thisarticlebrieflysummarizedthebasicconceptofsolarthermalpowergenerationsystem,puttingforwardsystemclassificationmethodaboutconcentratingandnon-concentratingsystem.Concentratingsolarpowergenerationsystemcanbedividedintotower,troughtypeandplatetype.Non-concentratingsolarthermalpowergenerationsystemconsistsofsolarthermalpowergenerationsystemandsolarthermalpool,etc.Accordingtothefuturedevelopmentdirectionofthesolarthermalsystemtechnology－－"largecapacity,highparameters,longperiodandlowcost"，thearticlealsosimplyintroducesthekeytechnologyofsolarthermalpowergeneration,includingcondenser,heatabsorber,trackingsystem,heatstoragematerial,solarheatengine,etc.

Keywords:

solarthermal;systemclassification;keytechnology

前言

太阳能资源丰富，分布广泛，开发利用前景广阔。

太阳能发电作为太阳能利用的重要方式，已经得到世界各国的普遍关注。

近几年，太阳能发电技术进步很快，产业规模持续扩大，发电成本不断下降，在全球已实现较大规模应用。

在国际市场的带动下，我国太阳能产业快速发展，太阳能发电即将成为技术可行、经济合理、具备规模化发展条件的可再生能源，对我国合理控制能源消费总量、实现非化石能源目标发挥重要作用。

目前已实现产业化应用的主要是太阳能光伏发电和太阳能光热发电。

太阳能光伏发电是太阳能发电应用最多的技术。

太阳能光热发电尚未实现大规模发展，但经过较长时间的试验运行，开始进入规模化商业应用[1]。

1太阳能热发电分类及工作原理

太阳能热发电按原理分类主要分为聚光型和非聚光型两种，其中聚光型有塔式、槽式和碟式，非聚光型有太阳能热气流和太阳能池热发电两种[2]。

1.1聚光型太阳能热发电

聚光型太阳能热发电过程，首先利用聚光集热装置聚集太阳光，将太阳能转化为热能,把集热工质加热到一定的温度,再利用换热器将热能传递给动力回路中循环做功的工质,或产生高温高压的过热蒸汽，驱动汽轮机，带动发电机发电。

太阳能热发电系统一般由六部分组成太阳能集热子系统、吸热与输送热量子系统、蓄热子系统、蒸汽发生系统、动力子系统和发电子系统。

前两部分简称为太阳场,是太阳能热发电技术的核心。

太阳能聚光装置将太阳能聚集到吸热器上,被吸热器中的传热介质吸收,并输送到蓄热子系统中,将能量存储起来,当需要能量时,蓄热介质通过蒸汽发生器将热量传递给动力子系统的工质,产生的高温高压工质进入动力装置中做功。

聚光型太阳能热发电方式可分为槽式、碟式、塔式等多种形式。

太阳能聚光热发电具有以下特点:

（1）太阳能热发电中蒸汽轮机等设备需要消耗冷却水,且对蒸汽循环中的水质有一定要求;

（2）可产生蒸汽,能量形式多样;（3）热惯性和热存储能力使机组便于控制和稳定运行,运行可靠性高;（4）随电厂容量的增加,每kW集热器的建设费用可大幅降低;（5）能耗和环境污染少,集热器等前端生产、维护及废弃物处理污染也较小。

1.1.1塔式太阳能热发电

塔式太阳能热发电系统的工作原理是利用定日镜群将太阳光集中在1个类似高塔状的建筑物顶端的吸热器上，通过能量转换将热量传递给热传导工质，由蒸汽发生器产生蒸汽（500～700℃）带动蒸汽涡轮发电机产生电能。

该发电系统主要由定日镜系统、吸热与热能传递系统、发电系统3部分组成（图1）。

图1塔式太阳能热发电系统

1.1.2槽式太阳能热发电

槽式太阳能热发电工作原理是利用大面积单轴槽式太阳能追踪采光板把太阳光聚焦到安装在抛物线形反光镜焦点上的线形接收器中，加热流过接收器的热传导工质，使热传导工质汽化，并将在热转换设备中产生高压、过热的蒸汽送入蒸汽涡轮发电机进行发电（图2）。

图2槽式太阳能热发电系统

1.1.3碟式太阳能热发电

碟式太阳能热发电的基本原理是利用旋转抛物面反射镜将入射阳光聚集在太阳能接收器上以收集较高温度的热能加热工质，驱动发电机组发电，或在焦点处直接放置太阳能斯特林发电装置发电。

