各种太阳能光热发电方式的特点

各种太阳能光热发电方式的特点
随着全球性的太阳能投资的涌动，太阳能热发电性能已经出现了多种形式，槽式线聚焦系统，碟式点聚焦系统，菲涅尔线聚焦系统和塔式固定目标聚焦系统等都展示了各自的优点。

国际上塔式系统在美国Solar Two 之后又出现了西班牙的PS10和PS20，2008年美国又一个新建项目esolar开始建设。

但是现阶段的塔式热发电技术仍然还没有成熟，每一个系统都在不断的改变设计，采用新的设计方案。

还没有一个被公认的最佳方案。

一、槽式太阳能热发
槽式太阳能热发电技术是目前最为成熟的太阳能热发电利用技术，目前只有槽式太阳能热发电实现了商业化运行。

LUZ公司于1980年开始开发此类热发电系统，5年后实现了商业化运行。

美国加利福尼亚从1991年开始运行的由9个槽式系统组成的太阳能热发电站总装机容量达354MW，年发电量10TWh，至今运行良好。

1998年起，欧洲框架计划资助西班牙开发新一代抛物线聚光镜，以提高槽式太阳能热发电系统的效率和降低系统成本。

我国对太阳能热发电技术的研究起步较晚，一直局限于小型部件和材料的攻关项目，研发远远落后于一些发达国家。

近年来我国对太阳能热发电的研究取得到了一定的发展。

2007年张耀明院士主持建设的国内首座塔式70千瓦太阳能热发电系统通过了鉴定验收，在我国太阳能热发电领域走出了“开创性的一步”。

中科院广州能源研究所在综合调研的基础上，在槽式太阳能热发电领域开展了相关的研究，并取得了初步进展。

槽式太阳能热发电系统包括聚光器和吸收器，高效换热系统，热能储存技术，控制技术等方面。

感觉槽式发电的集热钢管很有技术难点，其用的金属玻璃复合集热管，金属和玻璃的封接，金属表面镀膜的热胀冷缩难题很有技术难度，目前世界上做该管的没有几家，因此价格不菲！而热能存储技术才是保证光热发电能否平稳运行的关键所在，不然晚上没有太阳的时候，发电厂就要歇菜了，当然刚开始可以加些辅助能源的，因此感觉热能存储技术的才是光热发电最大的瓶颈！
二、太阳能塔式发电
太阳能塔式发电是目前大规模示范较多的系统，我记得初中的物理书上就有那样的图，中间一个塔，周围一大堆大镜子，好像是美国的。

塔式系统又称集中式系统。

它是在很大面积的场地上装有许多台大型太阳能反射镜，通常称为定日镜，每台都各自配有跟踪机构准确的将太阳光反射集中到一个高塔顶部的接受器上。

接受器上的聚光倍率可超过1000倍。

在这里把吸收的太阳光能转化成热能，再将热能传给工质，经过蓄热环节，再输入热动力机，膨胀做工，带动发电机，最后以电能的形式输出。

主要由聚光子系统、集热子系统、蓄热子系统、发电子系统等部分组成。

其工作原理为：、
在地面上布的定日镜,能自动跟踪太阳.中间位置建立一座高塔,高塔顶上放置锅炉.各定日镜均使太阳光聚集成点状,集中到锅炉上,使锅炉里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,由蒸汽驱动汽转发电机组发电.
温度较高，所以一般采用"融盐储能"的方法,即把晴天获得的太阳辐射能输入某种易熔的盐类(如硝酸盆等),使盐类吸热熔化.而当融盐凝固的时候,它就释放出热能,以在夜间和隔天产生蒸汽.以避免
发电过程的中断。

三、碟式发电
碟式发电的主要特征是采用盘状抛物面聚光集热器，其结构从外形上像抛物面雷达天线。

由于盘状抛物面镜是一种点聚焦集热器，其聚光比可以高达数百到数千倍，因而可产生非常高的温度。

碟式热发电系统始于70年代末，80年代初，首先由瑞典US-AB和美国Advanco Corporation、MDAC、NASA及DOE等开始研发，大都采用Silver/glass聚光镜、管状直接照射式集热管及USAB4-95型热机。

