太阳能聚热发电方式的选择
严刚峰，方红，程浩，李红连
（成都大学电子信息工程学院，成都610106）
足，通过比较得出了塔式太阳能聚热发电是目前较好的太阳能聚热发电方式. 摘要：叙述了太阳能聚热发电的重要意义，讨论了现有太阳能聚热发电方式的特点与不
关键调：太阳能：聚热发电；塔式
中图分类号：TK519文献标志码：B文章编号：1009-3230（2012)11-0041-05
TheMode Choice of the ConcentratingSolarThermal Power Generation
YAN Gang-feng FANG Hong CHENG Hso LI Hong-lian(School of Electronic Information Engineering Chengdu University Chengdu 610106 China)
Abstract: This article descnibes the significnnce of solar thermal power generation and discusses thecharacteristics and shortings that exist in concentrating solar thermal power generation obtainsthat tower solar themmal power generation is better solar thermal power generation by paring the different mode of concentrating solar thermal power generations.
Key words: Solar; Concentrating power generation; Tower mode
中国家，能源量的发展与质的改善是经济发展以如何高效获取能源在人类社会发展以及人类及人民生活改善的基本保证.如何满足能源数量和质量的需求，将会在相当长时期内成为我国能源发展战略制定的重要依据.我国能源消耗总量达到22.34亿吨标准煤，能源缺口为1.73亿吨标准煤，其中石油自给率为55.4%（2005年数据）.还将进一步加大，供需矛盾将日益明显”.同 随着我国经济的快速发展，清洁能源消耗和缺口时，从我国近年来的能源消耗统计可以看出，我国 的能源发展存在三大矛盾：
1太阳能聚热发电的重要意义
社会的文明进程中占有极其重要的地位，在过去的一个世纪中，煤炭、石油、天然气等化石能源的开发与利用揭开了大工业时代的序幕，近百年以来，人类总的年能源供应量增长了近十倍.然面，无节制的资源开发和低效的能源利用造成了大量的资源浪费与日益严重的生态环境污染，人类的生存空间受到了极大影响，在新的世纪里，能源科学不得不同时面对资源短缺与环境污染的双重压力，因此，高效开发可再生资源具有重要意 义（1-].
（1）大量使用煤炭与环境保护以及减排温室气体的矛盾
（2）能源大量消耗和国内油气资额短缺的矛盾
我国是一个人口众多、经济快速增长的发展
（3）大量进口石油天然气和能源安全的矛盾
面对上述问题，我们应来取强化节能、提高能源的综合利用效率的同时，更重要的是大力发展可再生能源来缓解上述矛盾.
界各国纷纷展开对太阳能利用的研究工作，其中包括太阳能的收集、转换、储存及输运等，并取得显著进展.世界能源发展战略目标也是建立以太阳能为主的可持续发展结构体系，其重要性将与日俱增.许多发达国家都把太阳能等可再生能源从原来的补充能源上升到战略替代能源的地位.在我国，随着建设资源节约、环境友好型社会目标 的提出，太阳能等可再生能源利用已成为我国能源战略和能源安全的重要内容.2005年国家政府报告《国家中长期科学和技术发展规划纲要2006-2020年）强调指出：太阳能作为我国首要发展的可再生能源技术，已成为无可争议的可持续发展能源的必由之路.因此，从能源战略和能源安全的角度看，尽快大力发展太阳能，探索和开发创新技术，具有十分重要的意义.
太阳能发电分为太阳能直接光发电和太阳能间接光发电.太阳能直接光发电有太阳能光伏发太阳能热发电、太阳能光化学发电、太阳能光生物发电等.太阳能热发电分为太阳能热直接发电和太阳能热间接发电.太阳能热直接发电有太阳能热离子发电、太阳能热光伏发电、太阳能热温差发 电和太阳能热磁流体发电等.太阳能热间接发电分为非聚光类太阳能热发电（低温）和聚光类太阳能热发电（中、高温）.非聚光类太阳能热发电有太阳池热发电、太阳能热气流发电等.聚光类太阳能热发电有塔式太阳能聚热发电、槽式太阳能热发电、碟式太阳能热发电等.目前，较为成熟的太阳能发电技术是光伏发电和太阳能热发电. 在太阳能热发电中，通过聚光产生高温进面发电，其效率较高，更具应用前景.
