太阳能槽式热发电系统在金昌的开发前景(吕仲奎、王健)

酒泉职业技术学院太阳热能发电技术课程设计11 级太阳能应用技术专业目录一、槽式太阳能热发电系统 (3)（一）、槽式太阳能热发电系统的特点 (3)（二）、槽式太阳能热发电原理及结构 (3)二、国内外的发展水平 (5)（一）国外的发展情况 (5)（二）国内的发展情况 (6)三、关键技术 (6)（一）聚光器 (6)（二）吸收器 (7)（三）跟踪技术 (7)（四）热能储存 (8)四、金昌市太阳能资源分析 (8)（一）金昌地理位置 (8)（二）金昌太阳能辐射条件 (9)（三）太阳能资源评价 (11)五、结论与展望 (11)太阳能槽式热发电系统在金昌的开发前景一、槽式太阳能热发电系统（一）、槽式太阳能热发电系统的特点槽式太阳能热发电系统结构紧凑，其太阳能热辐射收集装置占地面积比塔式和碟式系统的要小30％～50％；且槽形抛物面集热装置的制造所需的构件形式不多，容易实现标准化，适合批量生产。

用于聚焦太阳光的抛物面聚光器加工简单，制造成本较低，抛物面场每平方米阳光通径面积仅需18 kg钢和11 kg玻璃，耗材最少0 J。

表1列出了3种太阳能热发电系统的性能比较情况。

表1 几种太阳能发电系统的性能对比由表1可知：槽式太阳能热发电系统的装容规模最大、效率较高，已具商业化规模且技术要求相对较低，是一种比较理想的发电技术。

LUZ公司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354 Mw ，年发电l0 Twh，收入1．5亿美元。

随着制造工艺的不断改进，槽式系统的发电效率已由11．5％提高到13．6％；建造费用由5976美元／kW 降低到30l1美元／kW ，发电成本由26．3美分／kwh降低到了l2美分／kWh。

有专家预测，当发电成本降到8美分／kwh 时，太阳能热发电将可与常规矿物能源发电相媲美。

（二）、槽式太阳能热发电原理及结构槽式太阳能热发电主要是借助槽形抛物面聚光器将太阳光聚焦反射到接收聚热管上，通过管内热载体将水加热成蒸汽，推动汽轮机发电。

基于槽式系统的太阳能热电站主要包括：大面积槽形抛物面聚光器、跟踪装置、热载体、蒸汽产生器、蓄热系统和常规Rankine循环蒸气发电系统。

在太阳能热电系统中配置高温蓄热装置是为解决太阳能的间歇不稳定性而设计的，它可以在太阳光充裕的时候把热能存储下来，当太阳光不足时再放出热能，实现电厂的持续发电。

吸收器、聚光器以及跟踪系统构成槽式太阳能热发电系统的集热装置，其结构如图1所示。

图1 槽式抛物面太阳能热发电系统的集热装置吸收器一般采用双层管结构，被置于抛物面聚光器焦线上，内侧为热载体，外侧为真空，以防热流失。

热载体可以是水蒸气、热油或熔盐。

温度一般在400 ℃左右，属于太阳热能的中低温利用。

聚光镜是一种表面上涂有聚光材料的抛物镜面，它的作用是将分散的低密度太阳光聚焦到吸收器上以产生高温，聚光镜性能的好坏除了与自身的制造精度有关外，还与跟踪装置的好坏有关。

一般的太阳能发电站都采用单轴跟踪方式使抛物面对称平面围绕南北方向的纵轴转动。

与太阳照射方向始终保持0．04。

夹角。

以便在任何情况下都能有效的反射太阳光。

然而，近年来人们正在研制一种由多个小型平面反射镜组成的环带太阳能集热器系统，这种技术可以大大降低反射镜的制造难度，但其可靠性和经济性还需作进一步验证。

图2所示为一个大规模的槽式太阳能热发电系统的系统图。

图2 槽式太阳能热发电站系统图由多个抛物面聚光器组成的太阳能场将太阳光聚焦到吸收器将冷管中的熔盐热载体加热到385℃并储存到蓄热器中，当系统发热完毕后，热的熔盐载体被送往传热液体加热器，与来自动力系统热管的熔盐热载体进行换热。