进入20世纪90年代以来，美国和德国的某些企业和研究机构，在政府有关部门的资助下，用项目或计划的方式加速碟式系统的研发步伐，以推动其商业化进程。

碟式系统可以独立运行，作为无电边远地区的小型电源，一般功率为10~25kw，聚光镜直径约10~15m;也可把数台至数十台装置并联起来，组成小型太阳能热发电站。

太阳能碟式发电尚处于中试和示范阶段，但商业化前景看好，它和塔式以及槽式系统一样，即可单纯应用太阳能运行，也可安装成为与常规燃料联合运行的混合发电系统。

近年来，盘式太阳能热发电系统主要开发单位功率质量比更小的空间电源。

盘式太阳能热发电系统应用于空间，与光伏发电系统相比，具有气动阻力低、发射质量小和运行费用便宜等优点，美国从1988年开始进行可行性研究，计划在近期进行发射试验。

例如，1983年美国加州喷气推进试验室完成的盘式斯特林太阳能热发电系统，其聚光器直径为11m，最大发电功率为24.6 kW，转换效率为29%。

1992年德国一家工程公司开发的一种盘式斯特林太阳能热发电系统的发电功率为9kW，到1995年3月底，累计运行了17000h，峰值净效率20%，月净效率16%，该公司计划用100台这样的发电系统组建一座MW的盘式太阳能热发电示范电站。

中科院电工所于2006年建立1kW碟式斯特林太阳能热发电系统。

在直射辐射强度大于450W/m2的条件下，系统成功完成可以稳定连续的输出线电压为100V左右的三相交流电的测试。

成为国内第一个可以连续发电的碟式斯特林太阳能热发电系统。

四、太阳能烟囱发电站
太阳能烟囱发电站不像其他太阳能电力系统，它不需要高技术的设备和人才，维修简便。

建造太阳能烟囱电站的设想是由来自斯图加特大学的乔根·施莱奇教授提出的。

他认为建造太阳能烟囱是解决广大发展中国家由于缺乏电力致使经济长期处于停滞状态问题的好办法。

建造太阳能烟囱电站的主要材料是玻璃和水泥，可用沙漠里的沙、石制造。

目前在西班牙已经建成了一座太阳能烟囱发电站。

该电站建于1982年，位于西班牙在曼沙那列士地区，塔高195米，被一个透明温室遮篷围绕着，透明遮篷直径为244米。

它起初是作为一个测试原型，最大输出电能仅50千瓦。

为了使成本最低，这个小型太阳能塔采用便宜的材料建成，但是1989年在一场暴风中这座太阳能塔最终被吹垮。

太阳能烟囱发电系统由太阳能集热棚、太阳能烟囱和涡轮机发电机组３个基本部分所构成，原理下如图。

像种蔬菜大棚一样的太阳能集热棚将太阳能收集起来，对空气加热，热空气进入烟囱，由于烟囱内热空气的压强小于外界的大气压，在烟囱中就形成了强大的热气流，推动安置在烟囱底部的空气涡轮发电机发电。

太阳能集热棚建在一块太阳辐照强、绝热性能比较好的土地上；集热棚和地面有一定间隙，可以让周围空气进入系统；集热棚中间离地面一定距离处装着烟囱，在烟囱底部装有涡轮机。

太阳光照射集热棚，集热棚下面的土地吸收透过覆盖层的太阳辐射能，并加热土地和集热棚覆盖层之间的空气，使集热棚内空气温度升高，密度下降，并沿着烟囱上升，集热棚周围的冷空气进入系统，从而形成空气循环流动。