太阳热能发电是一项综合性技术，涉及太阳能利用、储能、新型材料技术、自动控制技术和高效汽轮机技术等问题，是当今世界在太阳热能利用方面研究的重要内容.自从1878年在巴黎建回路，称之为双回路系统.槽式系统以线聚焦取立了第一个小型点聚焦太阳能热交换式蒸汽机以
世界能源储量最多的是太阳能（占再生能源来，能源领城专家从各个方面对太阳能热发电技的99%左右），因其独具的储量“无限性”、存在的术展开了深人的探讨，目前美国、德国、以色列、法 普遍性、开发利用的清洁性，而受到广泛关注，世国、西班牙等国都在深人开展太阳能热力发电的研究与开发，并在设计理论、材料工艺和热储存系统等方面取得了较大进步.特别是近几十年来，美国、日本和欧测等国相继建立起各种不同类型的试验示范装置和商业化运行装置，促进了太阳能热发电技术的发展和商业化的进程，太阳能热发电技术取得了显著的提高.据不完全统计，仪在近十年间，全世界就组建了500KW以上的太 阳能热发电站几十座.据最新报道，美国已通过《美国复苏与再投资法》的法案，计划向可再生能源生产领城投人230亿美元，近期美国能源部就将投人近20亿美元资助两家公司兴建太阳能发电厂，以支持美国太阳能行业的发展.德国则计划投资4000亿欧元，在北非建立超大型聚光太阳能热发电站，将可满足欧洲15%的用电需求.
因此，大力发展太阳能聚热发电是世界各国能源战略的重要组成，是解决社会发展能源短缺的重要途径.
电、太阳能光感应发电等.太阳能间接光发电有2太阳能聚热发电方式
按照集热温度的高低，太阳能热发电系统大致可以分为槽式太阳能热发电系统、碟式太阳能热发电系统和塔式太阳能骤热发电系统.下面简问题. 要叙述这几类系统的基本原理、特点和存在的
2.1槽式太阳能热发电系统
精式太阳能热发电系统是利用槽形抛物面反射镜将太阳光线聚焦到吸热器上，聚光吸热器由众多分散布置的槽形抛物面聚光吸热器串、并联动汽轮机带动发电机发电的能源动力系统. 组成，对传热工质进行加热，经换热产生蒸汽，推
植式太阳能热发电系统分为两种形式：一种是传热工质在各个分散的聚光吸热器中被加热形成蒸汽汇聚到汽轮机，称之为单画路系统，另一种是传热工质在各个分散的聚光吸热器中被加热汇聚到热交换器，经换热器再把热量传递给汽轮机代点账，并且聚焦的管线，随着圆柱抛物面反射
镜一起跟踪太阳运动，可以将光热转换效率提高太阳能聚热发电站.
图1美国加州建成的SECS槽式太阳能聚热发电站
槽式系统的主要特点在于：
（1）槽形抛物面吸热器是一种线聚焦吸热器，对太阳进行一维跟踪，其聚光比在10到30之间，集热温度一般低于400℃，属于中温系统，这种系统容量可大可小，商业化运营对系统容量没有要求；
（2）吸热器等装置都布置于地面上，安装和维护比较方便； （3）各聚光吸热器可同步眼踪，使得成本相对较低.
槽式系统的主要问题在于：
（1）由于太阳能吸热器（中间的聚焦管线）固定在槽式反射镜上，随着反射镜一起运动，因而导致整个系统的机械装置比较笨重，面且热管的连接点必须是活动性的，这种结构保温较为困难，并且容易损坏.
（2）槽式系统的抗风能力较差，不适宜工作在大风地区，每个槽式反射镜的风阻很大.因此，国外现有的槽式太阳能热发电系统一般应用于无风或激风的地区.这与我国北方多风甚至大风的气候条件有很大差异，在我国应用必须要改变或加强反射镜的支撑结构以增强槽式系统的抗风性能，这样必然导致投资成本和热发电成本大幅增加.
（3）槽式系统的太阳能吸热器是很长的集热到70%左右.图1为美国加州建成的SEGS槽式管，尽管发展了许多新的集热技术，但其散热，包 括由热辐射造成的散热面积要比其有效的受光面积大，因此与点聚光系统，如碟式和塔式相比，槽式系统的热损耗很大.
（4）高质量的槽形抛物面聚光镜以及集热管的加工都存在较困难的工艺间题，损坏后维修成本也很高.
2.2碟式太阳能热发电系统
物面镜进行聚光集热”.其结构从外形上看类 碟式系统也称之为盘式系统，是采用盘状抛似于大型抛物面雷达天线.由于盘状抛物面镜是一种点聚焦吸热器，其聚光比可以高达数百到数千，因而可以产生非常高的温度.这种系统可以独立运行，其功率一般为几十千瓦，聚光镜直径约10~15m.碟式太阳能热发电系统也可以做成较太阳能热发电电站，为用户提供电力需求.图2 大的系统，即可以将多台装置并联起来，组成小型为ZenithSolar公司所建的碟式太阳能热发电站.
图2ZenilSolar公司的碟式太阳能热发电站
碟式系统的主要特点在于：
光热转换效率高，发电系统寿命长、效率高、灵活性强等特点，可以单台供电，也可以多套并联使用，非常适合边远地区和山区发电.
