浅谈太阳能热发电技术

1、    浅谈太阳能热发电技术    贾志军 董星亚 苗宏 王佰仟 刘笑晗【摘要】本文作者围绕着太阳能热发电技术，分别介绍了单轴跟踪技术和双轴跟踪技术，分析了太阳能热发电技术的各种配套技术的发展趋势，最后就其应用趋势谈了一些自己的看法。【关键词】太阳能；热发电技术；碟式系统中图分类号：tk511 文献标识码：a 文章编号：引言太阳能热发电是指将太阳光聚集并将其转化为工作流体的高，温热能，然后通过常规的热机或其它发电技术将其转换成电能的技术。经过30多年的研究和实际运行经验积累，目前太阳能热发电的技术取得了重大进展和突破，电站关键设备的成本也有较大幅度的下降

2、。太阳能热发电技术可以分为中高温发电和低温发电。经过几十年的研究发展，中高温发电技术更为成熟，该技术需通过跟踪聚焦来获取所需高温，按照跟踪方式的不同又分为单轴系统和双轴系统。1 单轴跟踪技术这一技术系统的结构特点是反射镜属于狭长型，仅绕一个轴转动跟踪，使阳光聚焦于线形吸收器上。1.1 抛物槽式系统1984 年美国南佛罗里达州建立的第一个太阳能发电系统(segs)，采用单轴抛物槽式反射器，转轴按南北方向放置(夏季聚焦的偏差较大)，聚光比在 191 到 261 之间。吸收器表面采用铬金选择性涂层和金属陶瓷涂层，而后者比前者具有更好的性能，工作温度可达 391 ，用天然气对蒸汽进行过热。这种太阳能-

3、化石燃料的组合式系统较以往的发电技术具有更好的经济性，并能满足峰值负荷的需求。但由于没有环境津贴的实质性补助，该系统由于成本高而缺乏市场竞争力。1.2 线形菲涅尔反射器系统(lfr)这是不同于槽式系统的另一种单轴跟踪技术。系统的吸收器固定在镜面上方的空间，反射器由许多长条形镜面组成，反射光束会聚在置于高处的长形塔式接收器上，接收器随反射器转轴平行移动。无论就目前还是从长远来看，clfr 和solarmundo 都比槽式系统的发电成本低。2 双轴跟踪技术双轴跟踪系统中，聚光反射器的高度角和方位角都可调整，属于点聚焦方式，与单轴系统相比可以获取更高的集热温度。主要是碟式发电系统和塔式发电系统。2.

4、1 抛物碟式系统(1) 澳大利亚国立大学 sg3 碟式系统sg3 是一种有发展潜力的阵列技术。整个反射场中的蒸汽被集中起来，然后流过大型蒸汽轮机。反射器呈六角形，直径 25 m，由 54 块三角形镜面组成。镜面材质为薄玻璃，其支撑结构由泡沫和轻金属组成。焦距为 13.1 m。镜面背部的支架用来改变反射镜的高度，底部支架用来改变方位角。该系统的研制重点强调减轻质量，加强结构。(2) 波音 ses 盘式系统这一系统由美国研制，至今已运行 10 000 多小时，日平均效率为 24%，峰值效率 29.4%，峰值电力 24.9 kw，太阳能利用率为 96%。其特点是使用可工作于 720 的一种斯特灵引擎

5、，并可用天然气驱动。2.2 单塔-中央集中式发电系统塔式太阳能发电技术一直为大型单塔中央接收器的模式所统治。较成功的一个例子就是建于 1982 年的美国 solarone 系统。该系统具有 11.7 mw 的发电能力，工作温度为510 ，采用水-蒸汽的换热方式，储热介质为油，介质的最高温度为 302 ，峰值转换效率 8.7%，年均转换效率 5.8%。其后续系统是 20 世纪 90 年代发展起来的 solar two，该系统证实了熔盐作为储热介质所具有的良好性质。近年来，西班牙建成了两个更为先进的商业化中央接收器塔式系统，分别是 10 mw 的 ps10 项目和 15 mw 的 solartre

6、s 项目。2.3 多塔-分布式系统由于碟式聚光系统的占地面积和外观均不适于城市环境，而更适合建于偏远地区，在城市中，塔式系统具有发展优势。西方一些国家对电力生产和输送管制的撤销，使化石燃料电厂的分散式生产呈上升趋势，这就使得集中置塔的模式显得不合时宜，因而双轴系统在城市中的应用重点将向分散化塔式系统转移。3 各种配套技术的发展趋势3.1 聚光装置和吸收器先进的发电系统多采用镀银玻璃镜面作反射器，研制的方向是减轻质量并加强结构支撑力。铬具有良好的冶金性质，目前以其作为吸收器的选择性涂层的吸收率可达 0.96。减少高温太阳能吸收器在高温状态下的辐射和对流损失可以提高系统的集热温度和效率。根据辐射光

