3種聚光型太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)分析比較

曹璐璐

摘要：介紹國內(nèi)外常用的槽式、塔式和碟式3種聚光型熱發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理，分析每個系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，并進(jìn)行橫向比較，為進(jìn)一步研究單一發(fā)電系統(tǒng)提供參考。

關(guān)鍵詞：太陽能發(fā)電；聚光型；槽式；碟式；塔式

中圖分類號：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）09-0044-03

聚光類太陽能熱發(fā)電是指聚集太陽光將其轉(zhuǎn)化為足夠溫度的熱能，然后轉(zhuǎn)換成電能的技術(shù)，是當(dāng)今世界太陽能熱利用研究領(lǐng)域的前沿課題，具有零排放、可持續(xù)利用的優(yōu)點(diǎn)。目前應(yīng)用廣泛的聚光型太陽能熱發(fā)電技術(shù)是間接利用太陽能的技術(shù)，即太陽熱能通過熱機(jī)帶動常規(guī)發(fā)電機(jī)發(fā)電，主要分為槽式、塔式和碟式3種發(fā)電系統(tǒng)。

1 槽式（parabolic trough）太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)

槽式太陽能熱發(fā)電是將多個槽型拋物面聚光集熱器經(jīng)過串并聯(lián)的排列，產(chǎn)生高溫加熱工質(zhì)，利用產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，是一種利用槽式拋物面反射鏡聚光的分散型系統(tǒng)。槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)具有規(guī)模大、壽命長、成本低等特點(diǎn)，非常適合商業(yè)并網(wǎng)發(fā)電。整個系統(tǒng)包括聚光集熱子系統(tǒng)、換熱子系統(tǒng)、發(fā)電子系統(tǒng)、蓄熱子系統(tǒng)和輔助能源子系統(tǒng)。

1.1 聚光集熱子系統(tǒng)

聚光集熱子系統(tǒng)是系統(tǒng)的核心，由聚光鏡、接收器和跟蹤裝置構(gòu)成。該聚光鏡面從幾何上看是將拋物線左右平移而形成的槽式拋物面，它將太陽光聚在一條線上，在這條焦線上安裝有管狀集熱器，用以吸收聚焦后的太陽輻射能，常將眾多槽式拋物面串并聯(lián)成聚光集熱器陣列。槽式拋物面對太陽輻射多進(jìn)行一維跟蹤（設(shè)備軸線南北放置，然后東西旋轉(zhuǎn)跟蹤），其幾何聚光比在10～100之間，溫度可達(dá)400 ℃左右。

1.2 換熱子系統(tǒng)

當(dāng)系統(tǒng)工質(zhì)為油時，采用雙回路。即接收器中工質(zhì)油被加熱后，進(jìn)入換熱子系統(tǒng)中產(chǎn)生蒸汽，蒸汽進(jìn)入發(fā)電子系統(tǒng)發(fā)電。換熱子系統(tǒng)一般由預(yù)熱器、蒸汽發(fā)生器、過熱器和再熱器組成。直接采用水為工質(zhì)時，可簡化此子系統(tǒng)。

1.3 發(fā)電子系統(tǒng)、蓄熱子系統(tǒng)和輔助能源子系統(tǒng)

發(fā)電子系統(tǒng)、蓄熱子系統(tǒng)和輔助能源子系統(tǒng)的功能與塔式太陽能熱發(fā)電基本相同。圖1為槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)示意圖，利用導(dǎo)熱油作為集熱介質(zhì)，293 ℃的低溫導(dǎo)熱油從儲油罐中泵入槽式太陽能集熱場，被加熱到390 ℃，然后依次通過加熱器、過熱器、蒸發(fā)器、預(yù)熱器等，將收集到的太陽熱能交換給動力回路中的蒸汽，產(chǎn)生10.4 MPa、1 370 ℃的過熱蒸汽，并進(jìn)入汽輪機(jī)中做功。該系統(tǒng)中集熱油回路和動力蒸汽回路分開，經(jīng)過一系列換熱器來交換熱量。當(dāng)太陽能供應(yīng)不足時，利用一個輔助加熱器將油回路中的導(dǎo)熱油加熱，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行。

2 塔式（parabolic trough）太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)

