光热发电简介

光热发电简介

一、聚光光热技术简介

聚光光热（CSP：Concentrated Solar Power）技术是太阳能开发利用的一种主要方式，聚光方式包括了槽式、塔式、碟式和菲涅尔式。槽式太阳能聚光光热技术是当前发展最热和最具商业化前景的聚光光热技术，它采用槽式抛物面聚光器对太阳光汇集吸收，可直接将传热工质加热到300-500℃的一项技术，该技术主要核心是聚光技术和光热转换技术。

槽式太阳能热发电系统全称为槽式抛物面反射镜太阳能热发电系统，是将多个槽型抛物面聚光集热器经过串并联的排列，聚焦太阳直射光，加热真空集热管里面的工质，产生高温，再通过换热设备加热水产生高温高压的蒸汽，驱动汽轮机发电机组发电。

二、槽式太阳能热发电系统工作原理

聚光太阳能集热器由聚光器与接收器组成，成像聚光太阳能集热器通过聚光器将太阳辐射聚焦在接收器上形成焦点（或焦线），以获得高强度太阳能。聚光集热器是一套光学系统，聚光器一般由反射镜或透镜构成，主要有抛物面反射镜、菲涅耳透镜、菲涅耳反射镜三种。

槽式聚光集热器

由抛物线沿轴线旋转形成的面称为旋转抛物面，由抛物线向纵向延伸形成的面称为抛物柱面（槽式抛物面），在工业应用中称槽式聚光镜。在凹面覆上反光层就构成抛物面聚光器。根据光学原理，与抛物镜面轴线平行的光将会聚到焦点上，焦点在镜面的轴线上，见下图（a）。把接收器安装在反射镜的焦点上，当太阳光与镜面轴线平行时，反射的光辐射全部会聚到接收器，见下图（b）。

槽式聚光镜反射的光线是会聚到一条线（带）上，故集热器的接收器是长条形的，一般由管状的接收器安装在柱状抛物面的焦线上组成。槽式聚光集热器的聚光比范围约20至80，最高聚热温度约300度至400度。

槽式太阳能聚光集热器的结构主要由槽型抛物面反射镜、集热管、跟踪机构组成。反射镜一般由玻璃制造，背面镀银并涂保护层，也可用反光铝板制造反射镜，反射镜安装在反光镜托架上。槽型抛物面反射镜将入射太阳光聚焦到焦点的一条线上，在该条线上装有接收器的集热管，见图1。

集热管内有吸热管，用来吸收太阳光加热内部的传热液体，一般用不锈钢制作，外有黑色吸热涂层。为了减小热量散发，集热管外层装有玻璃套管，在玻璃套管与吸热管间有空隙并抽真空。集热管通过接收器支架与反射镜固定在一起构成槽式集热器，反光镜托架上有与

集热管平行的轴，集热器通该轴安装在集热器支架上，可绕轴旋转。

槽式集热器的跟踪方式一般采用东西轴向布置，只需定期调整仰角，机构简单方便但效率较低；也可南北轴向布置，单轴跟踪阳光，需自动跟踪控制系统，效率较高；如果集热器转轴与地球转轴平行效率更高，如果同时保证集热管与阳光垂直则效率最高，但结构复杂，集热管的管间连接也复杂。有关槽式太阳能集热器的布置与跟踪可参考“鹏芃科艺”网站聚光太阳能热利用栏目太阳的视运动与跟踪课件页面。

太阳能热发电需配一套蒸汽发电设备，适合较大的发电场，功率一般都在MW级以上，接受阳光的面积也很大，多达数万平米，于是槽式太阳能热发电场由许多槽式集热器串并组成。图2是网上的一张槽式太阳能热发电场照片。

