槽式抛物面太阳能热发电系统发展现状与探讨

徐 伟，杨 帆，刘静静，缪晨阳

（东南大学 能源与环境学院太阳能研究中心，南京 210096）

新能源技术

槽式抛物面太阳能热发电系统发展现状与探讨

徐 伟，杨 帆，刘静静，缪晨阳

（东南大学 能源与环境学院太阳能研究中心，南京 210096）

介绍了太阳能聚光热发电技术的基础，阐述了槽式抛物面太阳能热发电的基本原理及系统结构，并介绍了槽式太阳能热发电技术的发展历程及研究现状。结合我国的国情，探讨了槽式抛物面太阳能热发电技术未来发展的主要问题，并尝试给出了相应的解决对策。

太阳能热发电；槽式抛物面；聚光

可再生能源系统是基于有效利用当地资源和网络，可以看作是一个有效的、可靠的、环保的能源系统。根据《BP世界能源统计年鉴2013》可知：全球对于一次能源需求在总体上来说都是呈上升趋势。

虽然传统燃煤发电是目前解决电力供需问题最主要且最重要的对策；但是伴随着全球人口快速增长，电力需求亦不断增长，而煤炭储存量却逐年减少。地球上的沙漠在6h内接收到的太阳辐射能远远超过整个地球上的人口在一年内所消耗的能量，只需利用接收到的这一部分太阳能就能满足全世界的电力需求。

1 太阳能的利用

表1为太阳能热发电未来的情况预测。

表1 太阳能聚光热发电的情况预测

聚集太阳光并将其转化为工作流体的高温热能，通过常规的热机或其他发电技术将其转换成电能的技术称之为太阳能热发电技术［1］。根据工作原理的不同，太阳能热发电机一般主要分为塔式、碟式以及槽式太阳能热发电。表2给出了三种太阳能热发电的基本参数。

表2 三种太阳能热发电方式的比较

2 槽式太阳能热发电

2．1 系统概述

槽式抛物面太阳能热发电系统具有紧凑的结构，且制造集热装置所需构件形式不多，因而容易实现标准化。槽式抛物面太阳能热发电技术已经被证明是最成熟和最低成本的太阳能热发电技术，其发电站也是目前所有太阳能热发电试验电站中功率及年效率最高的。美国和欧洲已经投入的商业项目每年为其国内电网提供可观的电力。

槽式太阳能热发电系统总共有两种形式［2］：双回路系统和单回路系统。槽式抛物面太阳能热发电系统的工作原理见图1。太阳能集热场采用单轴对日跟踪系统的集热器阵列，每一个集热器组装有抛物面型反射镜。首先太阳光被反射镜汇聚在焦线上，然后安装在焦线上的吸热管吸收聚焦后的太阳辐射能，并通过换热介质将热量输送到过热蒸汽发生器中，从而推动汽轮机发电［3］。

图1 槽式抛物面太阳能热发电系统示意图

槽式抛物面太阳能热发电技术的关键部分由三部分构成：蓄热系统、蒸汽产生系统、高温真空管集热器。典型蓄热系统有两种形式：一是传热介质和储热材料均为熔融盐，没有中间换热；另一种是采用熔融盐液作为显热储存材料，合成油作为传热介质，它们之间有换热器。整个热发电系统的核心部件是高温真空管集热器。槽式抛物面太阳能热发电系统的集热器主要是由真空集热管和抛物面反射板组成。槽式聚光集热器具有整体投资较少、经济效益好、聚光比小、集热温度较高等优点，因而容易实现商业化。槽式抛物面太阳能热发电技术采用的聚光器是抛物面反射镜。聚光器的好坏不仅与自身制造精度有关，还与跟踪装置有关。当太阳在空中不断移动的时候，地面上的槽式太阳能集热器就围绕着固定方向的水平轴进行旋转跟踪。为了尽可能降低整个发电系统的能耗，从而减少能源消耗，整个跟踪系统采用闭环控制；同时旋转轴必须位于集热器重心位置，从而使对日跟踪精度达到±0．1°。

2．2 DSG技术原理

Cohen和Kearney于1994年提出直接蒸汽产生（Direct Steam Generation，DSG）技术，认为是提高槽式太阳能热发电系统效率的最佳选择。不仅是因为动力模块和集热场之间不需要换热而减少了换热损失，而且采用了DSG技术可以使得集热工质达到更高温度，使得净效率被显著提高到13%［4］。

DSG集热系统通常分成三种类型：一次通过类型、再循环类型、注入给水类型。图2分别是这三种类型的示意图。一次通过类型主要是在一个通道中产生过热蒸汽，原理简单但是对流动的蒸汽状态控制难度较大；再循环类型是产生湿蒸汽，相对于一次通过类型系统也会变得复杂；而注入给水类型是为了控制吸收管上蒸汽质量和流动稳定性，系统复杂性提高的同时也增加了成本。