塔式塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是利用定日鏡將太陽光聚焦在中心吸熱塔的吸熱器上，并將聚焦的輻射能轉(zhuǎn)變成熱能，然后將熱能傳遞給熱力循環(huán)的工質(zhì)，再驅(qū)動熱機(jī)做功發(fā)電的系統(tǒng)。其具有規(guī)模大、熱傳遞路程短、熱損耗少、聚光比和溫度較高等特點(diǎn)，適于大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電。塔式太陽熱發(fā)電系統(tǒng)也稱集中式太陽能熱發(fā)電。塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)包括聚光子系統(tǒng)、集熱子系統(tǒng)、發(fā)電子系統(tǒng)、蓄熱子系統(tǒng)和輔助能源子系統(tǒng)。

2.1 聚光子系統(tǒng)

聚光子系統(tǒng)包括定日鏡群和跟蹤裝置。采用雙軸跟蹤，以確保每臺定日鏡的反射光線進(jìn)入集熱系統(tǒng)的接收器內(nèi)；定日鏡微弧度的鏡面保證太陽光聚焦到塔頂?shù)慕邮掌魃?；定日鏡群的成本占總投入的一半以上。

2.2 集熱子系統(tǒng)

集熱子系統(tǒng)包括定日鏡場中間或南方的豎塔和豎塔頂部的接收器。豎塔的高度取決于電站容量；接收器主要有空腔式和外留式2種型式，豎塔在鏡場中間時一般選用外露式接收器，豎塔在鏡場南方時選用空腔式接收器。塔式太陽熱發(fā)電系統(tǒng)通常可達(dá)到的聚光比為300～1 500，運(yùn)行溫度可達(dá)1 000～1 500 ℃。

2.3 發(fā)電子系統(tǒng)

按照工質(zhì)是水還是氣體選用汽輪機(jī)組或燃?xì)廨啓C(jī)組，其基本組成與常規(guī)發(fā)電設(shè)備類似，但需要設(shè)置工作流體在接收器和輔助能源系統(tǒng)之間循環(huán)的切換裝置。

2.4 蓄熱子系統(tǒng)

太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)在早晚或云遮間隙必須依靠儲存的能量維持系統(tǒng)正常運(yùn)行。蓄熱的方法主要有顯式、潛式和化學(xué)蓄熱3種方式。

圖2為Solar One太陽熱發(fā)電系統(tǒng)示意圖，該電站位于美國加州的Barstow地區(qū)，運(yùn)行于1982—1988年之間，是當(dāng)時世界上最大的驗(yàn)證第一代塔式發(fā)電技術(shù)的太陽能電站。它由跟蹤太陽光的定日鏡（收集器）、吸熱器、工質(zhì)加熱器、熱量儲存系統(tǒng)以及熱機(jī)單元組體等組成。由平面鏡、跟蹤機(jī)構(gòu)、支架等組成的定日鏡陣列，可由微處理機(jī)控制實(shí)現(xiàn)最佳聚焦，始終對準(zhǔn)太陽捕獲并聚集太陽輻射能到高塔頂端的吸熱器上，再通過吸熱器把熱力循環(huán)的工質(zhì)加熱至較高溫度；儲存系統(tǒng)把部分熱能儲藏起來備用，以最大限度地平衡系統(tǒng)能量供需；熱機(jī)單元實(shí)現(xiàn)熱轉(zhuǎn)功的功能，把太陽能轉(zhuǎn)換為電能輸出。吸熱器中通入205 ℃的給水，直接產(chǎn)生516 ℃/10.1 MPa的過熱蒸汽，進(jìn)入非再熱的汽輪機(jī)膨脹做功，過熱蒸汽也可送入一個油-沙石蓄熱系統(tǒng)進(jìn)行能量的存儲，滿足動力系統(tǒng)的啟停和機(jī)組在夜晚時的用汽需求。該系統(tǒng)具有四級回?zé)岢槠?，其中第三級為除氧器，前兩級的輸水逐級回流到除氧器，最后一級給水加熱器的輸水返回冷凝器。如果要求在陰雨天和夜間正常發(fā)電，可以增加合適的常規(guī)燃料作為輔助能源的輔助能源子系統(tǒng)，以形成太陽能和化石燃料綜合互補(bǔ)的多能源發(fā)電系統(tǒng)。此外，塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)和槽式的系統(tǒng)相比，除聚光集熱器有所不同外，兩者在系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理等方面都基本相似。

