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太阳能光热发电技术应用与发展
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摘要: 太阳能是一个用之不尽、 取之不竭清洁能源, 在能源与环境问题日趋严峻今天, 很多国家都对太阳能发电技术进行了研究和实践, 并取得了部分结果。太阳能光热发电是太阳能利用一个有效方法, 现在有槽式、 碟式和塔式三种经典太阳能光热发电方法。比之传统火力发电方法, 太阳能有其环境保护优势, 不过也存在部分问题需要去克服。伴随人类对清洁能源需求太阳能发电技术将会得到愈加深入发展。
关键词: 太阳能 光热发电 CPS 应用 发展趋势

1.太阳能热发电技术概述
能源与环境问题是当今世界面临两个关键问题, 伴随化石能源日趋枯竭, 一次能源利用成本也不停增加, 因为大量燃烧矿石燃料, 使环境问题日益严重, 温室效应、 空气污染越来越引发大家重视。多年来部分可再生能源受到了大家推崇, 为各国所重视。太阳能是一个取之不尽、 用之不竭清洁能源, 利用太阳能直接发电是缓解甚至处理能源问题一个有效方法, 世界各国也都在做主动努力, 已经有很多太阳能发电项目投入运行, 太阳能发电技术在未来有着宽广发展前景。
太阳能是太阳经过辐射方法想宇宙空间释放能量, 人类所需能量绝大部分都直接或间接地来自太阳。正是多种植物经过光合作用把太阳能转变成化学能在植物体内贮存下来。煤炭、 石油、 天然气等化石燃料也是由古代埋在地下动植物经过漫长地质年代形成。它们实质上是由古代生物固定下来太阳能。另外, 水能、 风能、 等也都是由太阳能转换来。地球轨道上平均太阳辐射强度为1369W/ m2。地球赤道周长为40000km, 从而可计算出, 地球取得能量可达173000TW。在海平面上标准峰值强度为1kW/m2, 地球表面某一点24h年平均辐射强度为0.20kW/m2, 相当于有10TW 能量, 人类依靠这些能量维持生存, 其中包含全部其她形式可再生能源（地热能资源除外）, 即使太阳能资源总量相当于现在人类所利用能源一万多倍, 但太阳能能量密度低, 而且它因地而异, 因时而变, 这是开发利用太阳能面临关键问题。太阳能这 图 1 世界各国太阳能发电装机容量 些特点会使它在整个综合能源体系中作用受到一定限制。