图2 DSG三种类型示意图

2．3 国内外发展现状

2．3．1 国外

目前，槽式抛物面太阳能热发电电站几乎占据了太阳能热发电电站装机容量的90%，也是目前所有太阳能热发电试验电站中功率及年效率最高的电站。截止2011年初，全世界一共有29座槽式太阳能热发电电站在运行，总装机容量为1 220MW，大约占到了聚光太阳能发电（Concentrating Solar Power，CSP）电站的96．3%。

2009年，装机容量为50MW的Andasol 1在西班牙Andalucia正式竣工，是欧洲第一个运行的槽式太阳能电站，预计年发电量179GW·h。太阳能集热场年平均效率估计约43%，整个电站效率约16%。2010年，一座5MW Archimede ENEA槽式电站在意大利西西里岛建成，熔融盐作为循环工质和储热介质，而且使用的是世界上较为先进的ENEA太阳能聚光器［5］。2011年11月，一座1 000MW的热发电系统正式建成［4］。2012年11月7日，西班牙Abengoa集团宣布开始在南非建设100MW的KaXu Solar One槽式光热发电项目。表3是近年来部分国外槽式太阳能热发电项目的一些基本信息。

表3 国外部分槽式太阳能热发电项目

Laing［6］通过实验分析了一座位于西班牙带有蓄热系统的DSG槽式热发电系统，结果表明：混凝土存储单元放电容量约为250kW·h，而相变材料（Phase Change Material，PCM）存储单元的放电容量约为720kW·h。在恒定压力模块中，放电率峰值超过700kW；而在滑压模块中，几乎整个充电和放电周期的热流率都为定值。Jones S A等［7］利用TRNSYS搭建一个30MW的SEGSⅥ槽式抛物面热发电系统，然后对太阳能和动力模块性能进行模拟分析，结果发现：模型预测和实际运行结果有着很高的一致性，误差通常小于10%；同时也对瞬态行为比如启动、关闭和云响应进行了充分模拟。Pang H等通过自主开发的软件分析了PTC系统（混合太阳能抛物面槽式聚光器）在不同气候条件、不同系统配置和负载条件下能源输出、损失和系统各部分效率。Poullikkas A［8］对在Mediterranean地区建立抛物槽式太阳能热发电站进行了可行性分析，考虑了诸如电站容量、成本投资等参数，并采用了参数化的成本-效益分析，预测电站的容量因子为39%，年发电量为86．5GW·h。

Al－Nasser A M［9］采用Duffi和Beckman的方法对Jubail的一个装机容量为50MW的抛物槽式太阳能热发电站模型进行了性能分析，通过采用经济学方法得到电站的平准化电力成本（Levelized Cost of Electricity，LCOE）为0．107美元／（kW·h）。Montes M J等［10］分析了太阳能互补的联合循环（Integrated Solar Combined Cycle，ISCC）系统和传统的联合循环燃气发电（Combined Cycle Gas Turbine，CCGT）系统太阳能热发电技术对于工作在炎热和干燥环境条件下燃气联合循环系统性能的贡献，以评估这种技术发展的潜力。利用TRNSYS模拟两个系统全年运行情况之后发现，传统CCGT在Almería比Las Vegas年发电量更大，前者为1 857．43GW·h，后者为1 845．9GW·h。最后通过经济性分析发现，Las Vegas的ISCC系统的LCOE远远小于Almería。在Las Vegas，ISCC系统的LCOE小于CCGT，而在Almería，ISCC系统的LCOE却是较大值。

Abbas M等［11］利用SAM软件分别评估四个位于阿尔及利亚气候条件下的相同配置的100 MW槽式抛物面太阳能热发电系统。通过综合系统的性能、成本和财务模型计算出四个系统年能量输出分别是415GW·h、376．6GW·h、223GW·h和261．8GW·h。

2．3．2 国内

相对于国外槽式太阳能热发电技术的快速进步，我国在这方面的研发就显得非常落后。2011年5月，我国第一个太阳能热发电工程项目鄂尔多斯50MW槽式太阳能热发电电站，完成特许权示范招标。电站采用槽式太阳能热发电技术，年发电量1．2×108kW·h。2011年10月，亚洲首个槽式ISCC发电站在宁夏回族自治区开工建设，电站年发电量约3．04×108kW·h。

