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李 斌，李安定

中國科學(xué)院電工研究所，北京100080

 

摘要：文章主要對太陽能熱發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了綜述。通過分析太陽能熱發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀可知，我國發(fā)展太陽熱發(fā)電應(yīng)當(dāng)考慮:①實現(xiàn)太陽熱發(fā)電系統(tǒng)的低成本投資和高可靠性運行，這一點非常重要;②實現(xiàn)規(guī)�；�發(fā)展，建立幾十兆瓦至百兆瓦級的大規(guī)模并網(wǎng)系統(tǒng);③開發(fā)幾十千瓦至萬千瓦級的獨立系統(tǒng)，以便解決無電地區(qū)的急需。

關(guān)鍵詞：太陽熱發(fā)電;塔式發(fā)電;槽式聚光;碟式斯特林系統(tǒng);太陽池;太陽煙囪

 

0 概況

 

　　太陽能作為一種潔凈的、取之不盡的能源在能源結(jié)構(gòu)中所占的比例將會越來越大。太陽能熱發(fā)電不僅可以發(fā)出電力，還可以同時實現(xiàn)供熱、制冷，構(gòu)成熱、電、冷聯(lián)產(chǎn)。太陽熱發(fā)電系統(tǒng)由集熱系統(tǒng)、熱傳輸系統(tǒng)、蓄熱貯能系統(tǒng)、熱機(jī)、發(fā)電機(jī)等組成。集熱系統(tǒng)聚集太陽能后，經(jīng)過熱傳輸系統(tǒng)將聚集的太陽熱能，傳給熱機(jī)，由熱機(jī)產(chǎn)生動力，帶動發(fā)電機(jī)來發(fā)電，整個系統(tǒng)的熱源來自于太陽能，所以稱之為太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)［1］。

 

1 太陽能熱發(fā)電介紹

 

1.1 塔式太陽熱發(fā)電系統(tǒng)

　　塔式太陽熱發(fā)電系統(tǒng)是利用定日鏡跟蹤太陽，并將太陽光聚焦在中心接收塔的接收器上，在接收器上將聚焦的輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮�，加熱工質(zhì)，驅(qū)動汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。定日鏡由微機(jī)控制跟蹤太陽，實現(xiàn)最佳聚焦。塔式太陽熱發(fā)電系統(tǒng)聚光比可達(dá)300～1500，運行溫度可達(dá)1500℃［1］。

　　塔式太陽熱發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計思想是20世紀(jì)50年代前蘇聯(lián)提出的。世界上第一座并網(wǎng)運行的塔式太陽能熱電站是在1981年由法國、原聯(lián)邦德國和意大利聯(lián)合建造的。該系統(tǒng)安裝在意大利的西西里島，采用了182個聚光鏡，鏡場總面積為6200m2，采用了由硝酸鹽組成的蓄熱器。其額定功率為1MW，蒸汽溫度為512℃，熱功率為4.8MW。第一個10MW的塔式太陽能熱電站于1982年在美國加利福尼亞州南部建成，該裝置稱為太陽l號，它總共占地291000m2，中央接收器位于90.8m高的塔頂，產(chǎn)生518℃的高溫蒸汽。每塊定日鏡都安裝在臺梁上，通過小功率電動機(jī)和齒輪箱可改變定日鏡的方位，進(jìn)行雙軸跟蹤，電動機(jī)接收來自中央控制計算機(jī)的信號，使定日鏡隨時跟蹤太陽，并將陽光反射聚集到塔頂?shù)慕邮掌魃稀?太陽1號的最大峰值輸出為11700kW，年平均效率低于6%，未達(dá)到8.2%的原設(shè)計要求。效率低的原因是:電站自身用電量太大;電站的裝機(jī)容量小，不可能采用更有效的再熱式蒸汽輪機(jī)，原設(shè)計過高地估計了實際的有效日照量，也沒有考慮到鏡面清潔問題。太陽1號后來被改造為太陽2號電站。太陽2號電站的參數(shù)如下:1926塊定日鏡，熔鹽蓄熱系統(tǒng)，300英尺的中央吸熱器，耗資4000萬美元，并網(wǎng)試驗運行到1998年。熔鹽由60%硝酸鈉和40%的硝酸鉀組成，700℃時熔融，接近1000℃時成為液態(tài)。