2.太阳能光热发电方法类型和应用
作为一个广泛清洁能源, 太阳能有很多利用方法。太阳能发电、 太阳能热水器、 太阳能采光采暖、 太阳能干燥等, 其中太阳能光热发电也叫聚焦型太阳能热发电（Concentrating Solar Power, 简称CSP）, 能够大规模集中利用太阳能方法, 是一个处理能源问题有效路径。
太阳能热发电技术就是利用光学系统聚集太阳辐射能, 用以加热工质, 生产高温蒸汽。驱动汽轮机组发电, 简称光热发电技术。她与光伏发电相比, 含有效率高、 结构紧凑、 运行成本低等优点。
依据聚光方法不一样, 光热发电技术可分为三种方法: 塔式太阳能热发电、 槽式太阳能热发电和碟式太阳能热发电技术。三种聚光集热方法不一样在数量上直接表现就是聚光比不一样。聚光比即吸收体平均能流密度和入射能流密度之比。这三种方法都能够大致地分为太阳能集热系统、 热传输和交换系统、 发电系统三个基础系统。不过因为她们各自聚光比不一样, 造成能够达成集热温度也不一样, 所以三种聚光方法对应三个组成系统也有不一样程度差异。
2.1 槽式聚光发电系统
槽式聚光是利用抛物线光学原理, 聚集太阳辐射能。抛物线纵向延伸形成平面称为抛物面, 它能将平行于本身轴线太阳辐射汇聚到一条线（带）上, 提升能量密度, 易于利用。在这条太阳辐射聚集带上部署有集热管, 用来吸收太阳能, 并将其转化为热能。现在集热管通常为真空式玻璃集热管。集热管由外部玻璃管和内部西热管组成, 两管之间空隙抽真空阻止热量损失。吸热管有不锈钢制成, 内部有工质流动, 在不锈钢管表面涂有黑色吸热薄膜, 薄膜对太阳光有较高吸率, 同时在红外波普段有较低发射率, 这么就能够有效地吸收太阳能。这种聚光系统还需要设置控制系统来适应太阳能光在一天中角度改变。槽式聚光吸热系统将太阳能转化为集热管内导热流体热能, 燃后用高温工质去加热给水产生蒸汽去冲转汽轮机发电。槽式太阳能聚光系统聚光比为20到80, 以油为导热流体聚热温度最高为300到400℃, 以混合硝酸盐为导热流体最高能使集热温度达成550℃, 后者对于提升发电效率而言更含有优势, 不过总发电效率还是较低。另外, 为了克服太阳能在时间上分布不均特点, 还要设置蓄热系统, 或者是用其她燃料作为补充调整。
从20世纪八十年代开始, 世界上很多国家都开展了槽式太阳能聚光发电系统研究和建设。表1列出了部分著名槽式太阳能发电站。
现在, 美国、 以色列、 澳大利亚、 德国等国家是太阳能利用大国, 也是槽式太阳能热发电技术强国。 其中美国鲁兹LUZ企业是槽式太阳能热发电技术应用典范, 在1985~1991年间, 美国在南加州前后建成9座槽式太阳能热发电站, 总装机容量353.8 MW。10月, 美国政府同意在加利福尼亚州南部沙漠地域建设一个名为“布莱斯太阳能项目”新能源项目,这是在美国公共土地上实施规模最大太阳能发电项目。“布莱斯太阳能项目”计划建设地点位于加州布莱斯地域周围莫哈韦沙漠内,项目占地2833公顷,耗资60亿美元,建成后将拥有1000兆瓦发电能力。估计底到投入发电。

表 1 国际上已投产著名槽式太阳能发电站
地点
年份
装机容量（MW）
热力循环
西班牙阿尔梅里亚
1981
0.5
蒸汽循环
日本香川县
1981
1
蒸汽循环
美国加州SEGS
1985-1991
354
蒸汽循环
西班牙DISS
1996-1999
2
直接产生蒸汽发电
希腊克里达
1997
50
蒸汽循环
以色列

100
蒸汽循环
美中国达华

64
争气循环

和发达国家相比较, 现在中国在这方面还相对落后, 直到初, 槽式太阳能热发电系统成套设备关键技术, 由北京中航通用企业与中科院工程热物理研究所、 华北电力大学合作研发成功, 实现了曲面聚光镜从技术到生产完产化。8月10日, 中国首个太阳能槽式发电项目首个生产基地奠基仪式在沅陵县城郊举行。该项目突破了聚光镜片、 跟踪驱动装置、 线聚焦集热管3项关键技术, 中国是继美国、 德国、 以色列以后全部技术国产化国家。