（1）聚光技术

聚光设计目的是使聚光器具有最好的光学分布，最小的光学损失，最理想的成像和最简单的加工工艺。如何达到最好的光学设计效果是工程光学设计中的一个重要课题。通常用聚光比C来描述聚光效果，即聚光光孔面积与接收器面积之比，聚光比越大，则聚焦中心可达到的最高温度就越高。线聚焦槽形抛物面聚光器光路设计如下图1，其中，b为槽形抛物面开口宽度，d为集热管管径，f为聚焦焦距，在理论计算下，最大几何聚光比C为107.3。

图1槽型抛物面聚光器光路分析

槽式聚光支架与反光板组合成槽式聚光器，要保证聚光器同步对日跟踪，聚光效果良好，要求反光玻璃板能够高反射、高强度、轻薄。通常的反光玻璃板结构是玻璃-反光材料-保护。

槽式跟踪形式：有液压结构驱动；机械结构驱动。

1、液压结构

1.采用智能闭环控制方式。

2.泵站及油缸采用特殊表面涂层，适合室外长寿命要求。整套系统密封性好，能够有效防水、气和灰尘等杂物。

3.液压泵站均采用长寿命、高可靠性元器件，高空气过滤性能，适合在沙漠地区使用。

4.油缸采用可靠密封结构，活塞杆采用高耐磨涂层，低速运行良好。

5.高压油管总成采用聚胺脂材料制造，抗老化性高、寿命长。

6.整套系统具有大风、冰雹、沙尘暴等恶劣天气避险功能。

2、机械结构：

1.结构简单、性能可靠、长寿命设计。特殊的结构原理，使各运动部件无滑动摩擦，为纯滚动。效率高，自耗功率极低。功率密度大。比相同扭矩的普通结构减重70%.

2.极少的维护工作，运行成本低。

3.安装调试快捷、方便。

4.运行平稳，无冲击。

5.电气控制简单、方便，IP级电气保护。

6.整套系统具有大风、冰雹、沙尘暴等恶劣天气避险功能。

三、槽式太阳能热发电系统

槽式太阳能热发电系统全称为槽式抛物面反射镜太阳能热发电系统，是将多个槽型抛物面聚光集热器经过串并联的排列，加热工质，产生高温蒸汽，驱动汽轮机发电机组发电。

槽式太阳能热发电系统包括以下五个子系统：

1.聚光集热子系统。是系统的核心，由聚光镜、接收器和跟踪装置构成。接受器主要有两种：真空管式和腔式；跟踪方式采用一维跟踪，有南北、东西和极轴三种方式。

2.换热子系统。由预热器、蒸汽发生器、过热器和再热器组成。当系统工质为油时，采用双回路，即接收器中工质油被热后，进入换热子系统中产生蒸汽，蒸汽进入发电子系统发电。直接采用水为工质时，可简化此子系统。

3.发电子系统。基本组成与常规发电设备类似，但需要配备一种专用装置，用于工作流体在接收器与辅助能源系统之间的切换。

4.蓄热子系统。太阳能热发电系统在早晚或云遮间隙必须依靠储存的能量维持系统正常运行。蓄热的方法主要有显式、潜式和化学蓄热三种方式。

5.辅助能源子系统。在夜间或阴雨天，一般采用辅助能源系统供热，否则蓄热系统过大会引起初始投资的增加。

热传输与交换系统

根据不同的导热液，槽式集热器把导热液加热到至400度左右，由于槽式太阳能热发电系统的热传输管道特别长，为减小热量损失，管道外要有保温材料、管道要尽量短；长长的管路需液传输来推动导热液的循环，要设法减小导热液泵功率，这些都是重要的技术。导热液可用苯醚混合液、加压水混合液、导热油等液体，传热方式可直接传热也可采用相变传热。

传热液通过热交换器把水加热成300度左右的蒸汽，水蒸气去推动蒸汽轮机旋转带动发电机发出电来，热交换器有板式、管式等多种结构，这里就不介绍了。可能云彩会挡住阳光，为保证系统稳定运行，在系统中要有储热装置，一般有高温储热罐与低温储热罐等。对于低温会冻结的导热液，必须有辅助加热器维持导热液温度避免冻结。若需要在太阳能不足