1.1.4聚光型太阳能热发电技术发展情况

3种聚光型太阳能热发电方式各有优点，就理论而言，塔式太阳能发电由于聚光比高、运行温度高、系统容量大和热转换效率高等特点，较适合大规模生产；槽式太阳能发电因其系统结构相对简单、技术较为成熟，成为了第一个进入商业化生产的热发电方式;而碟式太阳能发电因其热效率最高、结构紧凑、安装方便等特点，非常适合分布式小规模能源系统。

另一方面，前期投入过高且难以降低成本使得塔式太阳能发电始终没有广泛投入商业化生产;聚光比小、系统工作温度低、核心部件真空管技术尚未成熟、吸收管表面选择性涂层性能不稳定等问题，阻碍了槽式太阳能发电的推广;碟式发电系统中，斯特林热机关键技术难度大、开发时间短等原因，致使其仍处于试验示范阶段，主要用于边远地区的小型独立供电。

1.2非聚光型太阳能热发电

上述塔式、槽式和碟式太阳能发电由于都采用了聚光，所以其集热温度较高，属于中高温太阳能热发电系统。

除此之外，还有非聚光方式的低温太阳能热发电系统，如太阳能热气流发电和太阳能池发电[3]。

太阳能热气流发电（太阳能烟囱发电）是利用太阳能将集热器内的空气加热，热空气在烟囱内上升推动风机做功发电。

太阳能池热发电以太阳能池底的高温盐水为热源，通过热交换器加热工质驱动热机做功发电。

太阳能池发电是利用不同比重的水，比如一定浓度的盐水，组成所谓的太阳池，利用池中上下不同比重的水的密度梯度不同，各层水对太阳光的能量吸收不同，使太阳池底部的水产生低温热。

太阳池一般都依托天然盐湖或海边建造，利用盐水作为储能质，但可达到的工作温度较低，故其应用受到一定限制。

图3为太阳能池发电简图。

图3太阳能热池发电

2关键技术

“大容量—高参数—长周期储热—低成本”的太阳能热发电系统是未来技术发展的方向[4]，关键技术的研究主要集中在以下几个方面：

①提高发电效率，主要是提高系统的运行温度，从而提高透平的效率，同时，提高反射镜的反射能力和吸热部件的吸热能力，②降低太阳场的成本，主要是降低单元部件成本，进行设计优化。

③减少电站自身的能耗，即电站用水量以及辅机的寄生电力消耗。

未来一段时间内，需要重点进行技术创新的太阳能热发电技术包括：

聚光镜、吸热器、跟踪系统、储热材料、太阳能热机[5]。

2.1聚光镜

聚光镜是实现光热转换的核心部件，从镜表面形状上讲，主要有平四面镜、曲面镜、球面镜等几种。

国内外采用的聚光镜大多是镜表面具有微小弧度的平四面镜。

从镜面材料来讲，主要有玻璃聚光镜和金属膜聚光镜。

镀银玻璃镜具有重量轻，抗变形能力强，反射率高，易于清洁等优点，但其安全性差。

金属膜反射镜的镜面是用不锈钢等金属材料制作而成，优点是其镜面由一整面连续的金属膜构成，可以仅仅通过调节定日镜的内部压力调整定日镜的焦点，缺点是反射率较低、结构复杂[6]。

2.2吸热器

吸热器是实现太阳能转化为热能的核心部件。

槽式热发电的吸收器主要是真空吸热管，一般采用双层管结构，被置于抛物面聚光镜焦线上，内侧为热载体，外侧为真空，以防热流失。

从真空吸热管的材料来看，又可分为全玻璃真空吸热管和玻璃-金属真空吸热管。

塔式太阳能接收器主要分为间接照射接收器和直接照射接收器两大类。

间接照射接收器的主要特点是接收器向载热工质的传热过程不发生在太阳照射面，工作时聚焦入射的太阳能先加热受热面，受热面升温后再通过壁面将热量向另一侧的工质传递。

直接照射接收器的主要特点是接收器向工质传热与入射阳光加热受热面在同一表面发生。

碟式太阳能接收器包括直接吸热式和间接吸热式。

前者是将太阳光聚集后直接照在热机的换热管上；后者则通过某种中间媒介将太阳能传递到热机。

2.3跟踪系统

为了提高太阳能热发电系统的效率，必须利用自动跟踪装置，使聚光镜时刻对准太阳，以保证从源头上最大限度地吸收太阳能。

按被控制量是否对控制量存在反馈，可分为开环控制、闭环控制和开-闭环结合控制三种。

按跟踪的方式还可以分为方位角-仰角跟踪以及自旋-仰角跟踪。

方位角-仰角跟踪方式是采用转动基座（圆形底座式）或转动基座上部转动机构（单立柱支撑式）来调整聚光镜方位变化，同时调整镜面仰角的方式。

自旋-仰角跟踪方式是采用镜自旋，同时调整镜面仰角的方式来实现聚光镜的运行跟踪[7]。

2.4储热装置

储热子系统作为太阳能热发电站的组成部分，对电站连续、稳定发电发挥着重要作用。

一方面，太阳能电站在进行热发电时，可能会突然受到云层的影响，集热器收到太阳辐射量不足，出口温度和输出功率迅速降低，而发电厂的汽轮机不能适应这种输入功率不可控制的变化，电站不能正常发电。

