绿色新能源——太阳能热发电技术

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绿色新能源——太阳能热发电技术

2012-12-05 15:03:29 来源：电源工业点击：1583

摘要：太阳能热发电技术是利用自身的太阳能资源进行发电的技术，其中一种技术是使用曲面反射镜聚焦太阳射线驱动一个斯特林发动机或者进行蒸发依次驱动一个传统蒸汽涡轮发生装置。现今，在多兆瓦特的设备里太阳能聚集(CSP)有利于提供低成本太阳能发电。太阳能发电成本依靠许多因素，包括了垂直照射(DNI)的标准，设备的容量，方案的所有权，方案的有效性和构造等等。成本可以接近于10cents/kWh。近年来，更多的太阳能聚集(CSP)的设备被安装，因此，太阳能发电成本不断地减少。成本的减少主要来自于设备的增加与技术的发展提高了发电的效力。

关键字： 太阳能热发电技术， 太阳能发电系统

太阳能热发电技术是利用自身的太阳能资源进行发电的技术，其中一种技术是使用曲面反射镜聚焦太阳射线驱动一个斯特林发动机或者进行蒸发依次驱动一个传统蒸汽涡轮发生装置。现今，在多兆瓦特的设备里太阳能聚集(CSP)有利于提供低成本太阳能发电。太阳能发电成本依靠许多因素，包括了垂直照射(DNI)的标准，设备的容量，方案的所有权，方案的有效性和构造等等。成本可以接近于10cents/kWh。近年来，更多的太阳能聚集(CSP)的设备被安装，因此，太阳能发电成本不断地减少。成本的减少主要来自于设备的增加与技术的发展提高了发电的效力。

现今太阳能发电技术的发展

现今，可再生能源配额制(RPS)不断激增以及全球气温变化受到普遍关注。太阳能热发电(STE)作为一种清洁，可再用，兆瓦特等级中心发电站的最佳选择。在沉寂了几年之后，新型能源工业再一次出现旺盛的增长。在美国、西班牙、澳大利亚和其他阳光普照的国家，数十个将STE容量提升到上千兆瓦的发电站正被授权兴建或者正在筹备计划中。

期间，太阳发电站组成的进展仍然局限于几个实验室和全世界的工业规划之中。在工程学、材料学、电脑控制及建模和Q&M方面，国际性的研究和开发正在帮忙提高STE技术的性能和低成本。太阳能技术的发展通过革命突破不断提高。政府，大学和私人的研究人员从不同的方向进行研究，以达到工业需要的目的。能源的安全性和全球变暖促使了STE的发展，而STE的真正关键点在于它的商业展开方面。

图1 在1980年到1990年之间的STE技术，从左到右分别为：中央接收器的太阳能发电系统;抛物面槽式太阳能发电系统和McDonnell Douglass碟式太阳能发电系统

技术概论

通常有三种太阳能热发电(STE)系统：抛物面槽式太阳能发电系统(parabolic trough)、碟式太阳能发电系统(dish-engine)和中央接收器太阳能发电系统(central receiver/power tower)。至于其他的STE技术，比如紧凑型线性菲涅耳反射器(CLFR)和太阳能烟囱(solar chimney)也在本文进行讨论。由于抛物面槽式太阳发电系统(parabolictrough)、碟式太阳能发电系统(dish-engine)和中央接收器太阳能发电系统(central receiver/power tower)都包含产生热量的结构，它们可以很容易与石化燃料混合使用，并且在某些情况下被用于热量存储。混合使用和热量存储的好处是在没有光照的情况下进行能量的调配。因此，混合使用和热量存储能提升电力的经济价值。

图2 美国加州的槽式太阳采集区。图中处于反射器焦点的接收管道用于传递热量。

抛物面技术的成本比塔式和盘式统低，这是由于塔式系统在聚光的时候需要较大的部件而使得较低的温度和效率。然而，经过20年的技术发展以及O&M成本的降低，槽式系统已经成为目前最为低廉、可靠的太阳能系统，同时它适宜于短期部署。

抛物面槽式太阳能发电系统

抛物面槽式太阳能发电系统使用一排横截面为抛物线的槽型镜子组成，它们将阳光聚集在高级吸收能力的管道上，在这些管理内包含了热交换液体，见图2。这种液体通常为人工合成液体，它们被加热并且在一系列热交换器中传输以产生过热蒸汽，然后使用这些热蒸汽给涡轮发电机提供能量产生电力。在20世纪80年代末就已经能构造出九个槽式太阳能系统，它在加利福尼亚南部产生354MW的电力。槽式发电是最早实现商业化的太阳能热发电系统。它采用大面积的单轴槽式太阳能追踪采光板，通过对太阳光的聚焦，把太阳光聚集到安装在抛物线形反光镜焦点上的线形接收器上，并加热流过接收器的热传导液，使热传导液汽化，同时在能量区的热转换设备中产生高压、过热的蒸汽，然后送入常规的蒸汽涡轮发电机内进行发电。通常接收太阳光的采光板采用模组化布局，许多采光板通过串并联的放置，均匀的分布在南北轴线方向。为了保证发电的稳定性，通常在发电系统中加入化石燃料发电机。当太阳光不稳定的时候，化石燃料发电机补充发电，来保证发电的稳定性和实用性。

