太陽能光熱發電的集熱技術現狀及前景分析

胡葉廣， 張 成， 周超英， 杜建軍， 姚英學

(哈爾濱工業大學(深圳)機電工程與自動化學院， 深圳 518055)

太陽能作為一種分布普遍、清潔無污染的新能源，隨著能源危機、環境污染等問題的日益突出而受到人類越來越多的關注[1]。中國蘊含著十分豐富的太陽能輻射資源，陸地上平均每年能接受約50×1018kJ的太陽能輻射，其中，甘肅、寧夏、新疆和青藏高原等地區的太陽能輻射總量最大，一年中的日照時長為3 200～3 300 h，相當于225～285 kg標準煤燃燒所發出的熱量，在《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》中，太陽能開發與利用被列為重點發展方向之一[2]。

由于太陽能分布具有稀疏性、間歇性等特點，聚光型光熱發電成為對太陽能進行高效利用的有效途徑之一，現對太陽能光熱發電在聚光集熱方面的發展現狀及前景進行重點分析。

1 聚光型太陽能光熱發電技術

近年來，太陽能光熱發電技術的應用與發展備受矚目，該技術采用集熱系統采集匯聚太陽光，并利用吸熱器將太陽能轉化為熱能，再通過蒸汽動力循環的熱功轉化過程發電[3]，如圖1所示。目前該技術發展非常迅速，成為可再生能源開發利用領域的優先發展主題，國家能源局也為推動太陽能光熱發電技術的發展，組織實施了一批示范電站的建設[4]。

圖1 太陽能光熱發電系統的工作原理Fig.1 Operational principle of solar thermal power system

2 太陽能集熱系統

根據聚光集熱方式的不同，太陽能光熱發電集熱系統主要有4種類型：槽式集熱系統、塔式集熱系統、碟式集熱系統以及線性菲涅爾式集熱系統[5]。

2.1 槽式集熱系統

槽式集熱系統主要由槽式拋物面聚光鏡與真空吸熱管等結構構成，如圖2所示。位于拋物面聚光鏡焦線處的真空集熱管接收槽式拋物面聚光鏡的聚焦能流，傳熱工質(通常采用導熱油)在真空集熱管的吸熱管中流動并吸收熱量，吸熱管表面鍍有選擇性涂層，以最大化吸收輻射能流、減少熱損失。槽式集熱系統在跟蹤方式上通常采用東西向單軸跟蹤，結構簡單，安裝維護方便，而且相比于其他集熱系統，具有最佳的土地利用率。然而聚光器的線聚焦方式決定了其聚光比較低，通常在50～90，系統的運行溫度最高也只有400 ℃左右，導致太陽能轉化效率受限，適用于太陽能中低溫利用[6]。

圖2 槽式集熱系統Fig.2 Solar parabolic trough heat collecting system

槽式聚光器的聚光效率主要受幾何效應和光學效應兩種因素影響，其中幾何效應包含入射角修正系數、遮擋系數、集熱器端部系數、余弦損失系數等因子，而光學效應則包含吸熱管吸收率、聚光器鏡面反射率、聚光器攔截因子、鏡面玻璃及吸熱管玻璃穿透率等因子[7]。針對如何提高槽式集熱系統的聚光效率，中外研究人員開展了相關的研究工作。Jeter[8]建立了槽式拋物面聚光器的能流密度分布模型，并計算得到了LS-2型槽式集熱系統的聚光比分布規律。Carcia-Cortes等[9]對槽式聚光器的表面精度進行光學檢測，進而獲得聚光器的聚光效率，并提出聚光器的優化設計方法。王金平[10]對槽式聚光鏡陣列的布置與跟蹤方式進行了分析，結果表明南北布置東西跟蹤年均聚光效率要高于東西布置南北跟蹤的聚光器。