热管中的热载体一般为水，水被加热至300℃二以上后再送回动力系统，同时冷管中的熔盐也再次被送回太阳场以吸收热能。

二、国内外的发展水平（一）国外的发展情况国外的发展情况太阳能热发电工业经历了几次起落，原因是多方面的。

早在20世纪初就有关于太阳能热发电的研究，可由于2次世界大战的爆发和近东地区石油的发现，使得太阳能的利用发展缓慢。

其中，由于太阳能热电自身的技术落后、效率低以及生产成本高也是阻碍其发展的重要原因。

直到20世纪70年代的石油危机，太阳能热电工业又重新被激起。

随着太阳能热力发电技术和规模的发展，太阳能热发电将具有与常规能源发电竞争的潜在优势。

只是目前这种技术还不是很完备，在经济上还不具备竞争力。

因此，要推广这种技术，就必须进一步降低发电成本，提高系统效率，实现电站运行自动化，将运行费用由目前的3~ ／kWh降低到0．8美分／kwh才行。

因此，槽式太阳能发电技术今后的研究重点为：①加强项目地点太阳能资源的调研；②发展直接汽化系统的热能储存技术；③提高热载体的工作温度；④开发高效的吸热管镀层技术，使集热表面的温度进一步提高到550～600℃。

（二）国内的发展情况我国对太阳能热发电技术的研究起步较晚，直到20世纪70年代才开始一些基础研究，在“七五”期间，湘潭电机厂与美国空间电子公司合作，研制了2组5 kW 的抛物面聚焦型太阳热发电机，但由于价格过高，加上工艺、材料、部件及相关技术等没有得到根本解决，而未能得到推广使用。

国家“八五”计划安排了小型部件和材料的攻关项目，于中国科学院电工研究所内建成了小型抛物面槽式真空管高温集热装置。

美国加州LUZ槽式太阳能热发电站的成功运行引起了我国的广泛关注，并计划引进该类机组在西藏拉萨建立一座35 Mw 的LUZ槽式太阳能热发电站。

当时经可行性评估，预计该电站的电能成本约为1．1 kWh，运行成本为0．1 kWh，与拉萨地区燃煤电站的电能成本0．8 kWh相比还是有一定优势的。

总体来说，我国在太阳能热动力方面的研究还是比较落后的，20世纪80年代的研究水平只相当于国外60年代的水平。

尽管近年来我国对太阳能热电技术的研究给予了相当大的重视，并且也得到了一定的发展，如南京江宁区2005年建设的国内第一座太阳能热发电示范电站(容量7 kW)，但与国际发展水平的差距较大。

为此，国家在“十一五”计划中安排了数十亿资金以开发太阳能热发电技术。

考虑到我国目前的技术现状，可以优先开发槽式太阳能热发电系统，或将太阳能发电与小水电联合、太阳能发电与风力发电联合，组成各种联合系统，也可以采用一些储能设备以减少对气候条件的依赖。

三、关键技术（一）聚光器太阳能是一种低密度能源，收集太阳能对聚光器的精度要求很高。

按照聚光原理区分，聚光集热器基本可分为反射聚光和折射聚光2大类。

槽形抛物面镜聚光集热器是反射式聚光器中应用较多的一种。

它只需要用一维跟踪就可以获取中温。

目前，开发的重点是提高聚光器的效率，如提高反射面加工精度、研制高反射材料。

与此对应，降低制造成本也是研究的重点。

近年来，国内一些高等院校与企事业单位对槽式抛物面聚光器做了不少单元性试验研究，并成功研制出采光口宽度为2．5 m，长12 m 的槽式聚光器。

通过对单向抛物反射器反射面的研究，采用复合蜂窝技术，研制出了超轻型结构的反射面，解决了使用平面玻璃制作曲面镜的问题，降低了制造难度。

（二）吸收器槽式系统太阳能吸收器的主要发展趋势为真空集热管和腔体吸收器。

真空集热管是一种高效太阳集热元件，从真空太阳能集热管的材料来看，又可分为二类：一类为全玻璃真空太阳能集热管；另一类为玻璃．金属真空太阳能集热管。

真空集热管的优点为：选择性涂层可以提高阳光的吸收率减少其发射率；真空夹层使两管间的对流热损失为零；玻璃管外径较小，并且透明，既可减少对阳光的遮影，也可降低外表面的对流热损。

