太陽能聚熱發電方式的選擇

嚴剛峰，方紅，程浩，李紅連

（ 成都大學電子信息工程學院，成都 610106）

1 太陽能聚熱發電的重要意義

如何高效獲取能源在人類社會發展以及人類社會的文明進程中占有極其重要的地位，在過去的一個世紀中，煤炭、石油、天然氣等化石能源的開發與利用揭開了大工業時代的序幕，近百年以來，人類總的年能源供應量增長了近十倍。然而，無節制的資源開發和低效的能源利用造成了大量的資源浪費與日益嚴重的生態環境污染，人類的生存空間受到了極大影響，在新的世紀里，能源科學不得不同時面對資源短缺與環境污染的雙重壓力，因此，高效開發可再生資源具有重要意義［1－4］。

我國是一個人口眾多、經濟快速增長的發展中國家，能源量的發展與質的改善是經濟發展以及人民生活改善的基本保證。如何滿足能源數量和質量的需求，將會在相當長時期內成為我國能源發展戰略制定的重要依據。我國能源消耗總量達到22.34億噸標準煤，能源缺口為1.73億噸標準煤，其中石油自給率為55.4%(2005年數據)。隨著我國經濟的快速發展，清潔能源消耗和缺口還將進一步加大，供需矛盾將日益明顯［5］。同時，從我國近年來的能源消耗統計可以看出，我國的能源發展存在三大矛盾:

(1)大量使用煤炭與環境保護以及減排溫室氣體的矛盾

(2)能源大量消耗和國內油氣資源短缺的矛盾

(3)大量進口石油天然氣和能源安全的矛盾

面對上述問題，我們應采取強化節能、提高能源的綜合利用效率的同時，更重要的是大力發展可再生能源來緩解上述矛盾。

世界能源儲量最多的是太陽能(占再生能源的99%左右)，因其獨具的儲量“無限性”、存在的普遍性、開發利用的清潔性，而受到廣泛關注，世界各國紛紛展開對太陽能利用的研究工作，其中包括太陽能的收集、轉換、儲存及輸運等，并取得顯著進展。世界能源發展戰略目標也是建立以太陽能為主的可持續發展結構體系，其重要性將與日俱增。許多發達國家都把太陽能等可再生能源從原來的補充能源上升到戰略替代能源的地位。在我國，隨著建設資源節約、環境友好型社會目標的提出，太陽能等可再生能源利用己成為我國能源戰略和能源安全的重要內容。2005年國家政府報告《國家中長期科學和技術發展規劃綱要2006－2020年》強調指出:太陽能作為我國首要發展的可再生能源技術，己成為無可爭議的可持續發展能源的必由之路。因此，從能源戰略和能源安全的角度看，盡快大力發展太陽能，探索和開發創新技術，具有十分重要的意義。

太陽能發電分為太陽能直接光發電和太陽能間接光發電。太陽能直接光發電有太陽能光伏發電、太陽能光感應發電等。太陽能間接光發電有太陽能熱發電、太陽能光化學發電、太陽能光生物發電等。太陽能熱發電分為太陽能熱直接發電和太陽能熱間接發電。太陽能熱直接發電有太陽能熱離子發電、太陽能熱光伏發電、太陽能熱溫差發電和太陽能熱磁流體發電等。太陽能熱間接發電分為非聚光類太陽能熱發電(低溫)和聚光類太陽能熱發電(中、高溫)。非聚光類太陽能熱發電有太陽池熱發電、太陽能熱氣流發電等。聚光類太陽能熱發電有塔式太陽能聚熱發電、槽式太陽能熱發電、碟式太陽能熱發電等。目前，較為成熟的太陽能發電技術是光伏發電和太陽能熱發電。在太陽能熱發電中，通過聚光產生高溫進而發電，其效率較高，更具應用前景。

太陽熱能發電是一項綜合性技術，涉及太陽能利用、儲能、新型材料技術、自動控制技術和高效汽輪機技術等問題，是當今世界在太陽熱能利用方面研究的重要內容。自從1878年在巴黎建立了第一個小型點聚焦太陽能熱交換式蒸汽機以來，能源領域專家從各個方面對太陽能熱發電技術展開了深入的探討，目前美國、德國、以色列、法國、西班牙等國都在深入開展太陽能熱力發電的研究與開發，并在設計理論、材料工藝和熱儲存系統等方面取得了較大進步。特別是近幾十年來，美國、日本和歐洲等國相繼建立起各種不同類型的試驗示范裝置和商業化運行裝置，促進了太陽能熱發電技術的發展和商業化的進程，太陽能熱發電技術取得了顯著的提高。據不完全統計，僅在近十年間，全世界就組建了500 KW以上的太陽能熱發電站幾十座。據最新報道，美國已通過《美國復蘇與再投資法》的法案，計劃向可再生能源生產領域投入230億美元，近期美國能源部就將投入近20億美元資助兩家公司興建太陽能發電廠，以支持美國太陽能行業的發展。德國則計劃投資4000億歐元，在北非建立超大型聚光太陽能熱發電站，將可滿足歐洲15%的用電需求。