2.2 碟式太阳能发电系统
碟式太阳能热动力发电系统采取碟式聚光这种形式, 碟式聚光系统太阳辐射反射面部署成碟（盘）形, 聚光比能够达成3000以上, 所以能在焦点处产生很高温度, 比其它两种热发电方法聚光温度都要高, 运行温度能够达成750-1500℃, 所以它能够达成最高热机效率。
碟式太阳能发电系统包含聚光器、 接收器、 热机、 支架、 跟踪控制系统等关键部件。系统工作时, 从聚光器反射太 图 2 麦道企业开发玻璃小镜面聚光器 阳光聚焦在接收器上, 太阳能 被热机转化为热机内部工作介质内能, 使介质温度升高, 即可推进热机运转, 并带动发电机发电。
不一样于槽式发电系统, 碟式太阳能发电系统热电转化装置关键采取斯特林机作为原动机。自由活塞斯特林机时一个活塞式外燃机, 在汽缸内有一个配齐活塞和一个动力活塞。汽缸侧壁连接配齐活塞上下室旁路, 循环工质经过旁路交替运动到配气活塞上室和下室。上室和热源交换器耦合, 将吸热其热量传输给工质, 工质受热膨胀推进动力活塞做工, 输出功率。下室经过中间介质回路把余热传输给回热器, 工质经过旁路往复流动完成循环。斯特林热机最高热电转换效率可达40%。
太阳能辐射随天气改变很大, 所以热点转换装置发出电力不是很稳定, 不能直接提供给用户, 需要经过一系列处理以后才能输出220V工频电。和槽式太阳能发电系统一样, 也需要有储能装置、 蓄电池和补充能源。
与槽式太阳能聚光发电方法相比, 碟式聚光发电方法还没用投入到商业应用, 临时处于示范实施阶段。国外已经有多座碟式太阳能热发电站或示范系统建成并成功运行。美国、 西班牙、 德国等国家分别建立了从 9~25 kW 发电系统而且
成功运行 。
中国太阳能资源丰富 ,从上世纪 70 年代末就已经开始对太阳能热利用进行研究 ,但关键研究方向为太阳能供热。中国科学院电工研究所针对碟式太阳能热发电系统中聚光器和跟踪控制系统进行了研究,而且建立了碟式太阳能热发电试验系统;中国科学院工程热物理所对用于碟式太阳能热发电系统直接照射式接收器进行了部分模拟试验研究 ,分析了其热性能影响原因。
总来说碟式集热发电方法还处于早期阶段, 不过因为其效率较高, 所以很多国家都比较重视, 主动开展对应研究活动。

2.3 塔式太阳能发电系统
塔式太阳能发电系统由定日镜群、 接收器、 蓄热槽、 主控系统和发电系统5个部分组成。在地面上部署大量定日镜,一个自动跟踪太阳球面镜群.在这一群定日镜中合适位置建立一座高塔,高塔顶上安装接收器.各定日镜均使太阳光聚集成点状,集中射到锅炉上,使接收器传热介质达成高温,并经过管道传到地面上蒸汽发生器,产生高温蒸汽,由蒸汽驱动汽轮发电机组发电.
接收器是塔式太阳能发电系统关键组成部分, 依据采取导热介质不一样, 现在能够分为外部受光型和空腔型。
外部受光型接收器部分技术类似于太阳能集热管, 不过它工作温度非常高, 体积也很庞大。, 这种接收器可四面受光, 多用在大型太阳能系统中, 其缺点是热管直接暴露而产生热量散失。能否像一般集热器那样加上玻璃外套, 实际上很困难, 因为接收器体积太大。
空腔型即腔体式接收器, 用耐高温材料制成空腔, 空腔一面开口装有透光好、 耐高温石英玻璃, 腔内壁有金属网以增大吸热与交换面积。封闭内腔似绝对黑体, 吸热性能很好, 会聚阳光透过石英玻璃窗口能在腔内产生很高温度, 传热工作介质（通常见高压空气）经过腔内被加热成1000多度高温气体输出。
因为腔体有保温层, 故热损失小, 空气价格又廉价, 但空气热容量小、 导热系数低, 怎样高效传热是关键技术问题。腔体式接收器多是只有一面开窗, 故接收阳光角度是有限, 通常不超出120度。
谷歌投资了一个世界上最大塔式太阳能发电站项目。这个太阳能塔建在美国加州东南部莫哈韦(Mojave)沙漠, 占地3600英亩 （14.6平方公里）。艾文帕太阳能电力采 图3 美国加州南部塔式太阳能发电站 集系统（ISEGS）将放置173000个反光镜, 将阳光聚焦到一个大约137米高太阳能塔上。这个发电厂在 10月开始建造, 估计在完工后装机容量39.2万千瓦。
中国在太阳能塔式发电项目上也有所发展。北京延庆八达岭兴建亚洲第一座塔式太阳能热发电站, 是中科院太阳能热发电技术及系统示范项目, 是国家科技部“十一五”863关键项目, 于立项、 取得发改委同意, 关键目标是研究太阳能塔式热发电关键技术, 建立太阳能热发电试验系统和试验平台, 探索高效能、 大规模、 低成本商业化电站技术路径, 为中国太阳能热发电技术研究和发展奠定基础。