我国自80年代中期开始研制真空集热管，攻克了热压封等许多技术难关，建立了拥有全部知识产权的真空集热管生产基地，产品质量达到世界先进水平，生产能力也居世界首位。

玻璃一金属太阳能集热管是一种新型的集热管，目前在我国还处于开发阶段，它比全玻璃真空集热管的效率高若干倍，热循环要好，不会发生管的冻裂，坚固耐用，可做成大、中、小各种太阳能集热管，是一种理想的器材。

腔体式吸收器其结构为一槽形腔体，外表面覆隔热材料，利用腔体的黑体效用，可充分吸收聚焦后的阳光。

与真空集热管相比，腔体吸收器具有较低的直射能流密度，且腔体壁温较均匀，热性能稳定，集热效率高，无需光学选择性涂层，只需传统的材料和加工工艺，成本低且便于维护。

但光学效用不如真空集热管好，在太阳能的中、低温利用中，二者的效率有一相交值，在选择时要根据具体情况选择不同类型的集热装置。

（三）跟踪技术抛物面聚焦集热器只能收集直射光线，利用跟踪装置可以使系统截获更多的太阳辐射。

用于太阳能发电的跟踪方式按照入射光和主光轴的位置关系可分为两轴跟踪和单轴跟踪。

两轴跟踪是根据太阳高度和赤纬角的变化情况而设计的，它具有最理想的光学性能，是最好的跟踪方式，能够使入射光与主光轴方向一致，获得最多的太阳能。

但此种设备结构复杂，制造和维修成本高，性价比不如单轴跟踪好。

单轴跟踪型只要求人射光线位于含有主光轴和焦线的平面就行，且结构简单，实际生产中在跟踪精度要求不高或阳光充裕的地方一般优先考虑单轴跟踪。

按焦线位置的不同，单轴跟踪分为三类：南北地轴式、南北水平式和东西水平式。

总之，采用何种方式，是一个性价比问题，要根据实际应用来选择不同跟踪方式。

近年来，我国太阳能检测中心开发出太阳能集热器性能测试系统，其中就包括了太阳跟踪器。

该跟踪器采用地平坐标系跟踪方式，主要由水平回转转台、垂直回转转台、2台步进电机以及集热器台架组成。

集热装置固定在台架平面上，水平转台相当于集热装置的方位轴，由一台步进电机驱动，绕垂直于当地水平面的轴旋转，对太阳进行实时跟踪。

从这种太阳跟踪器的运行情况来看，它的运行状况良好，跟踪误差也不是很大。

但总体来说，我国的太阳能开发利用的水平还不是很高，国产太阳跟踪器的精度也不是很好，还有待提高。

（四）热能储存太阳能不能直接贮存，必须转换成其他形式的能量才能贮存。

目前用于太阳能热电的能量储存技术主要有：显热储能技术、潜热储能技术、化学反应热储能技术和塑晶储能技术。

其中，潜热储能随温度不同而应选择不同储热材料。

我国对化学储能研究较多，该储能方式被认为是最具发展前途的一种储热方式，与其他方式相比，其突出的优点为：①热化学正一逆反应可在高温下进行，可得到高品位热能；②温度与速率在热能储／释过程中均可控制；③在常温下可长期无热损储存且储能密度远高于显热或相变蓄热。

但这种技术目前还不是很成熟，尚需进行深入研究，一时难以实用。

（注：以上部分由王健完成）四、金昌市太阳能资源分析（一）金昌地理位置金昌地理位置及其地金形地貌较为复杂，南北海拔差达3000多米，气候差异较大。

北部地势平坦，干旱少雨，炎热干燥，日照丰富；南部山峦叠加，海拔高而潮湿多雨，气候寒冷，终年无夏。