在几年的低迷发展之后，人们又重新燃起对抛物面槽式系统的兴趣。在美国和其他国家都有新型的专案在进行当中，包括64MW的Nevada solar1发电站在2007年授权使用，并且在Spain西班牙建立两个50-MW的AndaSol抛物面槽式设备。

图3 两个中央接收器同时操作的太阳能发电站，塔底左边两个油箱是用于贮藏热量和进行冷却

美国LUZ公司采用大量抛物面槽式聚光器收集太阳直射光并将其转换成热能。每个集热器由槽式抛物面聚光镜及位于其焦线的集热元件组成，每只集热元件是一支真空集热管，长4m，每24个集热器串联成一条长99m的集热组合体，80MW系统需要850条集热组合体。每条组合体都是南北水平向放置，有专门的感测器以及电脑控制跟踪系统，传热介质为导热油，它在真空集热管中受热后，通过一组换热器使水变成高温高压蒸汽，去驱动蒸汽轮机发电。该系统需要抛物面接收器的面积为470265m2(680m×680m)，导热油在集热器受热后的出口温度为391℃，进入汽轮机的蒸汽压力为100个大气压，Rankine再热回圈的热效率为38.4%，由太阳辐射能至电能的最高暂态效率为24%，由太阳辐射能至电能的年平均效率为14%，由于太阳能是随机的，在工质的回路中增设一个使用常规燃料(通常为天然气)的辅助锅炉，以备急需。LUZ发电系统的核心部件是高精度槽式抛物型聚光镜和真空管集热器件。由于金属管壁的温度在400℃以上，故选择涂层的性能稳定性、真空度的保持及玻璃与金属管的封接等都是工艺上较难的问题。集热元件的吸热管表面采用了耐高温的溅射选择性涂层，具有良好的稳定性。

塔式太阳能发电系统

太阳能塔式发电又叫做高温太阳能热发电，它利用独立跟踪太阳光的定日镜群把太阳光聚集到塔顶的能量转换器(接收器)上，通过能量的转换把热量传递给热传导液，再由蒸汽发生器产生蒸汽带动蒸汽涡轮发电机产生电能，同时利用冷却塔进行冷却再进入接收器进行回圈发电。塔式太阳能发电系统是利用定日镜来实现对太阳光的反射和聚集，由于塔式发电系统中定日镜的数量众多，因此可实现大功率的发电，实际应用上可达到30~400MW之间。而且接收器的散热面积相对较小，因而可以得到较高的光电转换效率。同时由于储能槽的加入，使系统可以一天内连续发电13小时。

在美国的首座日光中心接收器是在1980年建立于加州的南部southern California，在美国的西南部，由于充足的日照强度和相对便宜的土地价格，使这里成为了建设塔式发电站的理想区域，同样北非、墨西哥、南美、中东和印度等地，也都是理想的塔式发电站建设地。

图4 在DOE热测试设备上的25-kW SAIC碟式系统

当前的中心处理接收器设计可以允许超过18小时的存储时间。这样的热存储性能可以使中心接收器具有更多太阳能技术的灵活性，它能够提供负载系数达到65%的可分配电力，理论上，甚至可以达到100%。

西班牙Spain所使用的PS10架构在太阳能塔式技术中处于领导地位，靠近塞维利亚Seville的一座11-MW的发电站已经建成，而且正在筹划建造20-MW PS20和15-MW太阳能中心接收器的重大专案。

据美国生活科学网报道，在美国西南部未来有可能出现一座“太阳能塔”，这是一种最新的能源生产概念，但并不释放有害浓烟气体，而是通过太阳能加热空气，并转换成为电能，可以供20万户居民使用。

碟式太阳能发电系统

碟式发电是目前利用太阳能发电效率最高的太阳能发电系统，最高可达到29.4%[1]。因此它有潜力成为最廉价的利用太阳能发电的系统。它利用双轴跟踪技术，采用一组反光镜聚集太阳光，同时利用接收器进行有效热转变工作，之后利用常规发电机进行发电。通常接收器的接收面被放置于聚光焦点的后面以减小激烈的高温熔化。

图5 大型碟式太阳能设备(来源：Sandia National Laboratories)