槽式真空集熱管傳熱形式主要包括對流傳熱、熱傳導以及輻射傳熱[11]。對流傳熱主要發生在3個位置：吸熱管內表面與傳熱工質之間、吸熱管外表面與玻璃管之間、玻璃管與外界大氣之間。熱傳導主要發生在4個位置：吸熱管壁、玻璃管壁、真空層以及集熱管支架。輻射傳熱主要發生在兩個位置：吸熱管與玻璃管之間、玻璃管與環境之間。Garcia-Valladares等[12]根據玻璃管、吸熱管以及傳熱工質之間的熱平衡方程，得到了槽式真空集熱管的傳熱傳質特性。Rolim等[13]分析了非均勻能流密度分布對集熱管傳熱特性的影響，為槽式集熱管傳熱性能的精確分析提供了依據。孔偉強等[14]建立了真空管吸熱器的整體動態能量平衡模型，并提出了吸熱器的動態測試方法，結果表明，該方法能夠得到穩定的測試結果。此外，中外研究人員針對真空集熱管結構開展了大量的優化設計工作，以強化工質傳熱、提高集熱管熱效率[15-19]。

目前槽式集熱技術已經趨于成熟，美國與以色列組建的Luz公司早在1985年就建設了全球首座商業化SEGS槽式光熱電站，總裝機容量達到354 MW[20]。此后，大批槽式電站相繼建成，包括西班牙的Andsol電站、南非的KaXu Solar One電站、美國的Solana電站等[21]。中國在2018年也建成了國內首個大型商業化槽式光熱發電項目——中廣核德令哈50 MW槽式電站。

2.2 塔式集熱系統

塔式集熱系統主要由定日鏡聚光鏡場、吸熱塔以及位于塔頂的中央吸熱器等部分構成，其通過定日鏡場采集匯聚太陽能到中央吸熱器，再通過傳熱工質(通常采用熔融鹽、水或空氣)吸收能量進行光熱轉化，如圖3所示。定日鏡鏡面具有一定曲率可以將太陽光聚焦到吸熱器，由于塔式集熱技術采用點聚焦方式，定日鏡陣列需采用雙軸跟蹤，結構更加復雜。相比于其他幾種集熱技術，塔式集熱系統對鏡場的跟蹤聚光性能要求高，且占地面積更大，因此塔式集熱系統的建設成本高、運行維護難度大。然而塔式集熱系統在規模化應用中(50～100 MW)經濟效益更高，而且系統具有更高的聚光比(600～1 000)和集熱溫度(可達1 000 ℃)，因而太陽能轉化效率的提升潛力更大[22-23]。

圖3 塔式集熱系統Fig.3 Solar tower heat collecting system

塔式鏡場由定日鏡陣列構成，其聚光效率主要受到余弦效應、陰影遮擋效應、鏡面反射率、大氣衰減效應、吸熱器溢出效應等因素的影響[24]。針對如何提高塔式集熱系統的聚光效率，中外研究人員開展了相關的研究工作。加拿大ATS公司于1980年代研發出總反射面積為148 m2的ATS150定日鏡，其由多面面積為1.22 m2的球形子反射鏡拼接而成，經過Sandia實驗室測試，該定日鏡性能穩定，具有較高的聚光精度，為后續的定日鏡方案設計提供了參考[25]。中科院電工所的Guo等[26-27]、Zang等[28]設計制造出一種4 m×4 m的輪胎面定日鏡，通過考慮定日鏡的偏心問題，對跟蹤系統進行誤差補償并得到定日鏡的精確跟蹤數學模型，實驗測試表明定日鏡跟蹤精度在2.5×10-6m以內。由于塔式鏡場包含了數量眾多的定日鏡，這些定日鏡系統在鏡場中如何進行排列放置成為塔式太陽能發電的研究熱點和難點，因為鏡場布置的好壞會直接影響到整個鏡場的聚光效率，因而研究人員對塔式定日鏡場的布置優化開展了相關的研究工作[29-31]。美國桑迪亞國家實驗室的Kistler[32]在20世紀80年代開發出DELSOL鏡場布置優化工具，能夠對鏡場進行徑向交錯式的初始化設計，并能夠基于經濟效益對塔高、吸熱器尺寸、鏡場邊界以及鏡場的布置進行優化，適特別用于大型塔式聚光鏡場的初始設計。Noone等[33]提出一種仿生鏡場布置(螺旋葉序列)，優化后鏡場的效率相比于傳統徑向交錯式鏡場提高了0.36%，同時可減少占地面積15.8%。中科院長春光機所的魏秀東等[34]為了實現對塔式電站鏡場的優化設計，提高設計響應速度，提出了利用腔式吸熱器幾何特性和定日鏡效率因子相結合的鏡場邊界限制方法，并開發出鏡場優化工具HFLD，研究人員利用該工具實現了對北京延慶塔式鏡場的高效布置優化。丁婷婷等[35]則通過考慮鏡場的陰影遮擋損失，對鏡場進行布置優化，得到了圓形聚光鏡場，并且對該鏡場的余弦效率進行了重點仿真和分析，進而重新定義了定日鏡的鏡場布置方案。

