太阳能热发电技术的发展现状及主要问题

太阳能热发电技术的发展现状及主要问题来源：华电新能源技术开发公司时间：2010年08月05日作者：宿建峰李和平贠小
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作为文明社会前进的主要动力之一，能源利用技术在人类社会发展中占有举足轻重的地位，在过去的一个世纪中，煤炭、石油、天然气等化石能源的开发与利用揭开了大工业时代的序幕，百年前后人类总的年能源供应量增长了近10倍。

然而，无节制的资源开发和低效的能源利用造成了大量的资源浪费与日益严重的生态环境污染，人类的生存空间受到了极大威胁，在新的世纪里，能源科学不得不同时面对资源短缺与环境污染的双重压力，因此，人们逐渐将目光转向可再生资源的利用上。

近年来，太阳能以其独具的储量“无限性”、存在的普遍性、开发利用的清洁性，使许多发达国家都把太阳能等可再生能源从原来的补充能源上升到战略替代能源的地位。

在我国，随着建设资源节约、环境友好型社会目标的提出，太阳能等可再生能源利用步伐明显加快，尤其是开发利用太阳能、风能已经成为我国能源战略的重要内容。

太阳能热发电的概念早在19世纪就已经提出，自从1878年在巴黎建立了第一个小型点聚焦太阳能热交换式蒸汽机以来，能源领域专家从各个方面对太阳能热发电技术展开探讨，尤其是20世界80年代以来，美国、意大利、法国、前苏联、西班牙、日本、澳大利亚、德国、以色列等相继建立起各种不同类型的试验示范装置和商业化运行装置，促进了太阳能热发电技术的发展和商业化的进程，太阳能热发电技术取得了显著的进展。

据不完全统计，仅在1 981-1991年10年期间，全世界就组建了500kW以上的太阳能热发电系统20多座。

如今，在采用Rankine循环的技术中，按照集热温度的高低，太阳能热发电系统大致可以分为槽式系统、塔式系统和碟式系统三大基本类型。

槽式太阳能热发电系统及其存在的问题
槽式太阳能热发电系统是利用槽形抛物面反射镜将太阳光线聚焦到集热器上，对传热工质进行加热，经换热产生的蒸汽，推动汽轮机带动发电机发电的能
源动力系统。

其特点是聚光集热器由许多分散布置的槽形抛物面聚光集热器串、并联组成。

槽式太阳能热发电系统分为两种形式：传热工质在各个分散的聚光集热器中被加热形成蒸汽汇聚到汽轮机，称之为单回路系统;传热工质在各个分散的聚光集热器中被加热汇聚到热交换器，经换热器再把热量传递给汽轮机回路，称之为双回路系统。

在20世纪70年代末和80年代初，美国、西欧、以色列和日本等国家都对槽式系统作了很多研究开发工作，取得了较大的进展，特别是美国在90年代初有了9座抛物面槽式大型系统投入商业并网运行，总装机容量达354MW。

此外，西班牙、日本等国的示范电站也取得了很好的成果，起到了试验示范的作用。

1981年国际能源机构(IEA)在西班牙南部的阿尔梅里亚建设了2座额定功率为500kW的太阳能热发电系统，其中的SSPS-DOS为槽式系统。

该系统使用了164台槽式抛物面镜，其中东西型80台，南北型84台，集热总面积为5 362m2，用导热油(HT-43)作集热介质和蓄热介质，蓄热容量为6.46×105 kcal(1 kal=4.1868kJ)，汽轮机参数为2.5MPa、285℃，建设费用为2800万马克。

日本在1981年在四国香川县仁尾町海边建设了2座装机容量各为1000kW的太阳能热发电站，其中之一为平面镜-曲面镜混合聚光槽式系统。

该系统的平面镜共有25台镜架，每台镜架上有5排反射镜，每排装有4.5m2 的平面镜20块，由每台镜架上的100块平面镜把太阳光反射到一组共5台的槽式抛物面镜上。

位于抛物面焦线处的集热管相互串联，这样的混合聚光单元共25个，平面反射镜共2480块，总面积为11160m2。

槽式抛物镜共125台，集热介质为蒸汽-水。

汽轮机进口蒸汽参数为1.4MPa、346℃，蓄热介质为混合盐加压水，蓄热容量为2.58×1 06 kcal，建设费用为50亿日元。

该系统在1981年9月投入运行试验，由于日本当地日照条件较差，系统利用率低，经济性差，在取得许多试验数据后，于1 984年停止运行。

抛物槽式太阳能热发电系统虽然在美国已取得了大规模商业化运行的经验，但目前的主要问题是当系统集热温度高于400℃后，峰值集热效率急剧下降。

当DNI=800W / m2，温度为500℃时的集热效率比250℃时的集热效率约降低22.5%。

由于其几何聚光比低及集热温度不高等条件的制约，使得抛物槽式太阳能热发电
系统中动力子系统的热转功效率偏低，通常在35%左右。

因此，单纯的抛物槽式太阳能热发电系统在进一步提高热效率、降低发电成本方面的难度较大。

塔式太阳能热发电系统及其存在的问题
塔式系统又称为集中型系统，其聚光装置由许多安装在场地上的大型反射镜组成，这些反射镜通常称为定日镜。

每台定日镜都配有太阳跟踪机构，对太阳进行双轴跟踪，准确地将太阳光反射集中到一个高塔顶部的吸热器上。

系统的聚光比通常在200~1000之间，系统最高运行温度可达到1500℃。

经定日镜反射的太阳能聚集到塔顶的吸热器上，加热吸热器中的传热工质;蒸汽产生装置所产生的过热蒸汽进入动力子系统后实现热功转换，完成电能输出。

该系统主要由聚光集热子系统、蓄热子系统和动力子系统三部分组成，系统原理如图1所示。

20世纪80年代世界上已经建成的塔式太阳能热发电系统基本上都是试验电站，目的是为设计建设更大型的商用电站提供技术和经济上的依据，这些电站的建设费用都是相当昂贵的，经济上无法与常规的火电相比较。