3 碟式（Parabolic dish）太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)

碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是利用旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡，將入射陽光聚集在焦點(diǎn)上，放置在焦點(diǎn)處的太陽能接收器收集較高溫度的熱能，加熱工質(zhì)，驅(qū)動發(fā)電機(jī)組發(fā)電；或在焦點(diǎn)處直接放置太陽能斯特發(fā)電裝置發(fā)電。碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)具有壽命長、效率高、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)，可以單臺供電，也可以多套并聯(lián)使用，非常適合邊遠(yuǎn)地區(qū)和山區(qū)發(fā)電。整個系統(tǒng)包括聚光集熱子系統(tǒng)、發(fā)電子系統(tǒng)、蓄熱子系統(tǒng)。聚光子系統(tǒng)系統(tǒng)借助于雙軸跟蹤，利用旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡，將入射的太陽輻射進(jìn)行點(diǎn)聚集，聚光點(diǎn)的溫度一般在500～

1 000 ℃，吸熱器吸收這部分輻射能并將其轉(zhuǎn)換成熱能，加熱工質(zhì)以驅(qū)動熱機(jī)（如燃?xì)廨啓C(jī)、斯特林發(fā)動機(jī)或其它類型透平等），從而將熱能轉(zhuǎn)換成電能。

圖3為一個典型碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)示意圖，它利用雙軸跟蹤的碟式聚光器將太陽能聚焦到吸熱器上，將來自回?zé)崞鞯母邏嚎諝饧訜岬?50 ℃，然后進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)做功，該回?zé)嵫h(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的壓比約為2.5；當(dāng)太陽能供應(yīng)不足時，利用燃料進(jìn)入燃燒室補(bǔ)燃，該系統(tǒng)的太陽能凈發(fā)電效率高達(dá)29.6%。目前，這類系統(tǒng)單元容量多為30～50 kW，相對較小，它主要應(yīng)用于分布式能源系統(tǒng)組成分散的動力系統(tǒng)，也可以將多個系統(tǒng)組成一簇向電網(wǎng)供電。

目前，聚光方式發(fā)電技術(shù)得到了較大發(fā)展，在過去幾十年中世界各地興建了許多這種類型的實(shí)驗(yàn)與示范電站，表1給出了聚光型太陽能熱電站的發(fā)展?fàn)顟B(tài)以及優(yōu)缺點(diǎn)。

4 結(jié)語

對3種主要的聚光型熱發(fā)電系統(tǒng)做了比較詳細(xì)的介紹，論述每種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理，分析每個系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，并進(jìn)行橫向比較，為進(jìn)一步研究單一發(fā)電系統(tǒng)提供參考。

摘要：介紹國內(nèi)外常用的槽式、塔式和碟式3種聚光型熱發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理，分析每個系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，并進(jìn)行橫向比較，為進(jìn)一步研究單一發(fā)電系統(tǒng)提供參考。

關(guān)鍵詞：太陽能發(fā)電；聚光型；槽式；碟式；塔式

中圖分類號：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）09-0044-03

聚光類太陽能熱發(fā)電是指聚集太陽光將其轉(zhuǎn)化為足夠溫度的熱能，然后轉(zhuǎn)換成電能的技術(shù)，是當(dāng)今世界太陽能熱利用研究領(lǐng)域的前沿課題，具有零排放、可持續(xù)利用的優(yōu)點(diǎn)。目前應(yīng)用廣泛的聚光型太陽能熱發(fā)電技術(shù)是間接利用太陽能的技術(shù)，即太陽熱能通過熱機(jī)帶動常規(guī)發(fā)電機(jī)發(fā)電，主要分為槽式、塔式和碟式3種發(fā)電系統(tǒng)。

1 槽式（parabolic trough）太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)

槽式太陽能熱發(fā)電是將多個槽型拋物面聚光集熱器經(jīng)過串并聯(lián)的排列，產(chǎn)生高溫加熱工質(zhì)，利用產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，是一種利用槽式拋物面反射鏡聚光的分散型系統(tǒng)。槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)具有規(guī)模大、壽命長、成本低等特點(diǎn)，非常適合商業(yè)并網(wǎng)發(fā)電。整個系統(tǒng)包括聚光集熱子系統(tǒng)、換熱子系統(tǒng)、發(fā)電子系統(tǒng)、蓄熱子系統(tǒng)和輔助能源子系統(tǒng)。