因此，大力發展太陽能聚熱發電是世界各國能源戰略的重要組成，是解決社會發展能源短缺的重要途徑。

2 太陽能聚熱發電方式

按照集熱溫度的高低，太陽能熱發電系統大致可以分為槽式太陽能熱發電系統、碟式太陽能熱發電系統和塔式太陽能聚熱發電系統。下面簡要敘述這幾類系統的基本原理、特點和存在的問題。

2.1 槽式太陽能熱發電系統

槽式太陽能熱發電系統是利用槽形拋物面反射鏡將太陽光線聚焦到吸熱器上，聚光吸熱器由眾多分散布置的槽形拋物面聚光吸熱器串、并聯組成，對傳熱工質進行加熱，經換熱產生蒸汽，推動汽輪機帶動發電機發電的能源動力系統［6］。

槽式太陽能熱發電系統分為兩種形式:一種是傳熱工質在各個分散的聚光吸熱器中被加熱形成蒸汽匯聚到汽輪機，稱之為單回路系統，另一種是傳熱工質在各個分散的聚光吸熱器中被加熱匯聚到熱交換器，經換熱器再把熱量傳遞給汽輪機回路，稱之為雙回路系統。槽式系統以線聚焦取代點聚焦，并且聚焦的管線，隨著圓柱拋物面反射鏡一起跟蹤太陽運動，可以將光熱轉換效率提高到70%左右。圖1為美國加州建成的SEGS槽式太陽能聚熱發電站。

圖1 美國加州建成的SEGS槽式太陽能聚熱發電站

槽式系統的主要特點在于:

(1)槽形拋物面吸熱器是一種線聚焦吸熱器，對太陽進行一維跟蹤，其聚光比在10到30之間，集熱溫度一般低于400℃，屬于中溫系統，這種系統容量可大可小，商業化運營對系統容量沒有要求;

(2)吸熱器等裝置都布置于地面上，安裝和維護比較方便;

(3)各聚光吸熱器可同步跟蹤，使得成本相對較低。

槽式系統的主要問題在于:

(1)由于太陽能吸熱器(中間的聚焦管線)固定在槽式反射鏡上，隨著反射鏡一起運動，因而導致整個系統的機械裝置比較笨重，而且熱管的連接點必須是活動性的，這種結構保溫較為困難，并且容易損壞。

(2)槽式系統的抗風能力較差，不適宜工作在大風地區，每個槽式反射鏡的風阻很大。因此，國外現有的槽式太陽能熱發電系統一般應用于無風或微風的地區。這與我國北方多風甚至大風的氣候條件有很大差異，在我國應用必須要改變或加強反射鏡的支撐結構以增強槽式系統的抗風性能，這樣必然導致投資成本和熱發電成本大幅增加。

(3)槽式系統的太陽能吸熱器是很長的集熱管，盡管發展了許多新的集熱技術，但其散熱，包括由熱輻射造成的散熱面積要比其有效的受光面積大，因此與點聚光系統，如碟式和塔式相比，槽式系統的熱損耗很大。

(4)高質量的槽形拋物面聚光鏡以及集熱管的加工都存在較困難的工藝問題，損壞后維修成本也很高。

2.2 碟式太陽能熱發電系統

碟式系統也稱之為盤式系統，是采用盤狀拋物面鏡進行聚光集熱［7］。其結構從外形上看類似于大型拋物面雷達天線。由于盤狀拋物面鏡是一種點聚焦吸熱器，其聚光比可以高達數百到數千，因而可以產生非常高的溫度。這種系統可以獨立運行，其功率一般為幾十千瓦，聚光鏡直徑約10～15 m。碟式太陽能熱發電系統也可以做成較大的系統，即可以將多臺裝置并聯起來，組成小型太陽能熱發電電站，為用戶提供電力需求。圖2為Zenith Solar公司所建的碟式太陽能熱發電站。

圖2 Zenith Solar公司的碟式太陽能熱發電站

碟式系統的主要特點在于:

光熱轉換效率高，發電系統壽命長、效率高、靈活性強等特點，可以單臺供電，也可以多套并聯使用，非常適合邊遠地區和山區發電。

中國有色金屬工業協會會長陳全訓出席投產儀式，青海省副省長王黎明宣布項目投產，集團公司黨委書記、董事長張永利，西寧市委常委、西寧(國家級)經濟技術開發區管委會常務副主任許國成分別致辭。