1.2 槽式聚光熱發(fā)電系統(tǒng)

　　槽式聚光鏡面將太陽光聚在一條線上，在這條焦線上安裝有管狀集熱器，以吸收聚焦后的太陽輻射能。管內(nèi)的流體被加熱后，流經(jīng)換熱器加熱工質(zhì)，借助于蒸汽動力循環(huán)來發(fā)電。該拋物面對太陽進(jìn)行一維跟蹤（設(shè)備軸線南北放置，然后東西旋轉(zhuǎn)跟蹤），聚光比是在10～100之間，溫度范圍可達(dá)400℃。該結(jié)構(gòu)形式的熱發(fā)電系統(tǒng)是在20世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來的。至今為止，已在加利福尼亞州安裝了354MW的槽式聚光熱發(fā)電站，工作介質(zhì)為導(dǎo)熱油，導(dǎo)熱油通過換熱器可以產(chǎn)生390℃的過熱蒸汽以驅(qū)動蒸汽輪機(jī)發(fā)電。這一系統(tǒng)由美國LUZ公司開發(fā)，自1984年以來先后開發(fā)了14、30MW和80MW的多種系統(tǒng)，總裝機(jī)容量為354MW。

　　LUZ公司技術(shù)路線的主要特點是采用大量拋物面槽式聚光器收集太陽直射光并將其轉(zhuǎn)換成熱能。每個集熱器由槽式拋物面聚光鏡及位于其焦線的集熱元件組成，每只集熱元件是一支真空集熱管，長4m，每24個集熱器串聯(lián)成一條長99m的集熱組合體，80MW系統(tǒng)需要850條集熱組合體。每條組合體都是南北水平向放置，有專門的傳感器以及計算機(jī)控制跟蹤系統(tǒng)，傳熱介質(zhì)為導(dǎo)熱油，它在真空集熱管中受熱后，通過一組換熱器使水變成高溫高壓蒸汽，去驅(qū)動蒸汽輪機(jī)發(fā)電。該系統(tǒng)需要拋物面接收器的面積為470265m2（680m×680m），導(dǎo)熱油在集熱器受熱后的出口溫度為391℃，進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽壓力為100個大氣壓，Rankine再熱循環(huán)的熱效率為38.4%，由太陽輻射能至電能的最高瞬時效率為24%，由太陽輻射能至電能的年平均效率為14%，由于太陽能是隨機(jī)的，在工質(zhì)的回路中增設(shè)一個使用常規(guī)燃料（通常為天然氣）的輔助鍋爐，以備急需。LUZ發(fā)電系統(tǒng)的核心部件是高精度槽式拋物型聚光鏡和真空管集熱器件。由于金屬管壁的溫度在400℃以上，故選擇性涂層的性能穩(wěn)定性、真空度的保持及玻璃與金屬管的封接等都是工藝上較難的問題。集熱元件的吸熱管表面采用了耐高溫的濺射選擇性涂層，具有良好的穩(wěn)定性。

　　自1984年LUZ建成第一個發(fā)電系統(tǒng)以來，每千瓦裝機(jī)容量的投資己由6000美元降至2875美元;電費由24美分/（kWh）降至7.5～8.5美分/（kWh）。第一個發(fā)電系統(tǒng)的平均效率為10%，現(xiàn)已提高到14%。目前，直接產(chǎn)生高溫高壓水蒸汽的新型吸收管已研制成功，就可以取消傳熱油的回路，降低了系統(tǒng)和運行的成本，增加了運行的安全性。

1.3 碟式太陽熱發(fā)電系統(tǒng)

　　借助于雙軸跟蹤，拋物型碟式鏡面將接收的太陽能集中在其焦點的接收器上。接收器吸收這部分輻射能并將其轉(zhuǎn)換成熱能。在接收器上安裝熱電轉(zhuǎn)換裝置，比如斯特林發(fā)動機(jī)或朗肯循環(huán)熱機(jī)等，從而將熱能轉(zhuǎn)換成電能。

