技术论文：太阳能热发电技术

　　摘要：文章主要对太阳能热发电技术进行了综述。通过分析太阳能热发电技术现状可知，我国发展太阳热发电应当考虑:①实现太阳热发电系统的低成本投资和高可靠性运行，这一点非常重要;②实现规模化发展，建立几十兆瓦至百兆瓦级的大规模并网系统;③开发几十千瓦至万千瓦级的独立系统，以便解决无电地区的急需。

　　太阳能作为一种洁净的、取之不尽的能源在能源结构中所占的比例将会越来越大。太阳能热发电不仅可以发出电力，还可以同时实现供热、制冷，构成热、电、冷联产。太阳热发电系统由集热系统、热传输系统、蓄热贮能系统、热机、发电机等组成。集热系统聚集太阳能后，经过热传输系统将聚集的太阳热能，传给热机，由热机产生动力，带动发电机来发电，整个系统的热源来自于太阳能，所以称之为太阳能热发电系统［1］。

　　塔式太阳热发电系统是利用定日镜跟踪太阳，并将太阳光聚焦在中心接收塔的接收器上，在接收器上将聚焦的辐射能转变为热能，加热工质，驱动汽轮发电机发电。定日镜由微机控制跟踪太阳，实现最佳聚焦。塔式太阳热发电系统聚光比可达300～1500，运行温度可达1500℃［1］。

　　塔式太阳热发电系统的设计思想是20世纪50年代前苏联提出的。世界上第一座并网运行的塔式太阳能热电站是在1981年由法国、原联邦德国和意大利联合建造的。该系统安装在意大利的西西里岛，采用了182个聚光镜，镜场总面积为6200m2，采用了由硝酸盐组成的蓄热器。其额定功率为1MW，蒸汽温度为512℃，热功率为4.8MW。第一个10MW的塔式太阳能热电站于1982年在美国加利福尼亚州南部建成，该装置称为太阳l号，它总共占地291000m2，中央接收器位于90.8m高的塔顶，产生518℃的高温蒸汽。每块定日镜都安装在台梁上，通过小功率电动机和齿轮箱可改变定日镜的方位，进行双轴跟踪，电动机接收来自中央控制计算机的信号，使定日镜随时跟踪太阳，并将阳光反射聚集到塔顶的接收器上。 太阳1号的最大峰值输出为11700kW，年平均效率低于6%，未达到8.2%的原设计要求。效率低的原因是:电站自身用电量太大;电站的装机容量小，不可能采用更有效的再热式蒸汽轮机，原设计过高地估计了实际的有效日照量，也没有考虑到镜面清洁问题。太阳1号后来被改造为太阳2号电站。太阳2号电站的参数如下:1926块定日镜，熔盐蓄热系统，300英尺的中央吸热器，耗资4000万美元，并网试验运行到1998年。熔盐由60%硝酸钠和40%的硝酸钾组成，700℃时熔融，接近1000℃时成为液态。

　　槽式聚光镜面将太阳光聚在一条线上，在这条焦线上安装有管状集热器，以吸收聚焦后的太阳辐射能。管内的流体被加热后，流经换热器加热工质，借助于蒸汽动力循环来发电。该抛物面对太阳进行一维跟踪（设备轴线南北放置，然后东西旋转跟踪），聚光比是在10～100之间，温度范围可达400℃。该结构形式的热发电系统是在20世纪80年代中期发展起来的。至今为止，已在加利福尼亚州安装了354MW的槽式聚光热发电站，工作介质为导热油，导热油通过换热器可以产生390℃的过热蒸汽以驱动蒸汽轮机发电。这一系统由美国LUZ公司开发，自1984年以来先后开发了14、30MW和80MW的多种系统，总装机容量为354MW。

