槽式拋物面太陽能熱發電系統發展現狀與探討

徐 偉，楊 帆，劉靜靜，繆晨陽

（東南大學 能源與環境學院太陽能研究中心，南京 210096）

新能源技術

槽式拋物面太陽能熱發電系統發展現狀與探討

徐 偉，楊 帆，劉靜靜，繆晨陽

（東南大學 能源與環境學院太陽能研究中心，南京 210096）

介紹了太陽能聚光熱發電技術的基礎，闡述了槽式拋物面太陽能熱發電的基本原理及系統結構，并介紹了槽式太陽能熱發電技術的發展歷程及研究現狀。結合我國的國情，探討了槽式拋物面太陽能熱發電技術未來發展的主要問題，并嘗試給出了相應的解決對策。

太陽能熱發電；槽式拋物面；聚光

可再生能源系統是基于有效利用當地資源和網絡，可以看作是一個有效的、可靠的、環保的能源系統。根據《BP世界能源統計年鑒2013》可知：全球對于一次能源需求在總體上來說都是呈上升趨勢。

雖然傳統燃煤發電是目前解決電力供需問題最主要且最重要的對策；但是伴隨著全球人口快速增長，電力需求亦不斷增長，而煤炭儲存量卻逐年減少。地球上的沙漠在6h內接收到的太陽輻射能遠遠超過整個地球上的人口在一年內所消耗的能量，只需利用接收到的這一部分太陽能就能滿足全世界的電力需求。

1 太陽能的利用

表1為太陽能熱發電未來的情況預測。

表1 太陽能聚光熱發電的情況預測

聚集太陽光并將其轉化為工作流體的高溫熱能，通過常規的熱機或其他發電技術將其轉換成電能的技術稱之為太陽能熱發電技術［1］。根據工作原理的不同，太陽能熱發電機一般主要分為塔式、碟式以及槽式太陽能熱發電。表2給出了三種太陽能熱發電的基本參數。

表2 三種太陽能熱發電方式的比較

2 槽式太陽能熱發電

2．1 系統概述

槽式拋物面太陽能熱發電系統具有緊湊的結構，且制造集熱裝置所需構件形式不多，因而容易實現標準化。槽式拋物面太陽能熱發電技術已經被證明是最成熟和最低成本的太陽能熱發電技術，其發電站也是目前所有太陽能熱發電試驗電站中功率及年效率最高的。美國和歐洲已經投入的商業項目每年為其國內電網提供可觀的電力。

槽式太陽能熱發電系統總共有兩種形式［2］：雙回路系統和單回路系統。槽式拋物面太陽能熱發電系統的工作原理見圖1。太陽能集熱場采用單軸對日跟蹤系統的集熱器陣列，每一個集熱器組裝有拋物面型反射鏡。首先太陽光被反射鏡匯聚在焦線上，然后安裝在焦線上的吸熱管吸收聚焦后的太陽輻射能，并通過換熱介質將熱量輸送到過熱蒸汽發生器中，從而推動汽輪機發電［3］。

圖1 槽式拋物面太陽能熱發電系統示意圖

槽式拋物面太陽能熱發電技術的關鍵部分由三部分構成：蓄熱系統、蒸汽產生系統、高溫真空管集熱器。典型蓄熱系統有兩種形式：一是傳熱介質和儲熱材料均為熔融鹽，沒有中間換熱；另一種是采用熔融鹽液作為顯熱儲存材料，合成油作為傳熱介質，它們之間有換熱器。整個熱發電系統的核心部件是高溫真空管集熱器。槽式拋物面太陽能熱發電系統的集熱器主要是由真空集熱管和拋物面反射板組成。槽式聚光集熱器具有整體投資較少、經濟效益好、聚光比小、集熱溫度較高等優點，因而容易實現商業化。槽式拋物面太陽能熱發電技術采用的聚光器是拋物面反射鏡。聚光器的好壞不僅與自身制造精度有關，還與跟蹤裝置有關。當太陽在空中不斷移動的時候，地面上的槽式太陽能集熱器就圍繞著固定方向的水平軸進行旋轉跟蹤。為了盡可能降低整個發電系統的能耗，從而減少能源消耗，整個跟蹤系統采用閉環控制；同時旋轉軸必須位于集熱器重心位置，從而使對日跟蹤精度達到±0．1°。

