太阳能热发电技术的发展.docx
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太阳能热发电技术的发展
编者按：
太阳能热发电技术是利用高精度聚光器将太阳能这种低密度的稀疏能源汇聚成300个太阳以上的高密度热能并进而转换成电能的一种太阳能高品位利用方式，具有零污染物排放，可持续利用的优点。
太阳能热发电技术的广泛应用将对节能减排，世界的可持续发展具有重要的意义。
本文作者李鑫博士是我所太阳能热发电技术研究组副研究员，承担了国家863重点项目“高可靠性吸热、传热、蓄热方式的研究和系统建立”，主要研究太阳能热发电技术中的吸热、传热和储热核心技术。
本文对太阳能热发电技术的几种主要形式进行了介绍，并对国内外研究现状和发展前景进行了描述。
同时文中还对近年来电工所和国内同行在太阳能热发电技术上所取得的成果做了介绍。
自从有了人类以来，随着人们对化石能源的疯狂掠取及不合理利用，目前已造成化石能源的严重短缺甚至已濒临枯竭，同时也严重危害了人类赖以生存的环境。
去年和今年两次G8峰会，都把应对气候变化作为主要议题，这背后其实主要还是能源结构问题。
人类的化石能源社会终究要过去。
乐观一点估计，还有两百年左右；悲观地估计，还有一百年。
人类不得不走向以可再生能源为主体、核能为补充的能源体系。
面对这种严峻的形势，世界各国科技工作者纷纷投入到了可再生能源的开发与利用研究中。
其中对太阳能热发电技术的研究必将对人类社会的可持续发展产生无法估量的巨大的影响。
一、太阳能热发电的主要形式
太阳能热发电是将太阳能聚集起来产生高温热能，加热工作介质来驱动发电机发电；是光伏发电技术以外的另一有很大发展潜力的太阳能发电技术。
按太阳能采集方式划分，到目前为止，世界上主流的或者说已经建成运行的或正在建设的太阳能热发电站的形式主要有：
太阳能塔式发电系统、太阳能槽式发电系统和太阳能碟式发电系统。
1.塔式太阳能热发电系统是在空旷的地面上建立一高大的中央吸收塔，塔顶上安装固定一个吸收器，塔的周围安装一定数量的定日镜，通过定日镜将太阳光聚集到塔顶的接收器的腔体内产生高温，再将通过吸收气的工质加热并产生高温蒸汽，推动汽轮机进行发电。
图1：
塔式太阳能热发电系统
80年代初，美国在南加州建成第一座塔式太阳发电系统装置--SolarOne。
起初，太阳塔采用水一蒸汽系统，发电功率为10兆瓦。
1992年SolarOne经过改装，用于示范熔盐接收器和储热系统。
由于增加了储热系统，使太阳塔输送电能的负载因子可高达65％。
熔盐在接收器内由288℃加热到565℃，然后用于发电。
2.槽式太阳能热发电系统是利用柱形抛物面的槽式聚光系统将太阳能聚焦到管状的吸收器上，并将管内传热工质加热。
槽式系统以线聚焦代替了点聚焦，并且聚焦的吸收器管线随着柱状抛物面反射镜一起跟踪太阳而运动。
Luz公司198O年开始开发此类热发电系统，5年后实现了商业化。
1985年起先后在美国加州的Mojave沙漠上建成9个发电装置，总容量354兆瓦，年发电总量10.8亿千瓦时。
9个电站都与南加州爱迪生电力公司联网。
随着技术不断发展，系统效率由起初的11．5％提高到13．6％。
建造费用由5976美元／千瓦降低到3011美元／千瓦，发电成本由26．3美分／千瓦时降低到12美分／千瓦时。
图2：
槽式太阳能热发电系统
3.碟式太阳能热发电系统是利用旋转抛物面的碟式反射镜将太阳聚焦到一个焦点，接收器在抛物面的焦点上，接收器内的传热工质被加热到75O℃左右，驱动发动机进行发电。