碟式系统的主要问题在于：
（1）斯特林发电机效率较低，致使商业运营成本很高：
到太阳能的分散性，增大聚光反射镜面积来提高 (2）斯特林发电机要求在高温下工作，考虑发动机的输出功率是有效的，但过于庞大的聚光
万方数据
反射镜因抗风和跟踪等条件的限制，使得工艺结构复杂，制造成本昂贵.
2.3塔式太阳能聚热发电系统
塔式系统又称为集中型系统，其聚光装置由许多安装在场地上的大型反射镜场组成，这些反射镜通常称为定日镜.每台定日镜都配有太阳跟踪机构，对太阳进行双轴跟踪，准确地将太阳光反射集中到一个高塔顶部的吸热器上.塔式系统的聚光比通常在500~3000之间，系统最高运行温度理论上可达到2000℃.经定日镜反射的 太阳能聚集到塔顶的吸热器上，加热吸热器中的传热工质，生产出过热蒸汽，推动汽轮发电机发电.图3为eSolar公司的Siema塔式太阳能聚热发电站.
图3eSolar公司的Siema塔式太阳能聚热发电站
高的光热转换效率.
塔式系统的主要问题在于：
（1）定日镜的高精度跟踪与低成本的矛盾；（2）高效吸热器的耐高温吸热材料及其制造工艺间题；（3）聚光集热系统、储热系统和动力系统的系统集成及其优化方法.
塔式系统的主要特点在于：
成本也较低； （1）平面反射镜量产成本较低，维护和更换
（2）聚光倍数高，容易达到较高的工作温度；
（3）能量集中过程是靠反射光线一次完成的，方法简单有效；
如表1所示. 三种太阳能热发电系统主要性能和特点比较
（4）吸热器散热面积相对较小，可以得到较
三种太阳能热发电系统性能和特点的比较
1
槽式系统 谋式系统 塔式系统日前电站最大规模 理燃电站规模 100MW以上 80 MW 100kW（每台） 50kw（每台） 100MW以上 10MW聚光比 换受器 空腔式、真空管式 10-30 500 ~6000 空腔式 空腔式、外露式 500~3000运行温度（℃） 吸/储热工质 200-400 抽、水 油/甲苯、氮气 800 ~1000 熔盐/水、水、空气 500-2000跟踪方式 单轴 双轴 双轴能否储能 能 能能否加人辅助能源 日前最高效率（%） 28 29.4 能 28 能年平均效率（%） 11-15 12-25 15 -20热发电一次 2300-2500 5000 8000 2500 2900成本（美分/Wh） 投资（美元/kW） 12（美国） 30（美国） 8.9（西班牙）商业化情况 可商业化 试验阶段 示范阶段应用前景 可并网 可独立可并网 可井网最住适用规模 小规模分散发电，特别适用大规模集中发电 于山区、海岛等偏远地 区自用发电 大规模集中发电
3塔式太阳能聚热发电系统的优势
对于建立大规模太阳能集中发电站而言，塔开槽式太阳能热发电系统的建设）.式太阳能聚热发电系统与槽式太阳能热发电系统相比，虽然塔式系统热发电的一次投资成本较槽式系统高略，但其它方面的优势明显，体现在：
（1）聚光材料部分
低，维护和更换成本也较低.面槽式太阳能热发 塔式太阳能聚热发电系统的反射镜量产成本电系统需要高质量的槽形抛物面案光镜，高性能的集热管.不仅槽形抛物面聚光镜、集热管制作存在较固难的理论以及工艺问题，而且损坏后维修和更换成本也很高.
（2）聚光原理部分
塔式太阳能聚热发电系统是点聚光，其能量集中过程是靠反射光线一次完成的，方法简单有 效，聚光倍数高，容易达到较高的工作温度.面槽式太阳能热发电系统是线聚光，需要通过很长的集热管完成，热损耗大，不易达到较高的工作温度.
（3）聚光场的维护
日镜，每个定日镜均有控制机构完成其定日功能，精度较高.而槽式太阳能热发电系统的聚焦管线 均固定在槽式反射镜上，随着反射镜一起运动，因面导致整个系统的机械装置比较笨重，面且热管的连接点必须是活动性的，这种结构导致保温困难，容易损坏.
（4）集热部分
塔式太阳能聚热发电系统的吸热器需要引进（目前，成熟的吸热器供应商有以色列和美国的 相关公司）.槽式太阳能热发电系统集热管同样需要引进（玻璃管与金属内管的封接技术仅以色
列章握，世界各国均引进以色列的这种产品来展
（5）储热部分
塔式太阳能聚热发电系统和槽式太阳能热发电系统同样面临储热材料、储热技术方面的难题.
（6）汽轮发电系统、控制系统
这些部分，塔式太阳能聚热发电系统和槽式太阳能热发电系统相比，结构和组成相同，均无实现难点.
因此，塔式太阳能聚热发电系统是下一代太阳能大规模热发电系统的理想方式，应该大力发展塔式太阳能聚热发电电站.
参考文献
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