时也能供电，就要在系统上并联天然气锅炉，保证汽轮机正常运行。图3是槽式太阳能热发电系统框图。

发电系统

从热交换器输出的过热蒸汽送往蒸汽轮机发电，从蒸汽轮机排出的水经冷凝器转为水，再由给水泵送往热交换器，再次产生蒸汽推动蒸汽轮机。发电机发出的电经变压器转换成高压电输送到电网。

四、发展情况

（1）国内槽式太阳能热发电技术现状

20世纪70年代，在槽式太阳能热发电技术方面，中科院和中国科技大学曾做过单元性试验研究。

进入21世纪，联合攻关队伍，在太阳能热发电领域的太阳光方位传感器、自动跟踪系统、槽式抛物面反射镜、槽式太阳能接收器方面取得了突破性进展。目前正着手开展完全拥有自主知识产权的100kW槽式太阳能热发电试验装置。

2009年华园新能源工程公司与中科院电工所、清华大学等科研单位联手研制开发的太阳能中高温热利用系统，设备结构简单、而且安装方便，整体使用寿命可达20年。由于反射镜是固定在地上的，所以不仅能更有效地抵御风雨的侵蚀破坏，而且还大大降低了反射镜支架的造价。更为重要的是，该设备技术突破了以往一套控制装置只能控制一面反射镜的限制。我们采用菲涅尔凸透镜技术可以对数百面反射镜进行同时跟踪，将数百或数千平方米的阳光聚焦到光能转换部件上（聚光度约50倍，可以产生三、四百度的高温），采用菲涅尔线焦透镜系统，改变了以往整个工程造价大部分为跟踪控制系统成本的局面，使其在整个工程造价中只占很小的一部分。同时对集热核心部件镜面反射材料，以及太阳能中高温直通管采取国产化市场化生产，降低了成本，并且在运输安装费用上降低大量费用。

这两项突破彻底克服了长期制约太阳能在中高温领域内大规模应用的技术障碍，为实现太阳能中高温设备制造标准化和产业化规模化运作开辟了广阔的道路。华园新能源工程公司生产的太阳能高温发电管，还可以产生550度以上的高温蒸汽，可以应用于太阳能槽式热发电工程。该公司有国内最具规模的直通管和反射槽生产厂,并主持和参与了包括目前亚洲最大的我国首座太阳能槽式热发电项目等多项工程的前期论证、设计。

2009年底总投资176亿元建设的“太阳能热发电研究及产业基地”日前在山东省潍坊市峡山区奠基。据悉，这一基地建成后将成为全球规模最大、范围最广的太阳能热发电研究及产业基地、太阳能热发电国际技术推广和产业化基地、太阳能热发电国际技术教育培训

基地。

8月10日，2010年中国太阳能热发电产业发展高峰论坛暨北京中航空港通用设备有限公司槽式太阳能热发电项目奠基仪式在湖南省怀化市沅陵县隆重举行。这是我国第一个槽式太阳能热发电产业项目。

据悉，太阳能热发电属于国家提倡的低能耗、低排放、清洁、无污染、廉价的新兴能源，开发前景十分广阔。今年初，槽式太阳能热发电系统成套设备核心技术，由北京中航通用公司与中科院工程热物理研究所、华北电力大学合作研发成功，实现了曲面聚光镜从技术到生产的完全国产化。此次落户沅陵的槽式太阳能热发电设备制造项目，主要是制造生产采集器支架、集热管、反射玻璃镜、驱动跟踪装置、控制系统、热交换蒸汽发生装置、蒸汽能发电机组、太阳能蓄能装置等8大设备。项目总投资8.78亿元，共分3期工程，其中第一期投资3.5亿元，可实现年产值20亿元。3期工程建成后，年内销售收入可达100亿元以上。同时，可拉动相关产业年销售收入20亿元以上。

中国槽式太阳能热发电项目突破了聚光镜片、跟踪驱动装置、线聚焦集热管3项核心技术，我国是继美国、德国、以色列之后的全部技术国产化的国家。