2.4 三种光热发电方法比较

表 2 三种电方法经济技太阳能光热发术性能比较
类型
关键结构
发电容量/MW
聚光倍数
介质温
度/℃
年发电效率
建设造价
槽式系统
集热管、 聚光器和跟踪机构
30-320
10-100
260-400
13%左右, 管道系统复杂, 热量损失大
代价较低, 技术最成熟, 已达成商业化应用
碟式系统
聚光器、 热接收器、 斯特林发动机
3-25
500-1000
500-1500
30%
集热器分散部署, 控制代价相对低, 但接收器结构复杂, 造价很高
塔式系统
日光发射镜子系统、 接收器
10-400
1000倍以上
500-1000
15%以上
现在成本较高未来成本将会降低, 竞争力很强。

槽式发电系统技术上最为成熟, 且其跟踪机构比较简单, 易于实现, 总体成本最低, 伴随技术发展, 槽式发电系统建造费用由5 976美元/kW降低到3 011美元/kW, 发电成本由26.3美分/kW·h降低到12美分/kW·h, 在其发电成本有望达成约4美分/kW·h, 基础相当于火力发电成本。
碟式发电系统相对复杂, 而且投资较高, 在现在要实现大规模商业化应用还比较难。而塔式发电系统因为技术改善, 可能会大幅地降低成本, 而且能够实现大规模地应用, 所以发展潜力非常巨大。

3.太阳能热发电技术发展趋势
为了应对矿石燃料日益降低带来能源危机, 降低碳排放量, 保护环境, 世界各国都开展了可再生能源技术研究和应用, 包含太阳能、 风能、 潮汐能、 地热能、 水能、 生物质能等, 其中太阳能是可再生能源关键组成部分, 因其限制条件较少, 易于实施应用, 能够实现大容量发电等技术优势, 太阳能在未来将有宽广发展前景。国际能源署（IEA）下属SolarPACES、 欧洲太阳能热能发电协会（ESTELA）和绿色和平组织估计认为CSP到2030年在全球能源供给份额中将占3%-3.6%, 到2050年占8%-11.8%, 这意味着到2050年CSP装机容量将达成830GW, 每年新增41GW。
现在, 影响太阳能热发电技术大规模应用原因是其成本较高, 这要求技术进步, 包含研究新材料, 新集热系统技术等。
据美国能源部主持研究结果表明: 在大规模发电方面, 塔式太阳能发电将是全部太阳能发电技术中成本最低一个。据估计, 到, 其发电成本大约为每度5美分, 含有很强市场竞争力。这从上面提及谷歌 投巨款资建造塔式太阳能发电厂就可看出美国对此种发电技术推崇。
总得来说太阳能热发电技术将会向着低成本、 大规模方向快速发展。将在人类未来能源结构中占有举足轻重地位。
参考文件
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[2] 许辉 ,张红, 白穜 ,丁莉 ,庄骏.碟式太阳能热发电技术综述.-06
[3] 赵刚.碟式太阳能热动力发电系统研究. 工学硕士学位论文. 哈尔滨理工大学.
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[5] 陈于平.聚光太阳能发电技术应用与前景.电网与清洁能源..第26卷, 第七期
[6] 胡忠文, 张明锋, 郑继华.太阳能发电研究综述.能源研究与管理.