碟式太阳能发电系统具有高效率、多功能、可和化石燃料混合发电等特点。高效率来自于它的低成本和高能量密度。和其他太阳能技术比较依赖场地和高费用来说，碟式发电每MW大约需要1.2到1.6公顷的占地。对于系统的安装成本，尽管当前为$12000/kW，但是由于它具有的高效率，因此潜力巨大。同时碟式发电系统功率较小，一般为5~50kW，因此它即可以单独分散发电，也可以组成较大的发电系统。研究表明，碟式太阳能热发电系统在空间上的应用，与光伏发电系统相比，具有气动阻力低、发射质量小和运行费用便宜等优点，因此目前世界各国也都在对碟式发电进行积极的研究和利用。

图6 在澳大利亚Australia 的Liddell发电站的CLFR的镜子阵列

碟式太阳能发电系统传统上被视为小型的分布发电方法，这种方法在远距离安装一个或者数个碟形装置。然而最近几年，SES提出一种新的设想，在同一个地方使用上百个或者上千个碟形装置提供上MW的中心发电站，见图5。

碟式太阳能发电系统在国外市场前景广阔，北非、北美州西南部及印度阳光资源特别丰富;我国的西藏和新疆阳光资源也特别丰富，且地广人稀，大部分农牧民没有用上电，适宜发展碟式太阳热发电技术。碟式太阳热发电未来形成产业化大规模应用，电站投资可降到20000元/kW，电价0.3元/kwhr，不但可与光伏发电竞争，而且可以与常规大电厂竞争。利用我国西部地区丰富的阳光资源，在西藏和新疆等地发展洁净的太阳能技术对提高边远地区居民的生活水平具有重大意义，同时也顺应了国家西部大开发计划的战略需求。

紧凑型线性菲涅尔反射镜

紧凑型线性菲涅尔反射镜(GLFR)技术是在1993年悉尼大学发明。它与槽式太阳能系统有相类似，典型的线性Fresnel系统使用镜面阵列将阳光引到固定的直线接收器上。

CLFR是下一代线性Fresnel系统，它克服了传统方案由于镜子阴影造成的系统性能下降。假设在几个接收器的范围内，每个独立的镜面反射器都具有将反射的阳光引导到至少两个其他接收器上的能力。那么，这样就允许阵列密集的排列而不会产生阴影和阻碍阳光，见图7，它同时也允许接收器的管道更低。

降低反射空间的大小和塔高将不仅会影响蒸汽管道的热损耗，而且还会影响地基、塔和蒸汽管道的构造成本。CLFR还包括其他的优点：

1、热交换回圈装置与反射区域隔离并且悬空固定，这样就省去了槽式和碟式系统中价格相对昂贵的可弯曲高压管道和高压旋转链结部件。

2、热交换过程流动的是水，这里采用被动式直接气化以避免出现泵气损失(pumping losse)，并避免使用昂贵的流量控制器。蒸汽可以直接输送到蒸汽锅炉或者经过热交换器。

3、采用全玻璃真空管道可以获得非常低的热辐射，并且成本相对低廉。

4、它的故障率比其他类型太阳能聚集方式要低，这是因为它所使用的接近平坦的反射器、容易清洁，而且单端真空管道可以在不破坏热交换过程的前提下进行。

图8 太阳能烟囱的横截面结构。在围绕太阳能烟囱底部的温室里，阳光给气体加热并形成气流从烟囱流出。温室内的水管用于保持热量，EnviroMission的设计还主张在塔内安装水平和垂直方向的旋转涡轮装置。(来源：C.Pietschiny)

Ausra公司将依赖一种与以往不同的聚集太阳能技术来实现这个目标，该技术就是利用菲涅尔透镜发明的紧凑型线性菲涅尔反射镜，该设备重量较轻，能覆盖更大面积，而且比形状精确的抛物面镜更持久耐用。据Ausra公司有关负责人说：“即使往透镜表面扔块石头，石头也会反弹起来，因而可以在弗罗里达的飓风区建造这样的太阳能发电设备。”这种菲涅尔太阳能热发电技术的另一特点是完全不需要石油，它在50个大气压的高压下将水加热到约280℃左右，然后利用产生的水蒸气去带动涡轮，发电量完全取决于太阳的光照强度和反射镜的数量。