塔式集熱系統采用中央集熱結構，吸熱器位于吸熱塔頂部用于接收鏡場聚焦的太陽輻射能，吸熱器由多個吸熱板構成，每個吸熱板又由多根吸熱管并聯相接，中央吸熱器的傳熱形式同樣包括對流傳熱、熱傳導以及輻射傳熱[36-38]。對流傳熱主要發生在吸熱管與傳熱工質之間以及吸熱板與外界大氣之間。熱傳導主要發生在吸熱管壁以及吸熱器支架。輻射傳熱主要發生在吸熱板與外界環境之間。Lata等[39]分析了吸熱器尺寸對傳熱特性及散熱損失的影響，并對吸熱器管徑及壁厚等參數進行了最優化設計。楊小平等[40-41]、Yang等[42]建立了非均勻能流密度下的吸熱器傳熱模型，通過模擬得到工質流量對吸熱器溫度分布特性以及努塞爾數的影響，為綜合評價吸熱器傳熱性能提供了依據。中科院電工所的張強強等[43]分析了太陽輻射度變化時吸熱器出口溫度的響應特性，得到了多云天氣對吸熱器熱效率的影響規律。

目前塔式集熱技術發展非常迅速，美國、西班牙等已建設了多個塔式光熱電站。美國于1982年建成Solar One電站，額定功率為10 MW，Solar One電站的建成與成功運行驗證了塔式光熱發電的技術可行性，隨后又相繼建立了模塊化電站Sierra Sun Tower和世界上最大的塔式電站Ivanpah等[23]；西班牙在2007年建設了歐洲第一座商業化塔式熱電站PS10，設計功率為11 MW，隨后又相繼建設了PS20與Gemasolar等塔式電站[5]。近年來，中國的塔式熱發電技術得到了大力發展，中國科學院于2012年在北京八達嶺建成了國內第一座塔式熱發電示范電站，此后，德令哈電站、敦煌電站等一批塔式熱電站正積極建設中。

2.3 碟式集熱系統

碟式集熱系統主要由碟式拋物面聚光鏡與斯特林發動機等構成，其結構如圖4所示。碟式聚光器在跟蹤過程中始終指向太陽并將太陽光聚焦到位于焦點的斯特林發動機中。碟式聚光器采用雙軸跟蹤方式，聚光器在不同姿態下都需維持較高的鏡面精度和結構強度。碟式吸熱器內部的傳熱工質吸收太陽輻射能，并直接作為斯特林發動機的做功工質[44]。碟式集熱屬于點聚焦，聚光比最高可以達到3 000，集熱溫度可達到1 000 ℃，能量轉化效率高，但碟式集熱系統結構復雜、儲熱困難，更適用于分布式太陽能發電[45]。

圖4 碟式集熱系統Fig.4 Solar dish heat collecting system

Truscello[46]提出聚光鏡表面精度、鏡面反射率以及跟蹤誤差等光學效應對碟式聚光器的聚光精度具有重要影響，并認為聚光器、跟蹤系統以及吸熱器等組件成本是碟式集熱系統成本的主要組成部分。Harris等[47]研究了碟式吸熱器的傳熱性能，分析了吸熱器傾角以及幾何形狀對吸熱器傳熱效率的影響規律，為碟式吸熱器的結構優化設計提供了依據。Flesch等[48]分析了風速和吸熱器傾角對吸熱器對流散熱損失的影響，結果表明，呈一定傾角吸熱器的對流熱損失會隨著風速增大而顯著增加。Seo等[49]對比分析了圓錐形、半球形、圓柱形以及圓柱半球形等4種類型碟式吸熱器的傳熱性能，結果表明，圓柱半球形吸熱器具有最優的傳熱性能。

碟式熱發電由于技術難度大仍處于試驗示范階段，目前已有多個碟式示范系統建成并運行，包括美國的SunCatcher、SunDish以及PowerDish系統，西班牙的EuroDish系統，澳大利亞的Big Dish系統等。中國的碟式熱發電技術也取得了一定的進展，由中航工業西航投資開發的國內最大的兆瓦級碟式熱電站已經開工建設[50]。

