槽式太阳能热发电技术研究现状与发展

由表 % 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。 GHI 公司 %F?< 年 开始开发此类热发电系统， $ 年后实现了商业化运行。 美国加利福尼亚从 %FF% 年开始运行的由 F 个槽式系统 组成的太阳能热发电站总装机容量达 :$& CD， 年发电 %< "D1， 收入 %J $ 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 %%J $= 提高到%:J )= ； 建造费用由 $ F() 美元 B @D 降低到 : <%% 美元 B @D， 发电成本由 ;)J : 美分 B @D1 降低到了 %; 美分 B @D1。 有专家预测， 当发电成本降到 ? 美分 B @D1 时， 太阳能
［%］ %% @A 玻璃， 耗材最少 。表 % 列出了 : 种太阳能热发
$9 !& 槽式太阳能热发电原理及结构
槽式太阳能热发电主要是借助槽形抛物面聚光 器将太阳光聚焦反射到接收聚热管上， 通过管内热载
［:］ 体将水加热成蒸汽， 推动汽轮机发电 。基于槽式系
统的太阳能热电站主要包括： 大面积槽形抛物面聚光 器、 跟踪装置、 热载体、 蒸汽产生器、 蓄热系统和常规 K/5@752 循环蒸气发电系统。在太阳能热电系统中配 置高温蓄热装置是为解决太阳能的间歇不稳定性而
广东省自然科学基金项目 （ <;<?($ ） 。 !基金项目：
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电# 力# 设# 备
第 $ 卷 第 %% 期
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 % 所示 。
外 2" 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 *"", 年建设的国内第一座太阳能 热发电示范电站 （容量 $ ./） ， 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，
!# %" 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
［,］ 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， *" 世纪 +" 年代的研究水平只相当于国
图 *# 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 !+, ’ 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 !"" ’ 以上后再送回动力系统， 同时冷管中的
［;］ 热发电将可与常规矿物能源发电相媲美 。
$& 槽式太阳能热发电系统
$9 $& 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 :<= > $<= ； 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 %? @A 钢和
!# !" 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 *" 世纪 $" 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 * 组 , ./ 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 345 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 !, 6/ 的 345 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 %( % 元 - ./0， 运行成本为 "( % 元 - ./0， 与拉萨地区燃 煤电站的电能成本 "( + 元 - ./0 相比还是有一定优
［%］ 系统 : 大类。
电系统的性能比较情况。
表 $& 几种太阳能热发电系统的性能对比
发电方式 规! 模 B CD 运行温度 B E 年容量因子 B = 峰值效率 B = 年净效率 B = 商业化情况 技术开发风险 槽式系统 :< > :;< :F< B (:& ;: > $< ;< %% > %) 可商业化 低 塔式系统 %< > ;< $)$ B %<&F ;< > (( ;: ( > ;< 示范 中 碟式系统 $ > ;$ ($< B %:?; ;$ ;& %; > ;$ 试验模型 高
槽式太阳能热发电技术与其他 ; 种发电系统相 比较最为成熟， 其发电站也是目前所有太阳能热发电 试验电站中功率及年效率最高的。目前太阳能槽式 发电的研究工作集中在新材料、 新工艺、 新设计等方 面， 并已取得了一些实质性的进展。由于现有理论的 局限， 要取得进一步的技术突破， 还需要一段探索过 程。本文阐述了槽式太阳能热发电系统的发展历程、 基本原理和电站结构， 着重分析了槽式系统所涉及的 关键技术， 在此基础上对发展我国槽式太阳能热力发 电技术所需的相关基础研究作了一些有益的探讨。
［&］
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 ! 美分 - ./0 降低到 "( + 美分 - ./0 才 行。因此， 槽式太阳能发电技术今后的研究重点为： !加强项目地点太阳能资源的调研； " 发展直接汽化 系统 的 热 能 储 存 技 术； # 提 高 热 载 体 的 工 作 温 度； 使集热表面的温度进 $开发高效的吸热管镀层技术， 一步提高到 ,," 1 2"" ’［%］。
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槽式太阳能热发电技术研究现状与发展 !
罗智慧， 龙新峰
（ 华南理工大学化工与能源学院， 广东省 广州市 !"#$%# ） 摘要：文章在简述太阳能热发电的基础上，阐述了槽式太阳能热发电系统的发展历程，介绍了槽式热发电的基本原理 及其在发电站的技术进展，着重分析了槽式热发电所涉及的关键技术，包括太阳热能聚光器、 吸收器、 跟踪技术及高温 热能储存技术。在比较目前几种太阳能热发电系统的基础上，指出槽式太阳能热发电在商业和技术上是最为成熟的一 种发电系统，适合在我国优先开发，同时提出了发展中国槽式太阳能热力发电技术所需相关基础研究的建议。 关键词：槽形抛物面；集热器；吸收器；太阳能热发电；高温储热 中图分类号："#$%& ；’&()
新成果与技术应用
罗智慧等： 槽式太阳能热发电技术研究现状与发展
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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。
!# !" 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 轴跟踪型只要求入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、 $ 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
熔盐也再次被送回太阳场以吸收热能。
!" 国内外的发展水平
!# $" 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 *" 世纪初就有关于 太 阳 能 热 发 电 的 研 究， 可由于 * 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 *" 世纪 $" 年代的石油
［)］ 好， 还有待Biblioteka Baidu高 。
!" 关键技术
!# $" 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 $ 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 长 性试验研究， 并成功研制出采光口宽度为 $% & ’， "$ ’ 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。
［,］ 危机， 太阳能热电工业又重新被激起 。
图 %# 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 &"" ’ 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 "( "&) 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 * 所示为一个大规模的槽式太阳能热发电系 统的系统图
采用太阳热能进行大规模集中式发电， 不仅对我 国电力的可持续发展和改变以煤为主的发电结构将 发挥重大作用， 也是电力工业实现可持续发展的重要 能源基础。然而， 太阳能所具有的低密度、 间歇性、 空 间分布不断变化的特点也给太阳热能的收集和利用 提出了很高的要求。经过一些发达国家的持续研究， 目前已开发出多种形式的太阳能热发电系统， 单机容 量从千瓦级发展到兆瓦级。按集热器类型的不同， 聚 光式太阳能热发电系统 （ *"+,*，*-./0 "1203/. +-420 ,2520/67-5 *89623） 可分为槽式系统、 塔式系统和碟式