和槽式一样，碟式系统的太阳能接收器也不固定，随着碟形反射镜跟踪太阳的运动而运动，克服了塔式系统较大余弦效应的损失问题，光热转换效率大大提高。
和槽式不同的是，碟式接收器将太阳聚焦于旋转抛物面的焦点上，而槽式接收器则将太阳聚焦于圆柱抛物面的焦线上。
美国热发电计划与Cummins公司合作，1991年开始开发商用的7千瓦碟式／斯特林发电系统，5年投入经费1800万美元。
1996年Cummins向电力部门和工业用户交付7台碟式发电系统，计划1997年生产25台以上。
Cummins预计10年后年生产超过1OOO台。
该种系统适用于边远地区独立电站。
图3：
碟式太阳能热发电系统
二、世界太阳能热发电的研究现状及趋势
太阳能热发电从经济角度可分为两种，一种是发电成本不依赖规模的热发电系统，以点聚焦的碟式聚光器系统为代表，发电成本目前为0.19-0.26欧元/kWh，适合于做分布式能源系统。
另一种是发电成本依赖聚光面积规模的热发电系统，它以线聚焦的槽式系统和点聚焦的塔式系统为代表，发电成本目前为0.076-0.09欧元/kWh。
其发电成本依赖装机容量，如80MWe槽式电站的发电成本只有10MWe电站的50%，因此建立大规模太阳能热发电站是降低太阳能发电成本的趋势和必要途径。
在大面积聚光方法中，与槽式聚光方式相比，塔式聚光有以下优点：
1）槽式的聚光比小，一般在50左右，为维持高温时的运行效率，必须使用真空管作为吸热器件。
而塔式的聚光比大，一般可以达到300到1500，因此可以使用非真空的吸热器进行光热转换，热转换部分寿命优于依赖于真空技术的槽式聚光技术；2）由于有大焦比，塔的吸热器可以在500ºC到1500ºC的温度范围内运行，对提高发电效率有很大的潜力。
而槽式的工作温度一般在400ºC以内，限制了发电透平部分的热电转换效率。
随着技术的不断进步，塔式系统从光到电的年平均效率由1995年SolarTwo的7.6％提高到2006年SolarTres的13.7％。
塔式技术已经完成了实验室探索阶段，正在向商业化迈进。
塔式发电系统的成本中：
聚光部分占43%，接收器部分16%，发电部分13%。
系统建造费用由4510欧元/kWe降低到2270欧元/kWe。
1950年，原苏联设计了世界上第一座太阳能塔式热发电站的试验电站，对太阳能热发电技术进行了广泛的、基础性的探索和研究。
据不完全统计，从1981—1991年的10年间，全世界建造了装机容量500kW以上的各种不同形式的太阳能热发电实验站20余座，其中主要是塔式电站。
自20世纪70年代初，美国休斯顿大学AlvinHildebrandt和LorinVant-Hull首次提出塔式太阳能热发电原理以来，美国一直积极的发展这项技术，并在20世纪80年代由美国能源部（DOE）的Sunlab与Boeing公司和Nexant公司合作建成了10MWe塔式电站SolarOne和SolarTwo。
SolarOne塔式太阳能热发电试验电站是1982建成的。
额定输出10MWe。
该电站经过两年的试验和评估后进入了发电阶段。
定日镜的可利用度极佳，第一年年平均全反射率为95％，第二年为96.3%，第三年达到98.9%。
SolarOne的成功对太阳热发电具有里程碑的意义。
SolarTwo为促进塔式/熔盐太阳能热发电技术的发展，在SolarOne的基础上加以改进，采用了熔盐为传热工质。
电站于1996年开始并网发电。
SolarTwo验证了熔盐技术的应用可以降低建站技术和经济风险，而且可以极大的推进塔式太阳能热发电站的商业化进程。
此后，西班牙，德国，瑞士，法国，意大利，前苏联和日本等也已经开展这项技术的研究工作。