7、的分布，采用分级吸收器已被理论证实为可行的。在光伏 - 热组合系统中，与传统光伏电池相比，新式光吸收器可以比电子收集器维持更高的有效温度。通过真空光电物形聚光器可以提高投射到光伏板上的太阳能密度。光伏-热组合系统中新式光伏吸收板背部有翅片以增强换热。总体上说，气流温度升高时 pv/t 组件的产电量下降，怎样使两者之间达到最佳组合是今后的研究热点。3.2 发电装置和热力循环为了保证一定的工作温度，目前多选用朗肯循环热机。由于成本相对较低，布雷登式小型汽轮机相对于斯特灵引擎来说，在双轴跟踪技术的市场上会占有越来越多的份额。在真空管集热系统和槽式系统中采用有机朗肯循环热机，则会成为光伏系统最有力的竞

8、争者。要在短期内使太阳能热发电技术具有与常规热电厂的竞争力，必须使其成本降低 50以上。新式的用于太阳能热发电的热力循环有望实现这一点。这些循环以多元混合物作为工质，如氨水，相对于常规工质如蒸汽的定温定压沸腾过程来说，改进的循环对显热资源具有更好的热匹配性,能够提高资源的有效利用。3.3 储热装置由于油的不稳定性和较高的价格，在朗肯循环发电系统中采用熔盐作为储热介质正成为一种应用趋势。另一种新的介质是盐的离子液体，它在常温下是液体，温度升高到 400 时也能作为传热流体。离子流体的热物理和化学性质适于槽式电厂的传热和短期储热。有水、卤化物和金属离子混入时会影响其物理性质。熔点、液相范围、蒸气压

9、、热容、导热性能、与特定金属的兼容性等是选用时的主要参数。预计离子液体会取代熔盐成为新一代的储热介质，这将使系统的运行更安全。而在采用空气作传热介质的容积式接收器系统中，氧化铝、混凝土、岩石(或与水相结合)等固体热储则日益增多。4 应用趋势4.1 热-光伏组合式太阳能发电系统将入射光按光谱分开，这样就可以同时利用太阳能的高温部分和光伏吸收器进行吸收，达到产电的优化。目前对分光技术已有研究，其机理类似于用两个不同的热机来优化热效率。以色列等国正积极推进此研究，以期对太阳能进行热和光伏的组合式利用，达到提高效率的目的。这一技术是可行的，系统的总效率可达 30%40%。不同光谱带组合的集中式 pv-

10、t 转换技术提高了效率，例如单晶硅可以以 55%60的效率在 600900 nm 的光谱范围进行光电转换，所聚集的其余的热则可用于朗肯或布雷登循环的热发电。实现途径是双曲形塔式反射器用于分光，其镜面由透明硅石玻璃覆以绝缘层组成，用来滤光。光伏组件置于上部聚光区，吸收经过分光器选择的适于光伏特性的光，组件的具体位置由聚光水平和光束分布的均匀程度而定。其余属于反射谱带的光则直接进入靠近地面的下部聚光区，该处设有 cpc 装置，用来收集反射光并将其聚光比提高至运行温度所需水平。4.2 热电联产系统(chp)热电联产并不是新概念，但与太阳能相结合，实现热电冷三联供则在我国具有很大的发展潜力并可获得由于

11、减少化石燃料燃烧而带来的环境效益。采用太阳能作为能源的抛物槽式或碟式电厂，其温室气体的排放量约相当于 co2的 90g/kwh，具体数值与电厂的规模、是否具备储热系统以及是否用化石燃料作辅助能源有关。最令人关注的是小型太阳能chp 系统在独立式建筑中的应用，对其进行研究可对大型chp 系统的发展提供有益借鉴。小型是指 1 mw 以下的系统，一般适合于非工业性应用的低能耗场合，如停车场、独立居民楼等。系统的设计着眼于满足目标建筑的全年用能需求，由于技术复杂、售价及维护费用较高，要推广此项技术就要提高联产系统的紧凑性、成本效益，并减少噪音。值得注意的是，在由热机、发电机、余热回收装置组成的传统型联产系统中，增加一台热泵装置，则能够为整个系统的运行提供更多的模式，提高应用的灵活性和整体性能，并且不需增设其它能源，是值得研究推广的一种应用模式。结束语太阳能热发电技术是极具发展潜力和广阔市场前景的一项新能源应用技术，是太阳能利用中最经济的方式。在国家政策的支持下，选择研发适合我国国情的太阳能热发电系统，以加快太阳能发电的规模性利用，用阳光经济推动能源革命，这对改变我国的能源消费结构具有十分重要的现实意义。