　　單個碟式斯特林發(fā)電裝置的容量范圍在5～50kW之間。用氦氣或氫氣作工質(zhì)，工作溫度達(dá)800℃，斯特林發(fā)動機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率較高。碟式系統(tǒng)可以是單獨的裝置，也可以是由碟群構(gòu)成以輸出大容量電力。最早建造碟式太陽熱發(fā)電實驗裝置的是美國Advanco公司和McDonnell Douglas公司。

　　國際上，有關(guān)采用溫差半導(dǎo)體、熱離子、熱光伏以及用堿金屬熱電直接轉(zhuǎn)換器（AMTEC）構(gòu)成碟式或槽式太陽熱直接發(fā)電的設(shè)想和原理實驗報告在發(fā)表，但最終未實用化，都處于研究階段［2］。

1.4 太陽煙囪發(fā)電系統(tǒng)

　　太陽煙囪發(fā)電系統(tǒng)的運行是結(jié)合了眾所周知的三種技術(shù):溫室效應(yīng)、煙囪和渦輪機(jī)。在一片廣闊的平地上，用透明塑料和玻璃做成一個中間向上傾斜的屋頂。在陽光的照射下，屋內(nèi)的空氣被加熱，它和環(huán)境的溫差高達(dá)35℃。利用冷熱空氣的溫度差，加熱了的空氣將向屋頂上方運動。在屋頂?shù)闹醒胙b上煙囪，熱空氣通過煙囪迅速上升，氣流速度高達(dá)15m/s。在煙囪的底部安裝一臺風(fēng)力發(fā)電機(jī)，從而將熱風(fēng)的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋＿@種發(fā)電廠容量可達(dá)30～100MW;棚內(nèi)土地具有蓄熱功能，可以減少電 能輸出的波動。

　　第一個實驗性的太陽煙囪發(fā)電廠是由德國發(fā)起建造的，于1981年安裝在西班牙馬德里南部150km處，裝機(jī)容量60kW。該電廠從1982年至1987年經(jīng)過了長期運行的考驗，證明了太陽煙囪發(fā)電系統(tǒng)的可靠性，可以用較為簡單的技術(shù)和部件建造［3］。

1.5 太陽池發(fā)電系統(tǒng)

　　用太陽池現(xiàn)象產(chǎn)生能量是由以色列科學(xué)家最早提出的。太陽池發(fā)電系統(tǒng)［4］是利用含鹽的水在陽光的照射下因含鹽的梯度不同而產(chǎn)生不同的溫度梯度來驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電的。一般池水深度為6m以上，池底涂黑以吸收直射及漫射的太陽輻射能。依此原理，可以將底部池水加熱至90℃以上。太陽池沿其深度通常分為三層:頂部對流層，這層很薄，鹽水濃度很低，是由風(fēng)和表面熱損失引起的對流;中部約1～1.5m，為非對流層，這層的鹽濃度隨深度而增加，食鹽梯度的增加就避免了下層暖水向較冷的上層對流的可能，此層起到了一個透明絕熱層的作用。允許陽光透入，從而避免了底部熱水向上的熱對流;下部為蓄熱層，約2～4m深，鹽的濃度更高，一定深度已形成了飽和鹽水。此層鹽水的比重極高、濃度幾乎恒定且溫度分布較為均勻，此層的厚度決定了太陽池的蓄熱能力。

　　1958年以色列建立了25m×25m的太陽池，并產(chǎn)生了96℃的熱水;1973年在以色列政府的支持下，以色列科學(xué)研究基金會重提了太陽池項目，并于1977年開始組建了150kW的太陽池發(fā)電系統(tǒng)，并入電網(wǎng)成功地運行了7年，由于土地被土地所有者收回，該項目停止試驗。在此基礎(chǔ)上，1984年又提出了Beith Ha′ava計劃，按此計劃在以色列政府的部分支持下要建立5MW的太陽池發(fā)電系統(tǒng)，但受到預(yù)算的限制，太陽池的面積僅實現(xiàn)了設(shè)計面積的1.4。與此同時，澳大利亞建立了15kW的太陽池發(fā)電系統(tǒng)。美國愛迪生電力公司在加利福尼亞州的薩爾頓湖建造了一座發(fā)電能力為5MW的太陽池電站，美國還建立了70kW電和330kW熱的熱電聯(lián)供系統(tǒng)，用于海水淡化。1975年，克拉克等人對應(yīng)用于發(fā)電的太陽池進(jìn)行了一系列研究，先為新墨西哥州的鈾礦提供熱水，在南加利福尼亞州籌建世界上規(guī)模最大的用于發(fā)電的太陽池，其發(fā)電能力估計可高達(dá)600～800MW。