　　LUZ公司技术路线的主要特点是采用大量抛物面槽式聚光器收集太阳直射光并将其转换成热能。每个集热器由槽式抛物面聚光镜及位于其焦线的集热元件组成，每只集热元件是一支线条集热组合体。每条组合体都是南北水平向放置，有专门的传感器以及计算机控制跟踪系统，传热介质为导热油，它在真空集热管中受热后，通过一组换热器使水变成高温高压蒸汽，去驱动蒸汽轮机发电。该系统需要抛物面接收器的面积为470265m2（680m×680m），导热油在集热器受热后的出口温度为391℃，进入汽轮机的蒸汽压力为100个大气压，Rankine再热循环的热效率为38.4%，由太阳辐射能至电能的最高瞬时效率为24%，由太阳辐射能至电能的年平均效率为14%，由于太阳能是随机的，在工质的回路中增设一个使用常规燃料（通常为天然气）的辅助锅炉，以备急需。LUZ发电系统的核心部件是高精度槽式抛物型聚光镜和真空管集热器件。由于金属管壁的温度在400℃以上，故选择性涂层的性能稳定性、真空度的保持及玻璃与金属管的封接等都是工艺上较难的问题。集热元件的吸热管表面采用了耐高温的溅射选择性涂层，具有良好的稳定性。

　　自1984年LUZ建成第一个发电系统以来，每千瓦装机容量的投资己由6000美元降至2875美元;电费由24美分/（kWh）降至7.5～8.5美分/（kWh）。第一个发电系统的平均效率为10%，现已提高到14%。目前，直接产生高温高压水蒸汽的新型吸收管已研制成功，就可以取消传热油的回路，降低了系统和运行的成本，增加了运行的安全性。

　　借助于双轴跟踪，抛物型碟式镜面将接收的太阳能集中在其焦点的接收器上。接收器吸收这部分辐射能并将其转换成热能。在接收器上安装热电转换装置，比如斯特林发动机或朗肯循环热机等，从而将热能转换成电能。

　　单个碟式斯特林发电装置的容量范围在5～50kW之间。用氦气或氢气作工质，工作温度达800℃，斯特林发动机能量转换效率较高。碟式系统可以是单独的装置，也可以是由碟群构成以输出大容量电力。最早建造碟式太阳热发电实验装置的是美国Advanco公司和McDonnell Douglas公司。

　　国际上，有关采用温差半导体、热离子、热光伏以及用碱金属热电直接转换器（AMTEC）构成碟式或槽式太阳热直接发电的设想和原理实验报告在发表，但最终未实用化，都处于研究阶段［2］。

　　太阳烟囱发电系统的运行是结合了众所周知的三种技术:温室效应、烟囱和涡轮机。在一片广阔的平地上，用透明塑料和玻璃做成一个中间向上倾斜的屋顶。在阳光的照射下，屋内的空气被加热，它和环境的温差高达35℃。利用冷热空气的温度差，加热了的空气将向屋顶上方运动。在屋顶的中央装上烟囱，热空气通过烟囱迅速上升，气流速度高达15m/s。在烟囱的底部安装一台风力发电机，从而将热风的热能转变为电能。这种发电厂容量可达30～100MW;棚内土地具有蓄热功能，可以减少电 能输出的波动。

　　第一个实验性的太阳烟囱发电厂是由德国发起建造的，于1981年安装在西班牙马德里南部150km处，装机容量60kW。该电厂从1982年至1987年经过了长期运行的考验，证明了太阳烟囱发电系统的可靠性，可以用较为简单的技术和部件建造［3］。

　　用太阳池现象产生能量是由以色列科学家最早提出的。太阳池发电系统［4］是利用含盐的水在阳光的照射下因含盐的梯度不同而产生不同的温度梯度来驱动汽轮机发电的。一般池水深度为6m以上，池底涂黑以吸收直射及漫射的太阳辐射能。依此原理，可以将底部池水加热至90℃以上。太阳池沿其深度通常分为三层:顶部对流层，这层很薄，盐水浓度很低，是由风和表面热损失引起的对流;中部约1～1.5m，为非对流层，这层的盐浓度随深度而增加，食盐梯度的增加就避免了下层暖水向较冷的上层对流的可能，此层起到了一个透明绝热层的作用。允许阳光透入，从而避免了底部热水向上的热对流;下部为蓄热层，约2～4m深，盐的浓度更高，一定深度已形成了饱和盐水。此层盐水的比重极高、浓度几乎恒定且温度分布较为均匀，此层的厚度决定了太阳池的蓄热能力。

