聚光太阳能发电技术

第五节　聚光太阳能发电技术

人类从钻木取火开始，对能源的需求与日俱增。在近代，随着科学技术的高速发展，对能源已经产生了依赖。人类长期赖以生存的能源，大都属于化石能源。虽然还没有准确的方法可以预测化石能源究竟可以开采、使用多少年，但是随着开采技术的不断提高和对化石能源需求的急剧增长，化石能源的枯竭已经不再遥远。据估计，化石能源只能支撑40～60余年。

太阳能，作为一种取之不尽、用之不竭、清洁无污染的绿色能源，已成为实现能源可持续发展的重中之重。从长远看，太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源供应的重要地位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。根据欧盟联合研究中心（JRC）的预测，到2030年可再生能源在总能源结构中将占到30%以上，太阳能光伏发电在世界总电力的供应中将达到10%以上；2040年可再生能源将占总能源50%以上，太阳能光伏发电将占总电力的20%以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80%以上，太阳能发电将占到60%以上。这显示出太阳能发电的重要战略地位。

目前主要有2种方法来进行太阳能发电：

一是采用反射镜把太阳光反射并聚集到接收器，该接收器能够聚集太阳能并将其转换为热能，再利用这种热能产生过热蒸汽，从而驱动涡轮发电机发电，满足电力需求，这种技术被称为聚光太阳能发电（简称CSP）技术，也叫太阳热发电。

二是把利用半导体制成的光伏太阳能电池板直接安装在屋顶上，将太阳能直接转化为电能供建筑物使用。

“太阳热”还是“太阳光”？太阳热发电还是光伏发电？围绕建什么样的大型发电站展开的攻防战日趋白热化。许多人认为太阳能发电就是光伏发电而不知太阳热发电装置，其实，大型商业用集热太阳热发电装置已经能产生足够的电力，许多新的太阳热发电装置也已经建成。

位于美国内华达州的凹面镜采光太阳能发电厂

美国“内华达州一号”太阳能发电厂于2007年投产，拥有182万块凹面镜。凹面镜组成的太阳能槽式设备将太阳的能量聚焦到位于镜子焦点线上的不锈钢接收器管，而钢管内装有可流动的油等传热液体，在高温作用下油的温度升高至约400摄氏度，巨型的散热器吸收其中的热量对水进行加热并产生蒸汽，高压蒸汽驱动涡轮发电机运转，从而产生电能。这座发电厂每年可发电6400万千瓦时，足够供14万户家庭使用。与昂贵的光伏太阳能板相比，政府部门往往更青睐这种方式。在晴朗的夏天太阳直射的情况下，该发电厂能将21%的太阳光转化成电能。每隔30秒，凹面镜就会随太阳的移动改变朝向，直至正午完全朝上。共有760列凹面镜，每一列镜子能够生产84万瓦的电力。

一、CSP系统

按照聚集太阳能的方式，CSP系统可分为线性聚光系统、碟/发动机系统和塔式系统。线性聚光系统和塔式系统都容易与热量存储系统集成在一起，从而有助于在多云天气或在夜间实现发电。另外，CSP系统还可与天然气等燃料结合起来，采用混合动力发电。

（一）线性聚光系统

线性聚光系统采用线聚焦技术。线性聚光系统通常由按南北向平行排列的大量聚光器组成，这样可保证最大限度地聚集太阳能。线性聚光系统又分为抛物面槽式系统和线性菲涅耳反射系统。它利用巨大的反射镜来捕获太阳的能量，并把太阳光反射并聚焦集中到焦线上，在焦线上安装有线性管状集热器，集热器吸收聚焦后的太阳辐射能，把吸热管内的流体加热，然后产生过热蒸汽，驱动涡轮发电机产生电力。线性聚光系统利用单轴太阳跟踪系统，使反射镜在白天能够随时追踪太阳的方位，以确保太阳光能不断地反射到吸热管。这种发电方式的特点是在太阳能聚集系统中直接产生蒸汽，不需要昂贵的换热器，但需要安装大量的传热管道，而且运行温度也比较低。

1．抛物面槽式系统

目前，在美国太阳热发电领域中占主导地位的是抛物面槽式系统，它由太阳能聚光器、吸热管或接收器以及跟踪机构等组成。其中太阳能聚光器由许多弯曲的反射镜组合装配而成，安装在支架上。吸热管或接收器沿着每个抛物面反射镜的焦线固定安装，用以吸收太阳辐射能，传热工质（不管是传热流体，还是水或蒸汽）都要从太阳能集热管中流过，从而产生过热蒸汽，直接输送到涡轮发电机用以发电。抛物面槽式系统的聚光比为10～100，温度可达400摄氏度。跟踪机构对支架进行控制，使吸热管能充分吸收来自反射镜反射的阳光。目前，最大的抛物面槽式系统能产生80兆瓦的电力，正在开发能产生250兆瓦电力的抛物面槽式系统。