　　以色列曾在死海沿岸先后建造了3座利用太陽池和低溫差發(fā)電機(jī)以及在低溫下運行的蘭金循環(huán)發(fā)動機(jī)的電站。第一座功率為150kW的實驗性太陽池電站，于1979年底正式開始運行，其造價與同樣功率的水電站相當(dāng)，電價也僅為1～2美分/（kWh）。它是以色列準(zhǔn)備廣泛利用太陽池發(fā)電計劃的第一步;根據(jù)該項計劃，圍繞死海沿岸建造起一系列太陽池電站后，將可提供以色列全國用電需求的13%左右。美國也根據(jù)全國的太陽輻射資源和鹽資源進(jìn)行了普查，所得出的結(jié)論是:如果能夠?qū)⑷�部可資利用的資源開發(fā)出來并加以利用的話，將可滿足美國全國電力需要的12%左右，這是一個十分可觀的前景。首先在南加利福尼亞州實施鹽湖太陽池計劃，并籌建了一座最終發(fā)電功率可達(dá)800MW的大型太陽池電站。

 

2 國內(nèi)太陽熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀

 

　　20世紀(jì)70年代末，湘潭電機(jī)廠和美國合作，建成了碟式太陽熱發(fā)電實驗裝置。聚光鏡直徑7.5m，用合金鋁制造，分塊成形，組合而成，表面貼鍍鋁薄膜，電腦控制的雙軸跟蹤系統(tǒng)，用導(dǎo)熱油吸熱，然后傳熱給有機(jī)工質(zhì)，驅(qū)動渦輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電，實驗裝置發(fā)電3kW。

　　中國科學(xué)院電工研究所，曾在20世紀(jì)70年代末期進(jìn)行了太陽熱發(fā)電方面的應(yīng)用基礎(chǔ)研究工作，包括太陽能收集器、太陽輻射的吸收涂層以及斯特林發(fā)動機(jī)等。“八五”期間，北京市太陽能研究所與中國科學(xué)院電工研究所承擔(dān)了太陽能熱發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)項目，中國科學(xué)院電工研究所研制了槽式線聚焦裝置，對槽式拋物面集熱系統(tǒng)進(jìn)行了研究，取得了可喜的成果。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國科學(xué)院電工研究所在非成像的CPC集熱、強(qiáng)化傳熱方面做 了深入的研究工作。這些都為我國太陽能熱發(fā)電技術(shù)的研發(fā)打下了基礎(chǔ)。

 

3 結(jié)束語

 

　　首先，實現(xiàn)發(fā)電系統(tǒng)的低成本投資和高可靠性運行對太陽熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展至關(guān)重要;其次，實現(xiàn)規(guī)�；�發(fā)展，建立幾十兆瓦至百兆瓦級的大規(guī)模并網(wǎng)系統(tǒng)，既節(jié)省常規(guī)燃料，又能保正系統(tǒng)平穩(wěn)的運行;同時也應(yīng)發(fā)展方便實用的幾十千瓦至萬千瓦級的獨立系統(tǒng)，以便解決無電、少電地區(qū)的急需。

 

4 參考文獻(xiàn)

 

　　［1］ 中國電工技術(shù)學(xué)會編.電工高新技術(shù)叢書（第二分冊）.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

　　［2］ 李安定等.碟式聚光太陽熱發(fā)電技術(shù).太陽能，2003（3）:25～27.

　�。�3］ Jorg Schlaich.Tension structure for solar electricity generation.Engi-neering structure，1999（21）:658～668.

　�。�4］ 李申生.太陽池的應(yīng)用.太陽能，1999，（4）:22～23.

　　　

收稿日期：2003-11-28

作者簡介：李 斌（1969-），男，副研究員，博士，從事太陽熱發(fā)電技術(shù)的研究工作。