2．2 DSG技術原理

Cohen和Kearney于1994年提出直接蒸汽產生（Direct Steam Generation，DSG）技術，認為是提高槽式太陽能熱發電系統效率的最佳選擇。不僅是因為動力模塊和集熱場之間不需要換熱而減少了換熱損失，而且采用了DSG技術可以使得集熱工質達到更高溫度，使得凈效率被顯著提高到13%［4］。

DSG集熱系統通常分成三種類型：一次通過類型、再循環類型、注入給水類型。圖2分別是這三種類型的示意圖。一次通過類型主要是在一個通道中產生過熱蒸汽，原理簡單但是對流動的蒸汽狀態控制難度較大；再循環類型是產生濕蒸汽，相對于一次通過類型系統也會變得復雜；而注入給水類型是為了控制吸收管上蒸汽質量和流動穩定性，系統復雜性提高的同時也增加了成本。

圖2 DSG三種類型示意圖

2．3 國內外發展現狀

2．3．1 國外

目前，槽式拋物面太陽能熱發電電站幾乎占據了太陽能熱發電電站裝機容量的90%，也是目前所有太陽能熱發電試驗電站中功率及年效率最高的電站。截止2011年初，全世界一共有29座槽式太陽能熱發電電站在運行，總裝機容量為1 220MW，大約占到了聚光太陽能發電（Concentrating Solar Power，CSP）電站的96．3%。

2009年，裝機容量為50MW的Andasol 1在西班牙Andalucia正式竣工，是歐洲第一個運行的槽式太陽能電站，預計年發電量179GW·h。太陽能集熱場年平均效率估計約43%，整個電站效率約16%。2010年，一座5MW Archimede ENEA槽式電站在意大利西西里島建成，熔融鹽作為循環工質和儲熱介質，而且使用的是世界上較為先進的ENEA太陽能聚光器［5］。2011年11月，一座1 000MW的熱發電系統正式建成［4］。2012年11月7日，西班牙Abengoa集團宣布開始在南非建設100MW的KaXu Solar One槽式光熱發電項目。表3是近年來部分國外槽式太陽能熱發電項目的一些基本信息。

表3 國外部分槽式太陽能熱發電項目

Laing［6］通過實驗分析了一座位于西班牙帶有蓄熱系統的DSG槽式熱發電系統，結果表明：混凝土存儲單元放電容量約為250kW·h，而相變材料（Phase Change Material，PCM）存儲單元的放電容量約為720kW·h。在恒定壓力模塊中，放電率峰值超過700kW；而在滑壓模塊中，幾乎整個充電和放電周期的熱流率都為定值。Jones S A等［7］利用TRNSYS搭建一個30MW的SEGSⅥ槽式拋物面熱發電系統，然后對太陽能和動力模塊性能進行模擬分析，結果發現：模型預測和實際運行結果有著很高的一致性，誤差通常小于10%；同時也對瞬態行為比如啟動、關閉和云響應進行了充分模擬。Pang H等通過自主開發的軟件分析了PTC系統（混合太陽能拋物面槽式聚光器）在不同氣候條件、不同系統配置和負載條件下能源輸出、損失和系統各部分效率。Poullikkas A［8］對在Mediterranean地區建立拋物槽式太陽能熱發電站進行了可行性分析，考慮了諸如電站容量、成本投資等參數，并采用了參數化的成本-效益分析，預測電站的容量因子為39%，年發電量為86．5GW·h。

