槽式拋物面太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與探討

徐 偉，楊 帆，劉靜靜，繆晨陽

（東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院太陽能研究中心，南京 210096）

新能源技術(shù)

槽式拋物面太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀與探討

徐 偉，楊 帆，劉靜靜，繆晨陽

（東南大學(xué) 能源與環(huán)境學(xué)院太陽能研究中心，南京 210096）

介紹了太陽能聚光熱發(fā)電技術(shù)的基礎(chǔ)，闡述了槽式拋物面太陽能熱發(fā)電的基本原理及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并介紹了槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展歷程及研究現(xiàn)狀。結(jié)合我國的國情，探討了槽式拋物面太陽能熱發(fā)電技術(shù)未來發(fā)展的主要問題，并嘗試給出了相應(yīng)的解決對策。

太陽能熱發(fā)電；槽式拋物面；聚光

可再生能源系統(tǒng)是基于有效利用當(dāng)?shù)刭Y源和網(wǎng)絡(luò)，可以看作是一個有效的、可靠的、環(huán)保的能源系統(tǒng)。根據(jù)《BP世界能源統(tǒng)計年鑒2013》可知：全球?qū)τ谝淮文茉葱枨笤诳傮w上來說都是呈上升趨勢。

雖然傳統(tǒng)燃煤發(fā)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(nèi)接收到的太陽輻射能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過整個地球上的人口在一年內(nèi)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(fā)電未來的情況預(yù)測。

表1 太陽能聚光熱發(fā)電的情況預(yù)測

聚集太陽光并將其轉(zhuǎn)化為工作流體的高溫?zé)崮?，通過常規(guī)的熱機或其他發(fā)電技術(shù)將其轉(zhuǎn)換成電能的技術(shù)稱之為太陽能熱發(fā)電技術(shù)［1］。根據(jù)工作原理的不同，太陽能熱發(fā)電機一般主要分為塔式、碟式以及槽式太陽能熱發(fā)電。表2給出了三種太陽能熱發(fā)電的基本參數(shù)。

表2 三種太陽能熱發(fā)電方式的比較

2 槽式太陽能熱發(fā)電

2．1 系統(tǒng)概述

槽式拋物面太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)具有緊湊的結(jié)構(gòu)，且制造集熱裝置所需構(gòu)件形式不多，因而容易實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。槽式拋物面太陽能熱發(fā)電技術(shù)已經(jīng)被證明是最成熟和最低成本的太陽能熱發(fā)電技術(shù)，其發(fā)電站也是目前所有太陽能熱發(fā)電試驗電站中功率及年效率最高的。美國和歐洲已經(jīng)投入的商業(yè)項目每年為其國內(nèi)電網(wǎng)提供可觀的電力。

槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)總共有兩種形式［2］：雙回路系統(tǒng)和單回路系統(tǒng)。槽式拋物面太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的工作原理見圖1。太陽能集熱場采用單軸對日跟蹤系統(tǒng)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(zhì)將熱量輸送到過熱蒸汽發(fā)生器中，從而推動汽輪機發(fā)電［3］。

圖1 槽式拋物面太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)示意圖

槽式拋物面太陽能熱發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵部分由三部分構(gòu)成：蓄熱系統(tǒng)、蒸汽產(chǎn)生系統(tǒng)、高溫真空管集熱器。典型蓄熱系統(tǒng)有兩種形式：一是傳熱介質(zhì)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(zhì)，它們之間有換熱器。整個熱發(fā)電系統(tǒng)的核心部件是高溫真空管集熱器。槽式拋物面太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)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(jīng)濟效益好、聚光比小、集熱溫度較高等優(yōu)點，因而容易實現(xiàn)商業(yè)化。槽式拋物面太陽能熱發(fā)電技術(shù)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(guān)，還與跟蹤裝置有關(guān)。當(dāng)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(zhuǎn)跟蹤。為了盡可能降低整個發(fā)電系統(tǒng)的能耗，從而減少能源消耗，整個跟蹤系統(tǒng)采用閉環(huán)控制；同時旋轉(zhuǎn)軸必須位于集熱器重心位置，從而使對日跟蹤精度達(dá)到±0．1°。