1.1 聚光集熱子系統(tǒng)

聚光集熱子系統(tǒng)是系統(tǒng)的核心，由聚光鏡、接收器和跟蹤裝置構(gòu)成。該聚光鏡面從幾何上看是將拋物線左右平移而形成的槽式拋物面，它將太陽光聚在一條線上，在這條焦線上安裝有管狀集熱器，用以吸收聚焦后的太陽輻射能，常將眾多槽式拋物面串并聯(lián)成聚光集熱器陣列。槽式拋物面對太陽輻射多進(jìn)行一維跟蹤（設(shè)備軸線南北放置，然后東西旋轉(zhuǎn)跟蹤），其幾何聚光比在10～100之間，溫度可達(dá)400 ℃左右。

1.2 換熱子系統(tǒng)

當(dāng)系統(tǒng)工質(zhì)為油時，采用雙回路。即接收器中工質(zhì)油被加熱后，進(jìn)入換熱子系統(tǒng)中產(chǎn)生蒸汽，蒸汽進(jìn)入發(fā)電子系統(tǒng)發(fā)電。換熱子系統(tǒng)一般由預(yù)熱器、蒸汽發(fā)生器、過熱器和再熱器組成。直接采用水為工質(zhì)時，可簡化此子系統(tǒng)。

1.3 發(fā)電子系統(tǒng)、蓄熱子系統(tǒng)和輔助能源子系統(tǒng)

發(fā)電子系統(tǒng)、蓄熱子系統(tǒng)和輔助能源子系統(tǒng)的功能與塔式太陽能熱發(fā)電基本相同。圖1為槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)示意圖，利用導(dǎo)熱油作為集熱介質(zhì)，293 ℃的低溫導(dǎo)熱油從儲油罐中泵入槽式太陽能集熱場，被加熱到390 ℃，然后依次通過加熱器、過熱器、蒸發(fā)器、預(yù)熱器等，將收集到的太陽熱能交換給動力回路中的蒸汽，產(chǎn)生10.4 MPa、1 370 ℃的過熱蒸汽，并進(jìn)入汽輪機(jī)中做功。該系統(tǒng)中集熱油回路和動力蒸汽回路分開，經(jīng)過一系列換熱器來交換熱量。當(dāng)太陽能供應(yīng)不足時，利用一個輔助加熱器將油回路中的導(dǎo)熱油加熱，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行。

2 塔式（parabolic trough）太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)

塔式塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是利用定日鏡將太陽光聚焦在中心吸熱塔的吸熱器上，并將聚焦的輻射能轉(zhuǎn)變成熱能，然后將熱能傳遞給熱力循環(huán)的工質(zhì)，再驅(qū)動熱機(jī)做功發(fā)電的系統(tǒng)。其具有規(guī)模大、熱傳遞路程短、熱損耗少、聚光比和溫度較高等特點(diǎn)，適于大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電。塔式太陽熱發(fā)電系統(tǒng)也稱集中式太陽能熱發(fā)電。塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)包括聚光子系統(tǒng)、集熱子系統(tǒng)、發(fā)電子系統(tǒng)、蓄熱子系統(tǒng)和輔助能源子系統(tǒng)。

2.1 聚光子系統(tǒng)

聚光子系統(tǒng)包括定日鏡群和跟蹤裝置。采用雙軸跟蹤，以確保每臺定日鏡的反射光線進(jìn)入集熱系統(tǒng)的接收器內(nèi)；定日鏡微弧度的鏡面保證太陽光聚焦到塔頂?shù)慕邮掌魃希欢ㄈ甄R群的成本占總投入的一半以上。

2.2 集熱子系統(tǒng)

集熱子系統(tǒng)包括定日鏡場中間或南方的豎塔和豎塔頂部的接收器。豎塔的高度取決于電站容量；接收器主要有空腔式和外留式2種型式，豎塔在鏡場中間時一般選用外露式接收器，豎塔在鏡場南方時選用空腔式接收器。塔式太陽熱發(fā)電系統(tǒng)通?？蛇_(dá)到的聚光比為300～1 500，運(yùn)行溫度可達(dá)1 000～1 500 ℃。