在该系统中，抛物面槽把太阳光反射到接收器，高温传热流体从接收器中流出，流进管道，驱动涡轮发电机输出电力，向电网提供电力；低温传热流体从管道流出，流进蒸汽冷凝器进一步冷却，回流到槽式系统。该系统的热量存储器位于管道和蒸汽冷凝器之间。对于特大型的聚光器系统，如果在白天对存储系统进行加热，那么热量存储系统就可以在晚上或多云天气下运行，从而产生额外的蒸汽实现发电。抛物面槽式发电厂也可采用混合动力设计，也就是说可使用天然气等作为补充燃料，与天然气热水器或燃气蒸汽锅炉/再热器结合起来，以弥补太阳低辐射时期太阳能的不足。将来，抛物面槽式系统还可与现有或新建的联合循环天然气和煤炭发电厂结合在一起。

抛物面槽式系统

2．线性菲涅尔反射器系统

第二种线性聚光系统是线性菲涅尔反射器系统，该系统由反射镜、聚光器和跟踪机构等组成。该系统把平坦的或略有弯曲的反射镜安装配置在跟踪机构上，在反射镜上方的空间安装吸热管，反射镜把阳光反射到吸热管。有时还会在聚光器的顶部加装小型抛物面反射镜，以加强阳光的聚焦。

线性菲涅尔反射器系统

在该系统中，太阳光通过安装在地面的反射镜向上反射到接收器，接收器安装在反射器的上方。高温传热流体从接收器中流出，流进管道，驱动涡轮发电机输出电力，向电网提供电力；低温传热流体从管道流出，流进蒸汽冷凝器进一步冷却，回流到太阳光聚集系统。其优点是集热器不采用真空技术，由此增加了集热管的长度，提高了利用率，而且聚光效果是常规抛物面槽式系统的3倍，同时建造费用也降低了50%。缺点是工作效率只有普通集热器的70%，因而须进一步完善。

3．线性聚光系统关键技术的研究

为了提高线性聚光系统的性能并降低其成本，专家对其关键技术进行了研究，主要内容包括：提高聚光器的装配光学精度，以改善光线聚集度；开发先进的吸收材料，以提高运行温度；提高动力循环效率，减少用水量；减少接收器的热量损耗，以提高发电系统的性能等。

（二）碟式/发动机系统

与其他CSP系统相比，碟式/发动机系统产生的电力的功率相对较小，通常在3万～25万千瓦的范围内，很适合分布式应用。如果将多个分布式安装的碟式/发动机系统整合成一簇，就可以实现集中向电网供电，不但能增加电力供应，还可以提高整个电网的运行安全性。整个发电系统可连续发电，发电效率高达30%。在相同的运行温度下，发电效率明显高于另外两种CSP系统，是所有太阳热发电系统中效率最高的。其缺点是单元发电容量较小。

碟式/发动机系统主要由太阳能聚光器和电力转换装置两个部分组成。

碟式/发动机系统

太阳能聚光器，把直接来自太阳的光束聚集起来，聚集的太阳光光束被反射到热接收器中。太阳能聚光器安装在一个跟踪支撑机构上，全日跟踪太阳，每一个反射镜阵列都朝向太阳，尽可能持续地把太阳光反射到热接收器中。电力转换装置包括热接收器和发动机/发电机子系统。热接收器是太阳能聚光器和发动机/发电机之间的接口，它吸收太阳能，将它们转换成热量，然后把热量传输到发动机/发电机子系统。

热接收器的管道中装有吸热流体，吸热流体通常是氢和氦，一般是作为传热介质，也作为发动机的工作流体。发动机/发电机子系统从热接收器中接收热量，并利用热量来产生电力。

目前，在碟式/发动机系统中应用得最多的热发动机是斯特林发动机，它驱动活塞工作产生电能。斯特林发动机利用被加热的流体来推动活塞做机械功，发动机的机轴以旋转的方式驱动发电机产生电力。斯特林发动机作为一种外燃的封闭循环往复式热力发动机，其运动部件间没有机械连接，无须润滑，密封简单，能和太阳能聚光器很好地结合在一起，高效率地产生电能。

斯特林发动机有几个优势：一是转换效率高；二是机器非常安静；三是寿命长；四是非常环保，完全燃烧后只产生很少量的氧氮化物和一氧化碳，内燃机在这方面远不能与它相比。采用斯特林发动机的碟式/发动机系统具有独立分布运行的特点，非常适合急需电力补充的发展中国家的边远地区，因为这些地区地域辽阔，土地资源丰富，农（牧）民居住分散，适于建造分散式太阳热发电站，而建立大规模、大容量、集中式的太阳热发电站，采取远距离输变电方式是不经济的。发展碟式/发动机系统发电在节约水资源方面也具有优越性。斯特林发动机的冷却采用空冷方式，系统耗水量低，所以在缺水的中国内蒙古西部沙漠地区很适合建立大面积、大容量的采用斯特林发动机的碟式/发动机系统太阳热发电站，这也能部分解决内蒙古地区发展火电站缺水的问题。