欧洲，法国、德国和意大利等9个国家联合，于1981年在意大利西西里岛建造了额定功率为1MWe的世界首座并网运行的塔式太阳能热电站。
从1994年开始，欧洲框架IV，V，VI计划连续支持了塔式聚光技术的研究，如：
Solgas计划,ColónSolar计划等。
Eurelios塔式太阳能电站额定输出1MWe，于1981年并网发电。
它的吸热器是具下倾的锥形腔构造，是一种单一的直流式加热到过热温的锅炉。
CESA－1电站位于西班牙，1983年到1984年间建成。
吸热器带回热循环，采用了混合盐作工质，额定输出1MWe。
SSPS小型太阳能发电系统在西班牙，额定输出0.5MWe。
项目于1982年开始运行，用液态钠作为吸热器和储热器传热工质。
Themis电站在法国，额定输出2.5MWe。
它用熔盐作为吸热器和储热器的介质。
该电站于1983年到1986年成功运行为未来的电站的建设提供了大量的资料。
建在西班牙的Seville的PS10发电厂于2007年3月发电，电功率11MWe。
该项目初期论证过采用空气吸热器加燃气轮机的BRAYTON循环技术，最后由于成本高和技术风险大，转而采用直接产生蒸汽的方式（DSG）。
PS10塔高90m，有981面121m2的定日镜，PS10电站将每年向电网提供19.2GWh的电力，年平均发电效率可以到10.5％，投资2800EURO/kWe。
Solgas,ColónSolar发电试验装置建立在西班牙的ErtisaHuelva，有450面66m2的定日镜，吸热器功率20MWt，目的是试验太阳能燃气联合循环（ISCC）方式。
对联合循环经济性评价也是项目的重要内容。
2003年10月在美国举行的IEA-SolarPACES执行委员会上，IEA提出了世界太阳能热发电的近期目标是太阳能聚光发电的装机容量达到5000MWe。
欧洲白皮书“Energyforthefuture:
RenewableSourcesofEnergy-foraCommunityStrategyandActionPlan”中制定的最低目标是：
到2010年，欧洲的太阳能热发电装机容量达到1000MWe，其中西班牙在2006年将达到500MWe，比2004年增加15倍。
IEA-SolarPACES热发电计划分三部分：
1）集中式发电系统，包括研究大规模槽式技术和塔式技术。
2）分布式发电系统，包括研究碟式/斯特林装置。
3）CSP市场化的经济、环境和法律法规评价。
三、我国在太阳能热发电技术研究领域发展状况
就世界范围而言，我国在太阳能热利用方面的研究起步并不晚，但由于种种原因发展十分滞后。
进入20世纪末期，随着一批有识之士的大力宣传和不断倡导，致使国家有关部门和领导对此给与了足够的重视，对该领域的研究也给与了人力和物力上的极大的支持与投入。
近年来，我国在太阳能利用方面的研究已取得了突飞猛进的发展，通过合作与交流，我们的研究水平正逐渐与先进国家靠拢，甚至在某些方面处于世界领先水平。
1.太阳能碟式聚光系统
“十五”期间，中国科学院电工研究所、皇明太阳能集团与工程热物理研究所联合研制了3台直径5米的太阳能聚光器。
聚光器焦点处的温度已经达到约1600ºC，经西班牙、美国、德国、韩国、澳大利亚等著名太阳能热发电专家评议，该设备在技术指标及经济指标上已经达到目前国际先进水平。
目前，研究单位已经掌握了太阳位置三维跟踪技术和设备姿态高精密度控制传动技术，聚光系统精度达到±0.2º；三种聚光器分别试验采用了蜗轮蜗杆式、轨道链传动式和双蜗轮均力式等三种不同的传动方式。