2.3 發(fā)電子系統(tǒng)

按照工質(zhì)是水還是氣體選用汽輪機(jī)組或燃?xì)廨啓C(jī)組，其基本組成與常規(guī)發(fā)電設(shè)備類似，但需要設(shè)置工作流體在接收器和輔助能源系統(tǒng)之間循環(huán)的切換裝置。

2.4 蓄熱子系統(tǒng)

太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)在早晚或云遮間隙必須依靠儲存的能量維持系統(tǒng)正常運(yùn)行。蓄熱的方法主要有顯式、潛式和化學(xué)蓄熱3種方式。

圖2為Solar One太陽熱發(fā)電系統(tǒng)示意圖，該電站位于美國加州的Barstow地區(qū)，運(yùn)行于1982—1988年之間，是當(dāng)時世界上最大的驗(yàn)證第一代塔式發(fā)電技術(shù)的太陽能電站。它由跟蹤太陽光的定日鏡（收集器）、吸熱器、工質(zhì)加熱器、熱量儲存系統(tǒng)以及熱機(jī)單元組體等組成。由平面鏡、跟蹤機(jī)構(gòu)、支架等組成的定日鏡陣列，可由微處理機(jī)控制實(shí)現(xiàn)最佳聚焦，始終對準(zhǔn)太陽捕獲并聚集太陽輻射能到高塔頂端的吸熱器上，再通過吸熱器把熱力循環(huán)的工質(zhì)加熱至較高溫度；儲存系統(tǒng)把部分熱能儲藏起來備用，以最大限度地平衡系統(tǒng)能量供需；熱機(jī)單元實(shí)現(xiàn)熱轉(zhuǎn)功的功能，把太陽能轉(zhuǎn)換為電能輸出。吸熱器中通入205 ℃的給水，直接產(chǎn)生516 ℃/10.1 MPa的過熱蒸汽，進(jìn)入非再熱的汽輪機(jī)膨脹做功，過熱蒸汽也可送入一個油-沙石蓄熱系統(tǒng)進(jìn)行能量的存儲，滿足動力系統(tǒng)的啟停和機(jī)組在夜晚時的用汽需求。該系統(tǒng)具有四級回?zé)岢槠渲械谌墳槌跗鳎皟杉壍妮斔鸺壔亓鞯匠跗?，最后一級給水加熱器的輸水返回冷凝器。如果要求在陰雨天和夜間正常發(fā)電，可以增加合適的常規(guī)燃料作為輔助能源的輔助能源子系統(tǒng)，以形成太陽能和化石燃料綜合互補(bǔ)的多能源發(fā)電系統(tǒng)。此外，塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)和槽式的系統(tǒng)相比，除聚光集熱器有所不同外，兩者在系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理等方面都基本相似。

3 碟式（Parabolic dish）太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)

碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是利用旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡，將入射陽光聚集在焦點(diǎn)上，放置在焦點(diǎn)處的太陽能接收器收集較高溫度的熱能，加熱工質(zhì)，驅(qū)動發(fā)電機(jī)組發(fā)電；或在焦點(diǎn)處直接放置太陽能斯特發(fā)電裝置發(fā)電。碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)具有壽命長、效率高、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)，可以單臺供電，也可以多套并聯(lián)使用，非常適合邊遠(yuǎn)地區(qū)和山區(qū)發(fā)電。整個系統(tǒng)包括聚光集熱子系統(tǒng)、發(fā)電子系統(tǒng)、蓄熱子系統(tǒng)。聚光子系統(tǒng)系統(tǒng)借助于雙軸跟蹤，利用旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡，將入射的太陽輻射進(jìn)行點(diǎn)聚集，聚光點(diǎn)的溫度一般在500～

1 000 ℃，吸熱器吸收這部分輻射能并將其轉(zhuǎn)換成熱能，加熱工質(zhì)以驅(qū)動熱機(jī)（如燃?xì)廨啓C(jī)、斯特林發(fā)動機(jī)或其它類型透平等），從而將熱能轉(zhuǎn)換成電能。