2．2 DSG技術(shù)原理

Cohen和Kearney于1994年提出直接蒸汽產(chǎn)生（Direct Steam Generation，DSG）技術(shù)，認(rèn)為是提高槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)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(shù)可以使得集熱工質(zhì)達(dá)到更高溫度，使得凈效率被顯著提高到13%［4］。

DSG集熱系統(tǒng)通常分成三種類型：一次通過類型、再循環(huán)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(chǎn)生過熱蒸汽，原理簡單但是對流動的蒸汽狀態(tài)控制難度較大；再循環(huán)類型是產(chǎn)生濕蒸汽，相對于一次通過類型系統(tǒng)也會變得復(fù)雜；而注入給水類型是為了控制吸收管上蒸汽質(zhì)量和流動穩(wěn)定性，系統(tǒng)復(fù)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(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

2．3．1 國外

目前，槽式拋物面太陽能熱發(fā)電電站幾乎占據(jù)了太陽能熱發(fā)電電站裝機容量的90%，也是目前所有太陽能熱發(fā)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(fā)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(fā)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(yù)計年發(fā)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(huán)工質(zhì)和儲熱介質(zhì)，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(fā)電系統(tǒng)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(shè)100MW的KaXu Solar One槽式光熱發(fā)電項目。表3是近年來部分國外槽式太陽能熱發(fā)電項目的一些基本信息。

表3 國外部分槽式太陽能熱發(fā)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(tǒng)的DSG槽式熱發(fā)電系統(tǒng)，結(jié)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(fā)電系統(tǒng)，然后對太陽能和動力模塊性能進行模擬分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：模型預(yù)測和實際運行結(jié)果有著很高的一致性，誤差通常小于10%；同時也對瞬態(tài)行為比如啟動、關(guān)閉和云響應(yīng)進行了充分模擬。Pang H等通過自主開發(fā)的軟件分析了PTC系統(tǒng)（混合太陽能拋物面槽式聚光器）在不同氣候條件、不同系統(tǒng)配置和負(fù)載條件下能源輸出、損失和系統(tǒng)各部分效率。Poullikkas A［8］對在Mediterranean地區(qū)建立拋物槽式太陽能熱發(fā)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(shù)，并采用了參數(shù)化的成本-效益分析，預(yù)測電站的容量因子為39%，年發(fā)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(fā)電站模型進行了性能分析，通過采用經(jīng)濟學(xué)方法得到電站的平準(zhǔn)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(lián)合循環(huán)（Integrated Solar Combined Cycle，ISCC）系統(tǒng)和傳統(tǒng)的聯(lián)合循環(huán)燃?xì)獍l(fā)電（Combined Cycle Gas Turbine，CCGT）系統(tǒng)太陽能熱發(fā)電技術(shù)對于工作在炎熱和干燥環(huán)境條件下燃?xì)饴?lián)合循環(huán)系統(tǒng)性能的貢獻(xiàn)，以評估這種技術(shù)發(fā)展的潛力。利用TRNSYS模擬兩個系統(tǒng)全年運行情況之后發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)CCGT在Almería比Las Vegas年發(fā)電量更大，前者為1 857．43GW·h，后者為1 845．9GW·h。最后通過經(jīng)濟性分析發(fā)現(xiàn)，Las Vegas的ISCC系統(tǒng)的LCOE遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于Almería。在Las Vegas，ISCC系統(tǒng)的LCOE小于CCGT，而在Almería，ISCC系統(tǒng)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(fā)電系統(tǒng)。通過綜合系統(tǒng)的性能、成本和財務(wù)模型計算出四個系統(tǒng)年能量輸出分別是415GW·h、376．6GW·h、223GW·h和261．8GW·h。

2．3．2 國內(nèi)