Al－Nasser A M［9］采用Duffi和Beckman的方法對Jubail的一個裝機容量為50MW的拋物槽式太陽能熱發電站模型進行了性能分析，通過采用經濟學方法得到電站的平準化電力成本（Levelized Cost of Electricity，LCOE）為0．107美元／（kW·h）。Montes M J等［10］分析了太陽能互補的聯合循環（Integrated Solar Combined Cycle，ISCC）系統和傳統的聯合循環燃氣發電（Combined Cycle Gas Turbine，CCGT）系統太陽能熱發電技術對于工作在炎熱和干燥環境條件下燃氣聯合循環系統性能的貢獻，以評估這種技術發展的潛力。利用TRNSYS模擬兩個系統全年運行情況之后發現，傳統CCGT在Almería比Las Vegas年發電量更大，前者為1 857．43GW·h，后者為1 845．9GW·h。最后通過經濟性分析發現，Las Vegas的ISCC系統的LCOE遠遠小于Almería。在Las Vegas，ISCC系統的LCOE小于CCGT，而在Almería，ISCC系統的LCOE卻是較大值。

Abbas M等［11］利用SAM軟件分別評估四個位于阿爾及利亞氣候條件下的相同配置的100 MW槽式拋物面太陽能熱發電系統。通過綜合系統的性能、成本和財務模型計算出四個系統年能量輸出分別是415GW·h、376．6GW·h、223GW·h和261．8GW·h。

2．3．2 國內

相對于國外槽式太陽能熱發電技術的快速進步，我國在這方面的研發就顯得非常落后。2011年5月，我國第一個太陽能熱發電工程項目鄂爾多斯50MW槽式太陽能熱發電電站，完成特許權示范招標。電站采用槽式太陽能熱發電技術，年發電量1．2×108kW·h。2011年10月，亞洲首個槽式ISCC發電站在寧夏回族自治區開工建設，電站年發電量約3．04×108kW·h。

楊勇平等［12－13］在考慮太陽能熱發電子系統本身特性和對燃煤機組整體特性影響前提下，建立了綜合集成優化模型，并對其中發電系統進行了經濟性分析，結果表明：考慮CO2減排帶來的環境效益后，這種方案的最終LCOE為0．098美元／（kW·h），大約比單純太陽能熱發電方式低0．14美元／（kW·h）。曲航等［14］利用TRNSYS模擬了35MW槽式太陽能熱發電系統在奈曼和拉薩兩地全年運行情況，結果表明：兩個系統年發電量相差78．5%，前者年發電量為37 271．10MW·h。趙坤［15］建立了槽式太陽能Kalina循環發電系統的數學模型，并且優化計算了主要參數，并在模擬分析了整個系統熱經濟性后發現：1MW Kalina循環系統熱效率為25．6%，比Rankine循環高約8%。李獻偶等［16］使用SAM對在渾善達克沙地建造50MW槽式熱電站在不同條件下運行狀況進行了模擬。通過采用規模經濟比例方程、年發電能力系數CF1及月發電能力系數CF2對電站經濟性進行了分析，結果表明：設計容量為50MW的電站上網電價可達到0．727元／（kW·h）。

陳志鵬等［17］采用數值計算的方法對一座無儲熱裝置的5MW槽式太陽能DSG熱發電系統進行了全年穩態運行模擬，結果表明：系統主汽溫度在較低輻射強度下由于過熱段總有效吸熱量很少而較低；在較高輻射強度下，由于過熱段有效能增加的幅度不及蒸發量增加的幅度使得主汽壓力下降幅度較大。因此當太陽輻射強度較低時，可以采取前移汽水分離器位置的措施來保證發電量；當太陽輻射強度較高時，則可以降低給水流量從而穩定主汽壓力。王貝［18］利用STAR－90仿真平臺搭建了1MW槽式太陽能蒸汽發生器子系統模型并進行了仿真，結果表明：當系統在設計工況下穩定運行時，實際得到的工質參數和設計值吻合度較高，說明蒸汽發生器系統模型具有較高的準確性和穩定性。

3 槽式太陽能熱發電技術未來發展的探討

雖然槽式拋物面太陽能熱發電技術是目前太陽能熱發電技術中最為成熟的一部分，但是如果不能夠降低單位面積成本從而使其得到全面推廣，那么槽式拋物面太陽能熱發電技術就不能夠發揮其固有的作用。所以有必要對槽式拋物面太陽能熱發電系統開展進一步的研究，找出其存在的制約：