圖3為一個典型碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)示意圖，它利用雙軸跟蹤的碟式聚光器將太陽能聚焦到吸熱器上，將來自回?zé)崞鞯母邏嚎諝饧訜岬?50 ℃，然后進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)做功，該回?zé)嵫h(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的壓比約為2.5；當(dāng)太陽能供應(yīng)不足時，利用燃料進(jìn)入燃燒室補(bǔ)燃，該系統(tǒng)的太陽能凈發(fā)電效率高達(dá)29.6%。目前，這類系統(tǒng)單元容量多為30～50 kW，相對較小，它主要應(yīng)用于分布式能源系統(tǒng)組成分散的動力系統(tǒng)，也可以將多個系統(tǒng)組成一簇向電網(wǎng)供電。

目前，聚光方式發(fā)電技術(shù)得到了較大發(fā)展，在過去幾十年中世界各地興建了許多這種類型的實(shí)驗(yàn)與示范電站，表1給出了聚光型太陽能熱電站的發(fā)展?fàn)顟B(tài)以及優(yōu)缺點(diǎn)。

4 結(jié)語

對3種主要的聚光型熱發(fā)電系統(tǒng)做了比較詳細(xì)的介紹，論述每種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理，分析每個系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，并進(jìn)行橫向比較，為進(jìn)一步研究單一發(fā)電系統(tǒng)提供參考。

摘要：介紹國內(nèi)外常用的槽式、塔式和碟式3種聚光型熱發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理，分析每個系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，并進(jìn)行橫向比較，為進(jìn)一步研究單一發(fā)電系統(tǒng)提供參考。

關(guān)鍵詞：太陽能發(fā)電；聚光型；槽式；碟式；塔式

中圖分類號：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-1161（2014）09-0044-03

聚光類太陽能熱發(fā)電是指聚集太陽光將其轉(zhuǎn)化為足夠溫度的熱能，然后轉(zhuǎn)換成電能的技術(shù)，是當(dāng)今世界太陽能熱利用研究領(lǐng)域的前沿課題，具有零排放、可持續(xù)利用的優(yōu)點(diǎn)。目前應(yīng)用廣泛的聚光型太陽能熱發(fā)電技術(shù)是間接利用太陽能的技術(shù)，即太陽熱能通過熱機(jī)帶動常規(guī)發(fā)電機(jī)發(fā)電，主要分為槽式、塔式和碟式3種發(fā)電系統(tǒng)。

1 槽式（parabolic trough）太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)

槽式太陽能熱發(fā)電是將多個槽型拋物面聚光集熱器經(jīng)過串并聯(lián)的排列，產(chǎn)生高溫加熱工質(zhì)，利用產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，是一種利用槽式拋物面反射鏡聚光的分散型系統(tǒng)。槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)具有規(guī)模大、壽命長、成本低等特點(diǎn)，非常適合商業(yè)并網(wǎng)發(fā)電。整個系統(tǒng)包括聚光集熱子系統(tǒng)、換熱子系統(tǒng)、發(fā)電子系統(tǒng)、蓄熱子系統(tǒng)和輔助能源子系統(tǒng)。

1.1 聚光集熱子系統(tǒng)

聚光集熱子系統(tǒng)是系統(tǒng)的核心，由聚光鏡、接收器和跟蹤裝置構(gòu)成。該聚光鏡面從幾何上看是將拋物線左右平移而形成的槽式拋物面，它將太陽光聚在一條線上，在這條焦線上安裝有管狀集熱器，用以吸收聚焦后的太陽輻射能，常將眾多槽式拋物面串并聯(lián)成聚光集熱器陣列。槽式拋物面對太陽輻射多進(jìn)行一維跟蹤（設(shè)備軸線南北放置，然后東西旋轉(zhuǎn)跟蹤），其幾何聚光比在10～100之間，溫度可達(dá)400 ℃左右。

1.2 換熱子系統(tǒng)

當(dāng)系統(tǒng)工質(zhì)為油時，采用雙回路。即接收器中工質(zhì)油被加熱后，進(jìn)入換熱子系統(tǒng)中產(chǎn)生蒸汽，蒸汽進(jìn)入發(fā)電子系統(tǒng)發(fā)電。換熱子系統(tǒng)一般由預(yù)熱器、蒸汽發(fā)生器、過熱器和再熱器組成。直接采用水為工質(zhì)時，可簡化此子系統(tǒng)。