碟式系統的主要問題在于:

(1)斯特林發電機效率較低，致使商業運營成本很高;

(2)斯特林發電機要求在高溫下工作，考慮到太陽能的分散性，增大聚光反射鏡面積來提高發動機的輸出功率是有效的，但過于龐大的聚光反射鏡因抗風和跟蹤等條件的限制，使得工藝結構復雜，制造成本昂貴。

2.3 塔式太陽能聚熱發電系統

塔式系統又稱為集中型系統，其聚光裝置由許多安裝在場地上的大型反射鏡場組成，這些反射鏡通常稱為定日鏡。每臺定日鏡都配有太陽跟蹤機構，對太陽進行雙軸跟蹤，準確地將太陽光反射集中到一個高塔頂部的吸熱器上［8］。塔式系統的聚光比通常在500～3000之間，系統最高運行溫度理論上可達到2000℃。經定日鏡反射的太陽能聚集到塔頂的吸熱器上，加熱吸熱器中的傳熱工質，生產出過熱蒸汽，推動汽輪發電機發電。圖3為eSolar公司的Sierra塔式太陽能聚熱發電站。

塔式系統的主要特點在于:

(1)平面反射鏡量產成本較低，維護和更換成本也較低;

(2)聚光倍數高，容易達到較高的工作溫度;

(3)能量集中過程是靠反射光線一次完成的，方法簡單有效;

圖3 eSolar公司的Sierra塔式太陽能聚熱發電站

塔式系統的主要問題在于:

(1)定日鏡的高精度跟蹤與低成本的矛盾;

(2)高效吸熱器的耐高溫吸熱材料及其制造工藝問題;

(3)聚光集熱系統、儲熱系統和動力系統的系統集成及其優化方法。

三種太陽能熱發電系統主要性能和特點比較如表 1［9］所示。

表1 三種太陽能熱發電系統性能和特點的比較

3 塔式太陽能聚熱發電系統的優勢

對于建立大規模太陽能集中發電站而言，塔式太陽能聚熱發電系統與槽式太陽能熱發電系統相比，雖然塔式系統熱發電的一次投資成本較槽式系統高略，但其它方面的優勢明顯，體現在:

(1)聚光材料部分

塔式太陽能聚熱發電系統的反射鏡量產成本低，維護和更換成本也較低。而槽式太陽能熱發電系統需要高質量的槽形拋物面聚光鏡，高性能的集熱管。不僅槽形拋物面聚光鏡、集熱管制作存在較困難的理論以及工藝問題，而且損壞后維修和更換成本也很高。

(2)聚光原理部分

塔式太陽能聚熱發電系統是點聚光，其能量集中過程是靠反射光線一次完成的，方法簡單有效，聚光倍數高，容易達到較高的工作溫度。而槽式太陽能熱發電系統是線聚光，需要通過很長的集熱管完成，熱損耗大，不易達到較高的工作溫度。

(3)聚光場的維護

塔式太陽能聚熱發電系統的聚光場是一組定日鏡，每個定日鏡均有控制機構完成其定日功能，精度較高。而槽式太陽能熱發電系統的聚焦管線均固定在槽式反射鏡上，隨著反射鏡一起運動，因而導致整個系統的機械裝置比較笨重，而且熱管的連接點必須是活動性的，這種結構導致保溫困難，容易損壞。

(4)集熱部分

塔式太陽能聚熱發電系統的吸熱器需要引進(目前，成熟的吸熱器供應商有以色列和美國的相關公司)。槽式太陽能熱發電系統集熱管同樣需要引進(玻璃管與金屬內管的封接技術僅以色列掌握，世界各國均引進以色列的這種產品來展開槽式太陽能熱發電系統的建設)。

(5)儲熱部分

塔式太陽能聚熱發電系統和槽式太陽能熱發電系統同樣面臨儲熱材料、儲熱技術方面的難題。

(6)汽輪發電系統、控制系統

這些部分，塔式太陽能聚熱發電系統和槽式太陽能熱發電系統相比，結構和組成相同，均無實現難點。

因此，塔式太陽能聚熱發電系統是下一代太陽能大規模熱發電系統的理想方式，應該大力發展塔式太陽能聚熱發電電站。

［1］嚴剛峰，周勇，石航飛，等.一種簡捷的定日鏡跟蹤角度計算方法［J］.太陽能，2011，1:23－24.

［2］張耀明，王軍，張文進，等.聚光類太陽能熱發電概述［J］.太陽能，2006，1:39－41.

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