在这些电站中，日本的仁尾电站和法国的THEMIS电站，由于当地的日照条件较差，系统利用率低，经济效益差，在运行两三年取得一定的试验数据后即停运。

西班牙的CASE-1电站、欧盟的EURELICS电站及国际能源机构(IEA)的SSPS-CRS电站均进行了长期的研究试验工作。

其中西班牙还与德国合作，利用CASE-1电站的吸热器进行试验，研究气体冷却塔式聚光型系统。

美国的Solar One是性能发挥的最好的电站，自电站建成后，经过两年的初试和评估期后并入南州电网进行发电。

1994年10月，美国完成了Solar Two电站的设计，并于1996年4月投入并网发电。

Sola r Two电站去掉了Solar One电站全部水-蒸汽热传输系统(包括吸热器、管路和热交换器)和砂石-导热油的蓄热系统，安装了新的熔融硝酸盐系统(包括吸热器、2个箱式储热系统与蒸汽发生器系统)，增添了部分定日镜，并改进了主控系统。

Solar Two系统的成功实施，提高了吸热器出口的蒸汽品位，验证了高温熔融硝酸盐作为热传输介质的可行性，使塔式太阳能热发电系统的发电效率有了进一步的提高。

塔式太阳能热发电系统与槽式太阳能热发电系统相比，其集热温度更高，易生产高参数蒸汽，因此热动装置的效率相应提高。

目前，塔式太阳能热发电系统的主要障碍是，当定日镜场的集热功率增大时，即单塔的太阳能热发电系统大型化后，定日镜场的集热效率随之降低。

目前，Solar One是较为成功的塔式太阳能热发电系统，电厂发电量为10MW，定日镜场的年均集热效率为58.1%。

针对上述问题，国外学者提出多塔的定日镜场形式，我国的金红光研究员提出了槽塔结合的双级蓄热太阳能热发电系统，这些研究为塔式太阳能热发电技术的发展开拓了新方向。

碟式系统太阳能热发电系统及其存在的问题
碟式系统也称之为盘式系统，主要特征是采用盘状抛物面镜聚光集热器，其结构从外形上看类似于大型抛物面雷达天线。

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，因而可以产生非常高的温度。

这种系统可以独立运行，作为无电边远地区的小型电源，一般其功率为10～25kW，聚光镜直径约10～15m [12]。

碟式太阳能热发电系统也可以做成较大的系统，即可以将多台装置并联起来，组成小型太阳能热发电电站，为用户提供电力需求。

在上述三种类型的太阳能热发电系统中，目前只有槽式太阳能热发电系统已进入商业化阶段，其它两种类型均处于中试和示范阶段，但其商业化前景看好。

这三种类型系统，既可以单纯应用太阳能运行，也可以安装成为与常规燃料联合运行的混和发电系统，上述三种类型太阳能热发电系统的主要性能参数见下表：目前碟式太阳能热发电系统规模小，高效的发电技术还不成熟，处于试验阶段，在三种太阳能热发电技术的开发中，风险最大且投资成本最高。

太阳能热发电技术展望
太阳能热发电在商业上没有得到大规模应用，根本原因是目前太阳能热发电系统的发电成本高，是常规能源发电成本的一倍以上。

造成太阳能热发电成本高的主要原因有以下三个方面：第一，太阳能能流密度低，需要大面积的光学反射
装置和昂贵的接收装置将太阳能直接转换为热能，这一过程的投资成本占整个电站投资的一半左右。

第二，太阳能热发电系统的发电效率低, 年太阳能净发电效率不超过15%。

在相同的装机容量下, 较低的发电效率需要更多的聚光集热装置，增加了投资成本。

第三，由于太阳能供应不连续、不稳定，需要在系统中增加蓄热装置，大容量的电站需要庞大的蓄热装置和管路系统,，造成整个电站系统结构复杂，增加了成本。

解决上述问题主要从以下几个方面着手，首先，提高系统中关键部件的性能，大幅度降低太阳能热发电的投资成本，快速进入商业化。

其次，进一步研究开发新的太阳能热发电系统，对系统进行有机集成，实现高效的热功转化，不仅要实现太阳能热的梯级利用，而且要集成新型的太阳能热化学系统，突破常规系统中太阳能发电效率低的限制。

再次，将太阳能热发电系统和化石燃料互补，借助太阳能的利用来减少化石燃料热力发电系统中的燃料消耗量，同时也可省略太阳能热发电系统中的储热装置，从而降低太阳能热发电的一次投资成本和发电成本。

总之，太阳能热发电的发展方向应为低成本、高效的系统发展，不断提高系统中关键部件的性能，将太阳能与常规的能源系统进行合理的互补，实现系统的有机集成，实现太阳能向电能的高效转化，进而加快太阳能热发电的商业化发展。