高反射率旋转抛物面反射镜制备技术（反射率≥94%）；低能耗传动技术，设备运行时自身总电耗小于4W；高密度热流传热技术，吸热器能在0.65х106W/m2的超高热流密度下正常工作，且热效率不小91%等等。
第一套设备目前已从2003年8月起安全运行至今。
中国科学院的多碟式聚光装置，2003年8月
中国科学院研制的轨道式多碟式聚光器，2006年4月
中国科学院研制的单碟式聚光器，2005年1月
2.太阳能槽式聚光器
中国科学院电工研究所、皇明公司与工程热物理研究所联合成功研制了采光口开口宽度为2.5m，长12m的槽式聚光器一套。
对单向抛物反射面的反射器进行了研究，通过采用复合蜂窝技术，研制出了超轻型结构的反射面；解决了使用平面玻璃制作曲面镜的问题；通过与美国科学家的共同探讨，传动采取了液压方式，可以适合今后沙漠工作的要求。
图8中的PTC正在进行国家自然科学基金重点项目，利用太阳能中温加热甲醇制“CO+H2”混合气的实验。
中国科学院电工所研制的槽式聚光器，2005年2月
3.太阳能塔式发电定日镜
塔式聚光器技术涉及到传热流体技术、高温吸热器技术、聚光塔技术、定日镜技术和发电循环技术等。
我国科学家已经对电站从系统到关键单元部件进行了一系列的研究。
a.河海大学与以色列合作在南京江宁建立的70KWe太阳能与燃油混合热源发电站。
每面定日镜的反射面积40m2，共有反射镜30面。
如图是该电站工作时的情景：
河海大学建于南京的示范电站，2005年10月
b.中国科学院电工研究所在“百人计划”配套基金的支持下与皇明太阳能公司合作，研制了三种类型的塔式聚光用定日镜。
前2种方式主要是探索通过降低自重及风载来减小寄生能量的途径,第3种方式是探索同时聚光和定日两项功能的定日镜的设计与制作，为大型电站做技术准备。
这三种形式的共同点是均考虑了在沙漠中工作时传动设备的密封性以及对反射镜面的抗沙保护。
目前100m2的大型定日镜已经于2006年1月4日完成设备安装。
该设备自2006年1月15日起已经全天候无人职守运行至今，一切正常。
主要是研究探索大型定日镜反射镜面制作定型，轻型支架结构设计，大荷重传动系统以及定日镜的高精度跟踪系统。
为防止风载时的晃动，传动采用了无齿隙齿轮，保证了在离塔1km处也可以将光反射到吸热体上，可以适合建立大规模塔式电站的要求。
c.由中科院电工研究所承担的“863”国家重大项目“太阳能塔式发电关键技术研究及系统示范”正在按预期的目标顺利地进行当中。
该项目拟在北京延庆县建造一座我国第一座也是亚洲第一座1MW太阳能塔式热电站，该项目的建成将标志着我国在太阳能高温利用领域中上升到一个崭新的阶段，目前已取得阶段性成果。
以下是几张已经安装完成的几种定日镜的部分照片。
中国科学院电工所研制的120m2定日镜，2007年6月
中国科学院电工所研制的100m2多碟式定日镜，2007年6月
五、结束语
由于热发电技术本身技术和经济指标的进步，以及全球化石燃料的逐渐枯竭和对减排CO2的要求，太阳能热发电近5年来在全世界发展迅猛，国际能源署（IEA）预测2003年到2010年7年间全球新增太阳能热发电站的装机容量总共可达到2250MW，比目前现有的装机容量增加5.6倍，这一可大规模化的能源利用方式正在进入商业化成长期。
我们一定要抓住机遇，刻苦钻研，将我国的太阳能热发电技术推向一个新的高度。
太阳能利用技术和产业已由技术开拓期步入蓬勃发展时代。
可以展望，在不久的将来，太阳能发电成本有可能降低到与常规电价相竞争的水平，一个大规模利用太阳能的新时代——太阳能时代正在来临。
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