槽式太阳能热发电系统综述_郭苏

第 36 卷 第 12 期 2014 年 12 月
华电技术 Huadian ห้องสมุดไป่ตู้echnology
Vol． 36 No． 12 Dec． 2014
槽式太阳能热发电系统综述
郭苏，刘德有，王沛，许昌
（ 河海大学 能源与电气学院，南京 210098）
摘 要： 槽式太阳能热发电系统（ 槽式系统） 符合“大容量 － 高参数 － 长周期储热”的国际太阳能热发电技术发展趋势，
槽式系统结构简单、成本较低、土地利用率高、 安装维护方便，而且导热油工质的槽式太阳能热发 电技术（ 以下简称槽式技术） 已经相当成熟。由于 槽式系统可将多个槽式集热器串、并联排列组合，因 此可以构成较大容量的热发电系统。但也因为其热 传递回路很长，传热工质的温度难以再提高，系统综
收稿日期： 2014 － 07 － 07； 修回日期： 2014 － 09 － 25 基金项 目： 国 家 重 点 基 础 研 究 发 展 计 划 项 目 （ 973 计 划 ） （ 2010CB227102） ； 江苏省自然科学基金（ BK20131369）
第 12 期
郭苏，等： 槽式太阳能热发电系统综述
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图 2 导热油槽式系统工作原理示意
图 3 槽式系统聚光原理示意
面绕轴跟踪太阳。槽式集热器的聚光比为 10 ～ 30， 集热温度可达 400 ℃ 。
换热子系统由预热器、蒸汽发生器、过热器和再 热器组成。导热油槽式系统采用双回路结构，即集 热管中的工质油被加热后，进入换热子系统中产生 过热蒸汽，过热蒸汽通过蒸汽回路进入汽轮发电子 系统发电。
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华电技术
第 36 卷
图 4 DSG 槽式系统运行模式简图
式中，直通模式是最简单、最经济的运行模式，再循 环模式是目 前 最 保 守、最 安 全 的 运 行 模 式［19］，而 由 于注入模式的测量系统不能正常工作［17］，因此一般 不采用注入模式。由于 DSG 槽式系统运行中集热 器内存在水 － 水蒸气两相流转化过程，因此，其控制 问题比导热油工质槽式系统更加复杂［17 － 19］。
1 槽式太阳能热发电系统
槽式系统（ 如图 1 所示） 将由抛物线槽式聚光 镜、集热管 等 构 成 的 大 量 槽 式 太 阳 能 聚 光 集 热 器 （ 以下简称槽式集热器） 布置在场地上，再将这些槽 式集热器加以串、并联，抛物线槽式聚光镜采用单轴 跟踪方式追踪太阳运动轨迹，将直射太阳辐射聚焦 到位于抛物线焦线的集热管上，集热管中的传热工 质被加热到 400 ℃ 左右用以产生高温高压蒸汽，从 而推动汽轮发电机组发电［1］。
图 1 美国加州 SEGSIII 槽式太阳能热发电站［2］
合效率较低。 集热管里的工质通常是导热油，但随着科学技
术的发展，工质可以扩展到熔融盐、水、空气等物质。 目前实际应用的工质主要有 2 种，即导热油和水。 槽式技术按其工质不同，分为导热油槽式系统和直 接蒸汽发电（ DSG） 槽式太阳能集热系统（ 以下简称 DSG 槽式系统） 。 1． 1 导热油槽式系统
辅助能源子系统一般应用于夜间或阴雨天系统 运行时，采用天然气或燃油等常规燃料作辅助能源。 Al-sakaf［4］提出，电厂通常可以使用 25% 以上的化
石类燃料以作不时之需，这样可以节省昂贵的能量 储存装置，降低整个太阳能热发电系统的初次投资， 而且优化了太阳能热发电站的设计，大大降低了生 产单位电能的平均成本［5］。 1． 2 DSG 槽式系统
2009 年 3 月，Andasol － 1 电站（ 如图 6 所示） 并 网发电。该电站是欧洲的第 1 座槽式电站，位于西 班牙安达卢西亚省。Andasol － 1 电站装机容量为 50 MW，年产电力 180 GW·h，占地面积 2 km2 ，总集 热面积达 510 120 m2 ，其集热场进出口工质温度为 293 /393 ℃ 。该电站带有大型蓄热装置，2 个蓄热罐 每个高 14 m，直径 36 m，蓄热介质为熔融盐（ NaNO3 占 60% ，KNO3 占 40% ） ，共计 28 500 t，蓄热总量为 1 010 MW·h，可使汽轮发电机组满载发电 7． 5 h； 采 用 ET － 150 型 集 热 管，以 Diphenyl / Diphenyl oxide 导热油为传热工质。采用西门子 50 MW 再热式汽 轮机，循环效率 38． 1% ； 电站总投资 26． 5 亿欧元， 发电成本为 0． 158 欧元 / （ kW·h） ［25 。 － 26］
发电子系统基本组成与常规发电设备类似，但 太阳能加热系统与辅助能源系统联合运行时，需要 配备一种专用控制装置，用于工作流体在太阳能加 热系统与辅助能源系统之间的切换。
蓄热子系统是槽式系统不可缺少的组成部分。 槽式系统在早晚或云遮时通常需要依靠储能设备维 持系统的正常运行。蓄热器就是采用真空或隔热材 料作良好保温的贮热容器。蓄热器中贮放蓄热材 料，通过换热器对蓄热材料进行贮热和取热。蓄热 子系统采用的蓄能方式主要有显式、潜式和化学蓄 热 3 种，不同的蓄热方式应选择不同的蓄热材料。