（1）外部因素制約。由于太陽輻射能的強度難以準確控制且隨機性較大，從而會導致槽式太陽能熱發電的正常運行受到影響；太陽能集熱場通常會占據很大的面積，而且這些土地通常不能夠和其他工程一起同時使用，從資源利用角度來說這就是一種間接的浪費。

（2）自身因素制約。熱發電系統需要大量管道，而當前的技術又難以簡化管道系統，使得熱損失一直較高，從而影響系統整體效率；系統部件絕熱問題一直未能解決，導致熱損失不能有效減少；反射鏡結構笨重，使得風阻很大，降低了系統自身安全系數等；槽式太陽能熱發電技術上網電價一直在1元／（kW·h）以上，遠遠高于其他能源發電上網電價，因而阻止了其進一步的發展；同時如果把槽式太陽能熱發電系統的發出的電力送上電網，就會對電網產生沖擊，從而降低了電網的安全性。

相應的解決對策為以下幾點：

（1）我國西北地區太陽能資源非常豐富，年平均日照時間達2 800～3 300h，這些地區是比較適合建設大型槽式太陽能熱發電站。與此同時，不妨把槽式太陽能熱發電系統聯合海水淡化系統，使得資源利用效率實現最大化。如果熱發電系統可以在西北地區得到推廣和應用，那么可以直接解決區域能源資源短缺問題，將創造巨大的經濟、社會和生態效益。

（2）在常規能源發電中，燃煤發電系統與槽式太陽能熱發電系統存在著許多互補性，比如燃煤發電機組的調整范圍比較大，從而間接降低了槽式太陽能發電的成本，也提高了熱發電系統的穩定性；也可以嘗試與生物質能組成復合系統發電，這種復合發電系統可以作為未來槽式太陽能熱發電系統的一種選擇。

（3）常規槽式太陽能熱發電系統工質為最高溫度可達400℃的導熱油。對于將來的槽式太陽能熱發電系統，可以采用DSG技術。采用DSG技術之后可以在減小環境壓力的同時簡化熱發電系統的整體配置，同時提高蒸汽溫度等。

（4）傳統的跟蹤機構提供的扭矩較小，且驅動旋轉角度的范圍受到限制，不適宜作為槽式太陽能熱發電系統中聚光器的跟蹤驅動?？梢圆捎酶邏弘p液壓缸推挽式驅動作為聚光器驅動的核心方法，不僅驅動扭矩大，而且驅動旋轉角度范圍廣，配以伺服液壓控制系統可以達到很高跟蹤精度［19］。

4 結語

我國地域廣大，有著非常豐富的太陽能資源。槽式太陽能熱發電技術是科學利用這些資源的最佳途徑之一。槽式太陽能熱發電項目如果能夠得到大規模的應用，拉動相關產業快速發展的同時可以拉動相關地區經濟增長、增加當地勞動人口的就業率。發展槽式太陽能熱發電技術，既是實現電力供應、環境保護的可持續發展，又是適應當今世界經濟全球化的趨勢。

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Review and Discussion on Parabolic Trough Solar Power Systems

Xu Wei，Yang Fan，Liu Jingjing，Miao Chenyang
（Solar Energy Research Center，School of Energy and Environment，Southeast University，Nanjing 210096，China）

An introduction is being presented to the solar power generation technology，together with a description to the fundamental principle and structure of parabolic trough solar power systems，and with a review on development history and current research situation of the parabolic trough solar power generation technology．Main problems concerning future development of the parabolic trough solar power generation technology are discussed，to which corresponding countermeasures are proposed．

solar thermal power generation；parabolic trough；concentration

TK514

A

1671－086X（2015）01－0074－05

2014－04－23

徐 偉（1989—），男，在讀碩士研究生，研究方向為太陽能熱利用。E－mail：xw201324@163．com