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

楊勇平等［12－13］在考慮太陽能熱發(fā)電子系統(tǒng)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(yōu)化模型，并對其中發(fā)電系統(tǒng)進行了經(jīng)濟性分析，結(jié)果表明：考慮CO2減排帶來的環(huán)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(fā)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(fā)電系統(tǒng)在奈曼和拉薩兩地全年運行情況，結(jié)果表明：兩個系統(tǒng)年發(fā)電量相差78．5%，前者年發(fā)電量為37 271．10MW·h。趙坤［15］建立了槽式太陽能Kalina循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，并且優(yōu)化計算了主要參數(shù)，并在模擬分析了整個系統(tǒng)熱經(jīng)濟性后發(fā)現(xiàn)：1MW Kalina循環(huán)系統(tǒng)熱效率為25．6%，比Rankine循環(huán)高約8%。李獻(xiàn)偶等［16］使用SAM對在渾善達(dá)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(guī)模經(jīng)濟比例方程、年發(fā)電能力系數(shù)CF1及月發(fā)電能力系數(shù)CF2對電站經(jīng)濟性進行了分析，結(jié)果表明：設(shè)計容量為50MW的電站上網(wǎng)電價可達(dá)到0．727元／（kW·h）。

陳志鵬等［17］采用數(shù)值計算的方法對一座無儲熱裝置的5MW槽式太陽能DSG熱發(fā)電系統(tǒng)進行了全年穩(wěn)態(tài)運行模擬，結(jié)果表明：系統(tǒng)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(fā)量增加的幅度使得主汽壓力下降幅度較大。因此當(dāng)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(fā)電量；當(dāng)太陽輻射強度較高時，則可以降低給水流量從而穩(wěn)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(fā)生器子系統(tǒng)模型并進行了仿真，結(jié)果表明：當(dāng)系統(tǒng)在設(shè)計工況下穩(wěn)定運行時，實際得到的工質(zhì)參數(shù)和設(shè)計值吻合度較高，說明蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)模型具有較高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

3 槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)未來發(fā)展的探討

雖然槽式拋物面太陽能熱發(fā)電技術(shù)是目前太陽能熱發(fā)電技術(shù)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(fā)電技術(shù)就不能夠發(fā)揮其固有的作用。所以有必要對槽式拋物面太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)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(zhǔn)確控制且隨機性較大，從而會導(dǎo)致槽式太陽能熱發(fā)電的正常運行受到影響；太陽能集熱場通常會占據(jù)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(fā)電系統(tǒng)需要大量管道，而當(dāng)前的技術(shù)又難以簡化管道系統(tǒng)，使得熱損失一直較高，從而影響系統(tǒng)整體效率；系統(tǒng)部件絕熱問題一直未能解決，導(dǎo)致熱損失不能有效減少；反射鏡結(jié)構(gòu)笨重，使得風(fēng)阻很大，降低了系統(tǒng)自身安全系數(shù)等；槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)上網(wǎng)電價一直在1元／（kW·h）以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他能源發(fā)電上網(wǎng)電價，因而阻止了其進一步的發(fā)展；同時如果把槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)出的電力送上電網(wǎng)，就會對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊，從而降低了電網(wǎng)的安全性。

相應(yīng)的解決對策為以下幾點：

（1）我國西北地區(qū)太陽能資源非常豐富，年平均日照時間達(dá)2 800～3 300h，這些地區(qū)是比較適合建設(shè)大型槽式太陽能熱發(fā)電站。與此同時，不妨把槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)聯(lián)合海水淡化系統(tǒng)，使得資源利用效率實現(xiàn)最大化。如果熱發(fā)電系統(tǒng)可以在西北地區(qū)得到推廣和應(yīng)用，那么可以直接解決區(qū)域能源資源短缺問題，將創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益。

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

（3）常規(guī)槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)工質(zhì)為最高溫度可達(dá)400℃的導(dǎo)熱油。對于將來的槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，可以采用DSG技術(shù)。采用DSG技術(shù)之后可以在減小環(huán)境壓力的同時簡化熱發(fā)電系統(tǒng)的整體配置，同時提高蒸汽溫度等。

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

4 結(jié)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(fā)電技術(shù)是科學(xué)利用這些資源的最佳途徑之一。槽式太陽能熱發(fā)電項目如果能夠得到大規(guī)模的應(yīng)用，拉動相關(guān)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展的同時可以拉動相關(guān)地區(qū)經(jīng)濟增長、增加當(dāng)?shù)貏趧尤丝诘木蜆I(yè)率。發(fā)展槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)，既是實現(xiàn)電力供應(yīng)、環(huán)境保護的可持續(xù)發(fā)展，又是適應(yīng)當(dāng)今世界經(jīng)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