2.4 線性菲涅爾式集熱系統

線性菲涅爾式集熱系統與槽式系統類似，采用線聚焦方式，主要由條形反射鏡陣列、柱型拋物面鏡以及吸熱器等構成，如圖5所示。條形反射鏡陣列通過太陽跟蹤將太陽光反射到柱型拋物面鏡表面，鏡面將太陽光再次反射聚焦到位于焦線的長管形吸熱器中[51-52]。線性菲涅爾式系統建設成本低，安裝維護方便，然而太陽能轉化效率較低[53]。

圖5 線性菲涅爾式集熱系統Fig.5 Solar linear Fresnel heat collecting system

Mills等[54]提出了反射鏡陣列的交替式聚焦方式，不僅有效降低了線性菲涅爾式集熱系統的占地面積，而且能夠提高系統的聚光效率。杜春旭等[55-56]對線性菲涅爾式鏡場進行了無遮擋設計，通過分析相鄰鏡元距離給出了無遮擋鏡場布置條件。Natarajan等[57]建立了碟式吸熱器傳熱的數值仿真模型，分析了吸熱器形狀、傾角等參數對散熱損失的影響。

目前，線性菲涅爾式技術仍以示范為主，但近年來也建成了少量的商業化電站。西班牙在2012年建成了世界最大的線性菲涅耳式電站Puerto Errado，裝機容量達到30 MW，運行溫度達到 270 ℃。中國也于2020年建成了國內首座商業化線性菲涅爾式光熱電站——50 MW敦煌電站[58]。

2.5 4種集熱系統技術對比

對以上4種典型的集熱系統進行綜合對比，結果如表1所示。從表1可以發現，4種集熱系統都有各自獨特的技術特點：槽式集熱采用線聚焦方式，聚光比和工作溫度較其他3種方式低，但技術最成熟；塔式集熱技術能量轉化效率高、蓄熱能力強，有利于降低儲熱與發電成本，發展前景最廣闊；碟式集熱系統單機容量小、效率高，但蓄能難度大，適用于分布式太陽能發電；線性菲涅爾式集熱系統結構簡單、建設成本低，但能量轉化效率低，應用較少。在當前的光熱發電技術體系中，槽式與塔式集熱系統的發展前景與開發價值最高，是最主要的兩種集熱技術路線[59-61]。

表1 4種典型的集熱系統技術特點[23]

3 太陽能集熱技術發展前景分析

槽式和塔式作為目前最為主流的兩種集熱技術路線，各自都存在著優勢與缺點：槽式集熱技術成熟，成本低，但真空吸熱管以及傳熱工質導熱油不耐高溫，系統的工作溫度通常小于400 ℃，動力循環效率因此受到限制；塔式集熱系統聚光比高、運行溫度高，但系統占地面積大、投資成本高，而且鏡場規模過大將導致聚光效率下降[62]。

圖6 槽塔聯合集熱基本原理圖Fig.6 Basic principle of trough-tower combined heat collection

槽塔太陽能聯合集熱發電系統的結構復雜、影響因素眾多，根據太陽能熱電站的運行經驗，運行溫度、運行壓力(汽輪機入口蒸汽溫度、壓力)是影響系統運行性能的兩個最重要參數，而考慮槽塔聯合集熱發電系統的雙集熱場結構，槽塔鏡場容量比例即槽式鏡場容量與塔式鏡場容量之比也將是系統的一個關鍵影響參數。因此，研究運行溫度、運行壓力以及槽塔鏡場容量比例對槽塔聯合集熱系統發電性能的影響規律，據此開展參數的優化設計，以建立最優的槽塔聯合集熱發電系統，將是槽塔聯合集熱發電系統的研究重點。

4 結論

目前太陽能光熱發電系統存在的主要問題是經濟性不足，其發電成本是常規能源發電成本的3～5倍，主要原因有：①受聚光效率、動力循環效率等因子的影響，光熱發電效率不高；②太陽能集熱場建設成本高，集熱場成本占到電站總投資成本的40%。由此可知，集熱系統對于光熱發電性能具有重要的影響，槽塔聯合集熱能夠提高純槽式系統的集熱溫度，又能降低純塔式系統的集熱成本，同時綜合了槽式成本低、塔式運行溫度高的優勢，有利于實現高效、低成本光熱發電，發展前景十分可期。