1.3 發(fā)電子系統(tǒng)、蓄熱子系統(tǒng)和輔助能源子系統(tǒng)

發(fā)電子系統(tǒng)、蓄熱子系統(tǒng)和輔助能源子系統(tǒng)的功能與塔式太陽能熱發(fā)電基本相同。圖1為槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)示意圖，利用導(dǎo)熱油作為集熱介質(zhì)，293 ℃的低溫導(dǎo)熱油從儲油罐中泵入槽式太陽能集熱場，被加熱到390 ℃，然后依次通過加熱器、過熱器、蒸發(fā)器、預(yù)熱器等，將收集到的太陽熱能交換給動力回路中的蒸汽，產(chǎn)生10.4 MPa、1 370 ℃的過熱蒸汽，并進(jìn)入汽輪機(jī)中做功。該系統(tǒng)中集熱油回路和動力蒸汽回路分開，經(jīng)過一系列換熱器來交換熱量。當(dāng)太陽能供應(yīng)不足時，利用一個輔助加熱器將油回路中的導(dǎo)熱油加熱，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定連續(xù)運(yùn)行。

2 塔式（parabolic trough）太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)

塔式塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是利用定日鏡將太陽光聚焦在中心吸熱塔的吸熱器上，并將聚焦的輻射能轉(zhuǎn)變成熱能，然后將熱能傳遞給熱力循環(huán)的工質(zhì)，再驅(qū)動熱機(jī)做功發(fā)電的系統(tǒng)。其具有規(guī)模大、熱傳遞路程短、熱損耗少、聚光比和溫度較高等特點(diǎn)，適于大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電。塔式太陽熱發(fā)電系統(tǒng)也稱集中式太陽能熱發(fā)電。塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)包括聚光子系統(tǒng)、集熱子系統(tǒng)、發(fā)電子系統(tǒng)、蓄熱子系統(tǒng)和輔助能源子系統(tǒng)。

2.1 聚光子系統(tǒng)

聚光子系統(tǒng)包括定日鏡群和跟蹤裝置。采用雙軸跟蹤，以確保每臺定日鏡的反射光線進(jìn)入集熱系統(tǒng)的接收器內(nèi)；定日鏡微弧度的鏡面保證太陽光聚焦到塔頂?shù)慕邮掌魃?；定日鏡群的成本占總投入的一半以上。

2.2 集熱子系統(tǒng)

集熱子系統(tǒng)包括定日鏡場中間或南方的豎塔和豎塔頂部的接收器。豎塔的高度取決于電站容量；接收器主要有空腔式和外留式2種型式，豎塔在鏡場中間時一般選用外露式接收器，豎塔在鏡場南方時選用空腔式接收器。塔式太陽熱發(fā)電系統(tǒng)通常可達(dá)到的聚光比為300～1 500，運(yùn)行溫度可達(dá)1 000～1 500 ℃。

2.3 發(fā)電子系統(tǒng)

按照工質(zhì)是水還是氣體選用汽輪機(jī)組或燃?xì)廨啓C(jī)組，其基本組成與常規(guī)發(fā)電設(shè)備類似，但需要設(shè)置工作流體在接收器和輔助能源系統(tǒng)之間循環(huán)的切換裝置。

2.4 蓄熱子系統(tǒng)

太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)在早晚或云遮間隙必須依靠儲存的能量維持系統(tǒng)正常運(yùn)行。蓄熱的方法主要有顯式、潛式和化學(xué)蓄熱3種方式。