传统槽式系统的工质为导热油，导热油工质被 加热后，流经换热器加热水产生过热蒸汽，借助于蒸 汽动力循 环 推 动 常 规 汽 轮 发 电 机 组 发 电［3］。 导 热 油槽式系统工作原理如图 2 所示，主要由聚光集热 子系统、换热子系统、发电子系统、蓄热子系统、辅助 能源子系统等构成。
聚光集热子系统是系统的核心，由众多分散布 置的槽式集热器组成，而槽式集热器包括抛物线槽 式聚光镜、集热管和跟踪装置等 3 部分。抛物线槽 式聚光镜为线聚焦装置，阳光经镜面反射后，聚焦为 一条线，集热管就放置在这条线上，用于吸收阳光加 热工质（ 如图 3 所示） 。目前，集热管有真空集热管 和空腔集热管 2 种结构形式。跟踪装置由单片机、 伺服电机、传感器等组成。太阳辐射传感器瞬时测 定太阳位置，通过计算机控制伺服电机，带动反射镜
文献标志码： A
文章编号： 1674 － 1951（ 2014） 12 － 0070 － 06
0 引言
21 世纪，全人类都面临着同样的能源问题。当 面临全球污染严重、常规能源近乎枯竭，又急需大量 能源的双重矛盾时，全人类达成了共识： 依靠科技进 步，大规模开发利用太阳能、风能、生物质能等可再 生清洁能源。近年来，太阳能热发电在欧美地区快 速发展。目前，国际太阳能热发电的发展趋势是建 设承担基础电力负荷的“大容量 － 高参数 － 长周期 储热”电站。槽式太阳能热发电符合太阳能热发电 的上述发展趋势，也是世界上迄今为止商业化最成 功的太阳能热发电模式。本文对槽式太阳能热发电 系统（ 以下简称槽式系统） 进行详细论述［1］。
SEGSⅠ － Ⅸ槽式电站已经成为了世界许多国 家研究槽式技术的模型和样例，是槽式技术具有里 程碑意义的代表作，具有深远的影响力。
2007 年 6 月，Nevada Solar One 电站正式并网运 行。该电站是 16 年内美国境内建设的第 2 座太阳 能热发电站，也是 1991 年以来世界上最大的一座太 阳能热发电站。Nevada Solar One 电站坐落在内华 达州，由西班牙 Acciona Energia 公司建设，额定容量 为 64 MW，最 大 容 量 为 75 MW，年 产 电 量 为 134 GW·h。该电站总占地面积 1 214 058 m2 ，拥有 760 台槽式集热器，采用导热油作为工质。集热管出口 工质温度为 391 ℃ ，经过热交换器加热水产生蒸汽， 驱动西门子 SST － 700 汽轮机组发电。Nevada Solar One 电站项目总投资达到了 2． 66 亿美元［24］。
是世界上商业化最成功的太阳能热发电模式。介绍了槽式系统的原理、特点及分类情况，论述了导热油槽式系统和直接
蒸汽发电（ DSG） 槽式系统的结构特点、发展现状，指出以水为工质的 DSG 槽式系统是槽式系统的发展方向。
关键词： 太阳能热发电； 槽式系统； 直接蒸汽发电； 导热油； 工质
中图分类号： TK 513
2 槽式系统发展现状
槽式系统作为商业化程度最高的太阳能热发电 系统，从 1980 年美国与以色列联合组建的 LUZ 公 司研制开发槽式线聚焦系统开始，至今已经发展了 近 30 年。
1985 年，LUZ 公司在美国加利福尼亚州建立了 第 1 座槽式太阳能热发电站（ 槽式电站） SEGSⅠ，实 现了槽式技术的商业化运行［20 － 21］。在随后的 6 年 里，LUZ 公司又在 SEGSⅠ电站附近建设了 8 座大型 槽式电站（ SEGSⅡ － Ⅸ） ，这 9 座电站的装机容量分 别在 14 ～ 80 MW 之间，总容量达到 354 MW，总的占 地 面 积 已 超 过 7 km2 ，全 年 并 网 发 电 量 在 800 GW·h 以上，发出的电力可供 50 万人使用，其光电 转化效率已达到 15% ，至今运行良好［22 － 23］（ 如图 5 所示） 。
图 5 美国 SEGS 电站
图 6 Andasol － 1 电站全景照片
Archimede 槽式发电站位于意大利西西里岛的 Priolo Gargallo，于 2010 年 7 月建成。该电站装机容 量为 5 MW，集热器出口工质温度达到 550 ℃ ，镜场 面积 30 000 m2 ，使用了世界上较为先进的 ENEA 太 阳能聚光器。Archimede 电站是第 1 座采用熔融盐 为传热、储热工质的燃气联合循环电站［27］。
2013 年 10 月，目前全球最大的槽式电站 Solana 电站正式实现投运。该电站装机容量达到 280 MW，
DSG 槽式系统有 3 种运行模式，分别是直通模 式、注入模式和再循环模式［15 － 18］，如图 4 所示。在 直通模式 DSG 槽式系统中，给水从集热器入口至集 热器出口，依次经过预热、蒸发、过热，直至蒸汽达到 系统参数，进入汽轮机组发电。注入模式 DSG 槽式 系统与直通模式 DSG 槽式系统类似，区别在于注入 模式 DSG 槽式系统中集热器沿线均有减温水注入。 而再循环模式 DSG 槽式系统最为复杂，该系统在集 热器蒸发区结束位置装有汽水分离器。上述 3 种模