（三）塔式系统

塔式系统主要由日光反射镜系统和接收器组成。其中日光反射镜系统由大量大型、平坦的太阳跟踪反射镜构成，对太阳进行实时跟踪，把太阳光聚焦到塔顶的接收器。在接收器中传热流体被加热，产生高温过热蒸汽，过热蒸汽推动常规涡轮发电机组发电。一些塔式系统利用水/蒸汽作为传热流体。塔式系统具有卓越的传热和能量存储能力，目前，具有商业规模的工厂可以生产200兆瓦的电力。但其缺点是造价十分昂贵。

塔式系统

在塔式系统中，塔的周围是日光反射镜，日光反射镜直接将收集到的阳光反射到发电塔顶端的接收器，接收器对传热流体进行加热，加热后的高温传热流体从接收器流出进入给水再热器，经过给水再热器后驱动涡轮发电机发电。传热流体再从涡轮流出进入蒸汽冷凝器进行冷却，冷却后的低温传热流体重新回流到塔顶的接收器。

总体来看，抛物面槽式系统技术上最为成熟，且其跟踪机构比较简单，易于实现。其总体成本也最低，随着技术的发展，抛物面槽式系统的建造费用已由每千瓦6000美元左右降低到每千瓦3000美元左右，发电成本也已大幅下降，到2020年有望降到与火力发电成本基本相当。

二、热量存储系统

热量存储系统是当今任何一种CSP系统都需要部署的重要系统。太阳能的广泛应用面临着一个挑战。当太阳下山或有云层遮挡的时候，太阳能减少会限制电力能源的生产。热量存储系统提供了一个可行的解决方案来应对这一挑战。在热量存储系统中，太阳光的光线被反射到一个接收器，接收器产生热量，然后用于发电。如果这个接收器含有作为传热介质的油或熔盐，那么热能可以被存储起来供以后使用。

2008年，世界上第一座可存储式的太阳能发电站在西班牙投入商业运营。白天，凹面镜吸收的太阳能对熔盐进行加热，晚上利用高温熔盐冷却下来产生的热量把水加热产生蒸汽。热量存储系统可分为双罐直接系统、双油箱间接系统和单罐温跃层系统。这里以美国加利福尼亚州的“太阳Ⅱ”太阳能发电厂为例，介绍双罐直接系统。

“太阳Ⅱ”太阳能发电厂的双罐直接系统，把太阳热能储存在流体中。流体存储在双罐中，一个罐是高温罐，另一个罐是低温罐，流体从低温罐流经聚光器或接收器。在聚光器或接收器中，太阳能把流体加热到高温状态，然后高温流体流回到高温罐存储。来自高温罐的流体流经换热器，在换热器中产生蒸汽，以生产电力。流体以低温状态从换热器流出，返回到低温罐。早期抛物面槽式系统，大多采用双罐直接系统。

三、CSP系统前景广阔

CSP系统在节能减排方面作用非常显著。以年发电量达6400万千瓦时的美国“内华达州一号”太阳能发电厂为例，与传统的火力发电站相比，每年可以节约标准煤21760吨，减少排放二氧化碳76688．6吨、粉尘颗粒4492．8吨。美国国家可再生能源实验室的科学家称：“目前太阳能发电量只占全美国总发电量的0．1%，但是到2030年这一数字有望达到10%～20%。”另一方面，CSP系统的光电转换效率也已有了很大的提高，而与此同时，发电成本仍有不断下降的趋势。美国国家可再生能源实验室的科学家正在研究用轻巧的聚合物制作CSP系统的凹面镜，以期能吸收更多阳光同时减少热能损耗，在保证转换效率的前提下，进一步降低成本。

2010年6月，亚美尼亚科学家宣布，已在该国山地开始建造其第一个小型实验样板型工业太阳能发电站——“太阳100号”发电站。该发电站使用的涡轮机不是新的，而是使用寿命已满而从直升机上拆下来的涡轮机。该发电站装机容量仅100千瓦，但发电成本每千瓦时仅0．5美分，转换效率高达40%～50%。

大型聚光镜

该发电站主体是个直径36米的大型聚光镜，反射加热部位最高温度可达800摄氏度。计划夏天每昼夜工作10小时，冬天每昼夜工作8小时。他们打算建设的下一个太阳能发电站的“锅面”直径将是75米，装机容量将达1.5兆瓦。亚美尼亚太阳能发电站的建设还表明，从工业能源用途上说，发展太阳能发电站不应单一地走光电池开发的路子。