杨勇平等［12－13］在考虑太阳能热发电子系统本身特性和对燃煤机组整体特性影响前提下，建立了综合集成优化模型，并对其中发电系统进行了经济性分析，结果表明：考虑CO2减排带来的环境效益后，这种方案的最终LCOE为0．098美元／（kW·h），大约比单纯太阳能热发电方式低0．14美元／（kW·h）。曲航等［14］利用TRNSYS模拟了35MW槽式太阳能热发电系统在奈曼和拉萨两地全年运行情况，结果表明：两个系统年发电量相差78．5%，前者年发电量为37 271．10MW·h。赵坤［15］建立了槽式太阳能Kalina循环发电系统的数学模型，并且优化计算了主要参数，并在模拟分析了整个系统热经济性后发现：1MW Kalina循环系统热效率为25．6%，比Rankine循环高约8%。李献偶等［16］使用SAM对在浑善达克沙地建造50MW槽式热电站在不同条件下运行状况进行了模拟。通过采用规模经济比例方程、年发电能力系数CF1及月发电能力系数CF2对电站经济性进行了分析，结果表明：设计容量为50MW的电站上网电价可达到0．727元／（kW·h）。

陈志鹏等［17］采用数值计算的方法对一座无储热装置的5MW槽式太阳能DSG热发电系统进行了全年稳态运行模拟，结果表明：系统主汽温度在较低辐射强度下由于过热段总有效吸热量很少而较低；在较高辐射强度下，由于过热段有效能增加的幅度不及蒸发量增加的幅度使得主汽压力下降幅度较大。因此当太阳辐射强度较低时，可以采取前移汽水分离器位置的措施来保证发电量；当太阳辐射强度较高时，则可以降低给水流量从而稳定主汽压力。王贝［18］利用STAR－90仿真平台搭建了1MW槽式太阳能蒸汽发生器子系统模型并进行了仿真，结果表明：当系统在设计工况下稳定运行时，实际得到的工质参数和设计值吻合度较高，说明蒸汽发生器系统模型具有较高的准确性和稳定性。

3 槽式太阳能热发电技术未来发展的探讨

虽然槽式抛物面太阳能热发电技术是目前太阳能热发电技术中最为成熟的一部分，但是如果不能够降低单位面积成本从而使其得到全面推广，那么槽式抛物面太阳能热发电技术就不能够发挥其固有的作用。所以有必要对槽式抛物面太阳能热发电系统开展进一步的研究，找出其存在的制约：

（1）外部因素制约。由于太阳辐射能的强度难以准确控制且随机性较大，从而会导致槽式太阳能热发电的正常运行受到影响；太阳能集热场通常会占据很大的面积，而且这些土地通常不能够和其他工程一起同时使用，从资源利用角度来说这就是一种间接的浪费。

（2）自身因素制约。热发电系统需要大量管道，而当前的技术又难以简化管道系统，使得热损失一直较高，从而影响系统整体效率；系统部件绝热问题一直未能解决，导致热损失不能有效减少；反射镜结构笨重，使得风阻很大，降低了系统自身安全系数等；槽式太阳能热发电技术上网电价一直在1元／（kW·h）以上，远远高于其他能源发电上网电价，因而阻止了其进一步的发展；同时如果把槽式太阳能热发电系统的发出的电力送上电网，就会对电网产生冲击，从而降低了电网的安全性。

相应的解决对策为以下几点：

（1）我国西北地区太阳能资源非常丰富，年平均日照时间达2 800～3 300h，这些地区是比较适合建设大型槽式太阳能热发电站。与此同时，不妨把槽式太阳能热发电系统联合海水淡化系统，使得资源利用效率实现最大化。如果热发电系统可以在西北地区得到推广和应用，那么可以直接解决区域能源资源短缺问题，将创造巨大的经济、社会和生态效益。

（2）在常规能源发电中，燃煤发电系统与槽式太阳能热发电系统存在着许多互补性，比如燃煤发电机组的调整范围比较大，从而间接降低了槽式太阳能发电的成本，也提高了热发电系统的稳定性；也可以尝试与生物质能组成复合系统发电，这种复合发电系统可以作为未来槽式太阳能热发电系统的一种选择。

（3）常规槽式太阳能热发电系统工质为最高温度可达400℃的导热油。对于将来的槽式太阳能热发电系统，可以采用DSG技术。采用DSG技术之后可以在减小环境压力的同时简化热发电系统的整体配置，同时提高蒸汽温度等。

（4）传统的跟踪机构提供的扭矩较小，且驱动旋转角度的范围受到限制，不适宜作为槽式太阳能热发电系统中聚光器的跟踪驱动。可以采用高压双液压缸推挽式驱动作为聚光器驱动的核心方法，不仅驱动扭矩大，而且驱动旋转角度范围广，配以伺服液压控制系统可以达到很高跟踪精度［19］。

4 结语

我国地域广大，有着非常丰富的太阳能资源。槽式太阳能热发电技术是科学利用这些资源的最佳途径之一。槽式太阳能热发电项目如果能够得到大规模的应用，拉动相关产业快速发展的同时可以拉动相关地区经济增长、增加当地劳动人口的就业率。发展槽式太阳能热发电技术，既是实现电力供应、环境保护的可持续发展，又是适应当今世界经济全球化的趋势。

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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 伟（1989—），男，在读硕士研究生，研究方向为太阳能热利用。E－mail：xw201324@163．com