圖2為Solar One太陽熱發(fā)電系統(tǒng)示意圖，該電站位于美國加州的Barstow地區(qū)，運(yùn)行于1982—1988年之間，是當(dāng)時世界上最大的驗(yàn)證第一代塔式發(fā)電技術(shù)的太陽能電站。它由跟蹤太陽光的定日鏡（收集器）、吸熱器、工質(zhì)加熱器、熱量儲存系統(tǒng)以及熱機(jī)單元組體等組成。由平面鏡、跟蹤機(jī)構(gòu)、支架等組成的定日鏡陣列，可由微處理機(jī)控制實(shí)現(xiàn)最佳聚焦，始終對準(zhǔn)太陽捕獲并聚集太陽輻射能到高塔頂端的吸熱器上，再通過吸熱器把熱力循環(huán)的工質(zhì)加熱至較高溫度；儲存系統(tǒng)把部分熱能儲藏起來備用，以最大限度地平衡系統(tǒng)能量供需；熱機(jī)單元實(shí)現(xiàn)熱轉(zhuǎn)功的功能，把太陽能轉(zhuǎn)換為電能輸出。吸熱器中通入205 ℃的給水，直接產(chǎn)生516 ℃/10.1 MPa的過熱蒸汽，進(jìn)入非再熱的汽輪機(jī)膨脹做功，過熱蒸汽也可送入一個油-沙石蓄熱系統(tǒng)進(jìn)行能量的存儲，滿足動力系統(tǒng)的啟停和機(jī)組在夜晚時的用汽需求。該系統(tǒng)具有四級回?zé)岢槠渲械谌墳槌跗?，前兩級的輸水逐級回流到除氧器，最后一級給水加熱器的輸水返回冷凝器。如果要求在陰雨天和夜間正常發(fā)電，可以增加合適的常規(guī)燃料作為輔助能源的輔助能源子系統(tǒng)，以形成太陽能和化石燃料綜合互補(bǔ)的多能源發(fā)電系統(tǒng)。此外，塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)和槽式的系統(tǒng)相比，除聚光集熱器有所不同外，兩者在系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理等方面都基本相似。

3 碟式（Parabolic dish）太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)

碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是利用旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡，將入射陽光聚集在焦點(diǎn)上，放置在焦點(diǎn)處的太陽能接收器收集較高溫度的熱能，加熱工質(zhì)，驅(qū)動發(fā)電機(jī)組發(fā)電；或在焦點(diǎn)處直接放置太陽能斯特發(fā)電裝置發(fā)電。碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)具有壽命長、效率高、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)，可以單臺供電，也可以多套并聯(lián)使用，非常適合邊遠(yuǎn)地區(qū)和山區(qū)發(fā)電。整個系統(tǒng)包括聚光集熱子系統(tǒng)、發(fā)電子系統(tǒng)、蓄熱子系統(tǒng)。聚光子系統(tǒng)系統(tǒng)借助于雙軸跟蹤，利用旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡，將入射的太陽輻射進(jìn)行點(diǎn)聚集，聚光點(diǎn)的溫度一般在500～

1 000 ℃，吸熱器吸收這部分輻射能并將其轉(zhuǎn)換成熱能，加熱工質(zhì)以驅(qū)動熱機(jī)（如燃?xì)廨啓C(jī)、斯特林發(fā)動機(jī)或其它類型透平等），從而將熱能轉(zhuǎn)換成電能。

圖3為一個典型碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)示意圖，它利用雙軸跟蹤的碟式聚光器將太陽能聚焦到吸熱器上，將來自回?zé)崞鞯母邏嚎諝饧訜岬?50 ℃，然后進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)做功，該回?zé)嵫h(huán)燃?xì)廨啓C(jī)的壓比約為2.5；當(dāng)太陽能供應(yīng)不足時，利用燃料進(jìn)入燃燒室補(bǔ)燃，該系統(tǒng)的太陽能凈發(fā)電效率高達(dá)29.6%。目前，這類系統(tǒng)單元容量多為30～50 kW，相對較小，它主要應(yīng)用于分布式能源系統(tǒng)組成分散的動力系統(tǒng)，也可以將多個系統(tǒng)組成一簇向電網(wǎng)供電。

目前，聚光方式發(fā)電技術(shù)得到了較大發(fā)展，在過去幾十年中世界各地興建了許多這種類型的實(shí)驗(yàn)與示范電站，表1給出了聚光型太陽能熱電站的發(fā)展?fàn)顟B(tài)以及優(yōu)缺點(diǎn)。

4 結(jié)語

對3種主要的聚光型熱發(fā)電系統(tǒng)做了比較詳細(xì)的介紹，論述每種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理，分析每個系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，并進(jìn)行橫向比較，為進(jìn)一步研究單一發(fā)電系統(tǒng)提供參考。