太阳能热发电站的储热子系统可以在阳光正常时储热，而在阳光不足时放出热来供给汽轮机运转发电，起到功率缓冲的作用[8]。

另一方面，一天之中中午日照强，早晚日照弱，在夜晚则不能用太阳能发电，而储热系统可以把白天太阳辐射的能量以热能的形式储存起来，到了晚上释放出来进行热发电，这样可以起到削峰填谷的作用[9]。

现阶段实验用的太阳能储热主要有三种形式，显热储热、相变储热和化学反应储热。

根据储热材料的使用特点，无论它属于哪一类，一般都要满足以下几点要求[10]：

（1）储热密度大。

对显热储热材料要求其热容大；对相变储热材料要求相变潜热大；对于化学反应储热材料要求反应的热效应大。

（2）稳定性好。

对单组分材料要求不易挥发和分解；对多组分材料，要求各组分问结合牢固，不能发生离析现象。

（3）无毒、无腐蚀、不易燃易爆，且价格低廉。

（4）导热系数大，能量可以及时地储存或取出。

（5）不同状态间转化时，材料体积变化要小。

（6）合适的使用温度[11]。

显热储热是利用材料本身的比热进行储热。

显热储热材料热容大，成本低，热导率高，化学性能稳定，但其在放热过程中温度不稳定，随着放热的进行，储热材料温度降低，放热变缓。

显热储热分为液体显热储热、固体显热储热、液-固联合显热储热3种。

液态储热材料主要有水、合成油、熔融盐。

水的比热大，成本低，但水在高温下有很强的腐蚀性，并存在两相流问题，因此主要用于低温储热。

合成油的沸点比较高，但其分解温度低，无法应用在较高的工作温度下（如超过450℃）；熔融盐因其熔点高，在冬天或晚上易冻结，为保证其处于液态，需要高的运行成本[12]。

相变储热具有相变潜热大、相变温区窄等特点，能明显地降低储热装置的规模。

现阶段研究主要集中在固液相变材料，因为固液相变在很窄的温度范围内，可吸收或放出大量的热量，而且体积变化小。

化学反应储热是利用可逆化学反应的结合热来储存热能，具有储能密度大的特点。

在某些工业领域，化学反应储热已经有所应用，但总体看来，其技术和工艺太复杂，存在许多不确定性[13]。

2.5太阳能热机

太阳能热机是将热能转化为机械能的装置。

槽式和塔式太阳能热发电系统，由于其规模、容量比较大，系统参数与常规化石能源发电相当，因此可以使用为煤炭和天然气发电开发的超临界透平机。

美国奥斯拉公司创造性地使用原子能工业中的饱和蒸汽汽轮机技术。

由于核工业用的汽轮机能够处理不同压力的蒸汽，不需使用过热级，因此系统可以承受阴云天气下太阳时隐时现造成的波动，省略价格昂贵的控制系统，也不需要使用天然气辅助发电，使得系统发电过程大为简化。

碟式太阳能热发电系统容量比较小，一般适用于斯特林发电机或布雷登发电机。

斯特林发动机具有所有热引擎中最高的效率。

与内燃机相比，它具有燃料多样化、转换效率高（是内燃机的1.5-2倍）、运转平稳、噪声小（只有内燃机的一半）、对大气污染小、维修保养容易等特点，适用于低品位能源的综合利用。

布雷登发电机的热效率高、结构简单，并与传统技术有很好的继承性，能较好地兼顾工作性能和技术成熟度的问题，热机采用单相惰性气体工质，具有较好的可靠性和寿命指标。

3结论

本文介绍了太阳能热发电的基本原理，针对不同种类的太阳能热发电系统做了简单介绍，在聚光型发电系统中，塔式、槽式发电系统发展已较为成熟，碟式系统最具潜力。

太阳能热发电系统未来的技术发展方向为“大容量—高参数—长周期一储热低成本”，其中所涉及的关键技术有聚光镜、吸热器、跟踪系统、储热材料、太阳能热机等。

参考文献

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