由于集热棚内的空间足够大，当集热棚内的空气流到达烟囱底部的时候，在烟囱内将形成强大的气流，利用这股强大的气流推动装在烟囱底部的涡轮机，带动发电机发电。

在空气流动过程中，产生了３个能量转换过程。

首先空气被加热，太阳能转化为空气内能；由于空气在烟囱内的上升流动，内能转变为动能；当空气流到涡轮机时，气流推动涡轮机转子转动，动能又转化成我们所需的电能。

太阳能烟囱电站的理想场所是戈壁沙漠地区，这些地区的太阳辐射强度都在500—600W／m’之间。

在欧洲南部和非洲北部，太阳辐射强度平均也达到了400W／m2。

如果这些地区每年有光照的天数为300d或者更多的话，在这些地区太阳能烟囱电站是可行的。

除了进行发电外，太阳能烟囱电站还可能有其他应用。

一是这种电站能够通过电解的方法产生氢气，然后向外输出氢气；另外一个应用是利用集热棚周围的空地，在温室内培育花卉等进行园艺生产。

自从西班牙建成了第一座太阳能烟囱发电站后，美国、日本、德国、南非等国的专家已对太阳能烟囱电站表现出浓厚兴趣。

从1995年，南非物理学家斯廷纳提出：在南非的北好望角建造太阳能烟囱电站。

计划中的太阳能烟囱电站将建在南非边远的沙漠城锡兴附近，该工程预计耗资约4亿美元，发电能力将达到200MW。

斯廷纳认为在南非建造太阳能烟囱电站是有机会与化石燃料电站竞争的。

虽然在南非煤很便宜，而且这个国家对电力生产优先考虑的是廉价而不是“清洁”，但是在南非建造太阳能烟囱电站还是可行的，因为它的运行费用和成本更低。

这项庞大的工程仍存在巨大困难，建造1500m高的烟囱是目前世界上前所未有的。

1983年美国科学家Krisst在康涅狄格州首府西哈特福德市建成了一座烟囱高度为10m，集热棚直径为6m，输出功率10W的庭园式太阳能烟囱发电装置。

1997年N．PasuMarc比报道了在美国佛罗里达大学建成了3种不同结构的太阳能烟囱模型，并进行了相应的理论和实验研究。

土耳其科学家KMlunk在土耳其的伊兹密尔市建造了一个微型电站，这个电站的烟囱高2m，直径为7cm，集热棚区域面积为9m2，发电功率为0．14W。

烟囱中的涡轮机转子功率为0．45W，发电机的效率为31％。

烟囱底部的温差和压差分别为4Y和200Pa。

太阳能烟囱发电技术中的一个重要因素是集热棚表面的覆盖层，而覆盖层的花费将占到整个安装
费用的４５％。

目前覆盖层所使用的材料能用到５—７年，但有关专家期望能够通过改进把覆盖层的使用寿命提高到２０年。

目前,美计划建1000米高太阳能塔发电，能源任务公司不仅计划建造更坚固结实的太阳能塔，还计划将太阳能塔建的更高，这可以实现地面和塔顶部产生更大的温差，温差较大可提供烟囱结构更强大的抽吸能力。

最理想的设计是太阳能塔的高度为800-1000米，其周围围绕一个直径1.5英里的温室遮篷。

福特说，“这才是理想的太阳能塔结构，随着碳燃料的价格上涨，太阳能塔将更具商业化优势。

”
福特告诉美国生活科学网说，“与西班牙的电站对比，澳大利亚能源任务公司设计的太阳能塔采用混凝土结构，可持续使用至少50年。

”。

在一个阳光充足的日子里，太阳能塔顶部空气可达到20摄氏度，在地面温室遮篷的空气可达到70摄氏度，当热空气以34英里/小时(约55公里/小时)速度沿着太阳能塔上升时，32个旋转的涡轮将生产出最大200兆瓦特电能。

尽管在这种工作状态下，太阳能塔转换太阳能为电能的效率仅不足太阳能电池板的十分之一。

但是太阳能塔的优势是更易维持，成本更低。

依据2005年产业报告，具有200兆瓦特电能生产能力的太阳能塔的建造需要10亿美元，这意味着每千瓦小时的成本仅20美分，这仅是当前太阳能电池板生产电能价格的三分之一。

然而，太阳能塔必须建造得相当大，才能发挥电能生产效力。

能源任务公司近期研制一个稍微小一些的太阳能塔设计方案，其最大输出电能为50兆瓦特，可适用于一些市场和领域。

由于澳大利亚政府缺乏财政支持，能源任务公司目前与美国太阳能任务技术公司协商计划在美国境内建造太阳能塔，该公司现已评估美国4个地点的气候适合于建造太阳能塔。

据了解，虽然太阳能塔在夜晚很少输出电能，但在夜间该装置仍处于工作状态。

与煤、天然气和核发电等传统电能制造技术相比，太阳能塔是未来极为理想的电能生产途径。

毕竟太阳每天都会升起落下，人们能够持续利用这种资源。