　　1958年以色列建立了25m×25m的太阳池，并产生了96℃的热水;1973年在以色列政府的支持下，以色列科学研究基金会重提了太阳池项目，并于1977年开始组建了150kW的太阳池发电系统，并入电网成功地运行了7年，由于土地被土地所有者收回，该项目停止试验。在此基础上，1984年又提出了Beith Ha′ava计划，按此计划在以色列政府的部分支持下要建立5MW的太阳池发电系统，但受到预算的限制，太阳池的面积仅实现了设计面积的1.4。与此同时，澳大利亚建立了15kW的太阳池发电系统。美国爱迪生电力公司在加利福尼亚州的萨尔顿湖建造了一座发电能力为5MW的太阳池电站，美国还建立了70kW电和330kW热的热电联供系统，用于海水淡化。1975年，克拉克等人对应用于发电的太阳池进行了一系列研究，先为新墨西哥州的铀矿提供热水，在南加利福尼亚州筹建世界上规模最大的用于发电的太阳池，其发电能力估计可高达600～800MW。

　　以色列曾在死海沿岸先后建造了3座利用太阳池和低温差发电机以及在低温下运行的兰金循环发动机的电站。第一座功率为150kW的实验性太阳池电站，于1979年底正式开始运行，其造价与同样功率的水电站相当，电价也仅为1～2美分/（kWh）。它是以色列准备广泛利用太阳池发电计划的第一步;根据该项计划，围绕死海沿岸建造起一系列太阳池电站后，将可提供以色列全国用电需求的13%左右。美国也根据全国的太阳辐射资源和盐资源进行了普查，所得出的结论是:如果能够将全部可资利用的资源开发出来并加以利用的话，将可满足美国全国电力需要的12%左右，这是一个十分可观的前景。首先在南加利福尼亚州实施盐湖太阳池计划，并筹建了一座最终发电功率可达800MW的大型太阳池电站。

　　20世纪70年代末，湘潭电机厂和美国合作，建成了碟式太阳热发电实验装置。聚光镜直径7.5m，用合金铝制造，分块成形，组合而成，表面贴镀铝薄膜，电脑控制的双轴跟踪系统，用导热油吸热，然后传热给有机工质，驱动涡轮发电机组发电，实验装置发电3kW。

　　中国科学院电工研究所，曾在20世纪70年代末期进行了太阳热发电方面的应用基础研究工作，包括太阳能收集器、太阳辐射的吸收涂层以及斯特林发动机等。“八五”期间，北京市太阳能研究所与中国科学院电工研究所承担了太阳能热发电的关键技术攻关项目，中国科学院电工研究所研制了槽式线聚焦装置，对槽式抛物面集热系统进行了研究，取得了可喜的成果。中国科学技术大学、中国科学院电工研究所在非成像的CPC集热、强化传热方面做 了深入的研究工作。这些都为我国太阳能热发电技术的研发打下了基础。

　　首先，实现发电系统的低成本投资和高可靠性运行对太阳热发电技术发展至关重要;其次，实现规模化发展，建立几十兆瓦至百兆瓦级的大规模并网系统，既节省常规燃料，又能保正系统平稳的运行;同时也应发展方便实用的几十千瓦至万千瓦级的独立系统，以便解决无电、少电地区的急需。

　　［1］ 中国电工技术学会编.电工高新技术丛书（第二分册）.北京:机械工业出版社，2004.

　　［3］ Jorg Schlaich.Tension structure for solar electricity generation.Engi-neering structure，1999（21）:658～668.