太阳能烟囱

太阳能烟囱也被称为太阳能对流塔，它进行发电的过程是在非常高的封流塔(convection tower)利用阳光对气体进行加热进而驱动风力涡轮机。空气在烟囱底部的类似于温室的环境中被加热。涡轮可以安装在底部的四周。太阳能烟囱的电力容量取决于阳光采集区的面积和烟囱的高度。采集区的面积越大，烟囱内流通的气体就越多。烟囱越高，烟囱顶部与底部的气压差、烟囱内部与外部的气压差就越大。当采集区直径为7km，烟囱高位1000m时理论上可以产生200MW的电力。目前没有太阳能烟囱在运作。德国政府1982年在西班牙建立的原型高为195m，直径为10m(见图9)，它能得到50kW的最大电力输出。这个发电站直到1989年才退役。另一个由Enviro Mission公司与建的太阳能烟囱高位400m，输出电力50MW。

建筑师Christian Pietschiny提出奇异的构想以获得广泛的支持，并且在太阳能烟囱上获得更好的经济效益，这有可能使它成为世界上最大的艺术品。Pietschiny的太阳能烟囱代表了美学、生态学和经济学的公众表达方式，它有可能吸引人们的注意，包括投资方以及并不关注电力产生的旅行者的兴趣，图10绘画出这种构想。

其他STE系统和实现方案

下面将概括的叙述相关的问题和要点，并且列举新颖的技术，它们可能实现更低成本、更优异性能，并且让SET技术得到更加广泛的采纳。

(1)对冷却水的要求：湿度与干冷却

太阳热电系统的设计对冷却水的要求不高。采用槽式或者塔式的蒸汽发电站利用干冷却技术从一定程度上增加了电力成本。在Rankinc蒸汽发电站，原水(primary water)主要是在蒸汽回圈的冷凝物补给过程中使用，它对冷凝物和洗涤镜(washing mirror)进行冷却。在过去，抛物面发电站就已经使用湿冷却塔来进行冷却处理的步骤。使用这种湿冷却的方法，冷却塔要消耗大约90%的未净化水。而蒸汽回圈补给的方法消耗8%的为净化水;洗涤镜的方法消耗2%。防预玻璃的开发用于进一步降低洗涤镜的要求。相对之下，干冷却省去了90%的水消耗，这种方法从两方面影响电力基准成本(LCOE);由于使用更高的蒸汽冷凝压力，从而降低了性能;与湿冷却塔相比，干冷却塔的构造成本更高。对传统的化石燃料(fossil fuel)与太阳加热发电模组的研究已经表明，它们在使用了干冷却之后成本增加了10%左右。

图9 在西班牙原型太阳能烟囱

太阳能燃气涡轮系统比其他太阳能混合发电站具备几点优势。太阳能燃气涡轮系统使用中心接收器太阳塔产生的热量对燃气涡轮里的压缩空气进行加热到1000℃。以再生或者组合回圈(combined-cycle)的模式使用燃气涡轮系统可以获得超过50%的转换效率。在2004的SolarPACES研讨会上，P.Schwarzbozl的研究报告指出他们能使用软体工具仿真出1MW、5MW和15MW的太阳能涡轮混合系统的原型。这个研究小组还在研究通过自动化和远端控制来降低O&M成本的可能性，并且描绘出市场导入的蓝图：前期先以小型的组合产生电力的形式进入市场，然后使用MW级的组合周期发电站进行大规模发电。

图10 太阳能烟囱构想图 (来源：C.Pietschiny)

(3)大型太阳塔发电站的低温方案

紧凑型菲涅尔反射器(CLFR)能在270℃时生成饱和蒸气给热交换器的水(feed water)进行加热。在对采用这种技术的阵列进行改造以后，它可以被视为一个带有高温涡轮锅炉来使用;然而，低温工作虽然效率低，但是可以避免高温工作带来的问题，比如热量损耗、需要耐高温的材料和元器件。此外，低温设计适合于所有目前有抛物面技术占领的市场。来自于悉尼大学、新南威尔士大学和Solar Heat and Power有限公司的研究人员证实了使用核工业的低温涡轮机与地下热能存储组成的系统具有良好的成本效益以及更多的优势。这个系统理论上可以达到240MWe，热能储存系统为12小时。热能储存系统的原理大致是在地下深处用高压储存热水。尽管这项研究并没有进行严格的财务分析，但他们早期的研究结果表明这种能产生太阳热电的发电站的成本为$1，784/kWe，这低于基于抛物面和中心接收器的发电站成本，而且与现存的使用煤炭进行发电的电力成本相比，它也具有可比性。

(4)双接收器概念的太阳塔

德国航太中心(DLR)热力技术研究所的技术人员已经建立了双接收器概念的模型，这种模型有助于提升中心接收器的性能。双接收器设计将开放的可以测定面积的空气加热器与管状的蒸发器进行合并以得到更高的热量效率、更低的接收器温度、以及更低的寄生功耗，见图11。实际上，通过聚焦阳光将空气和水同时进行加热，以此产生用于发电的热气和水蒸气。研究人员声称，与其他空气加热系统相比，他们的方案能将发电站的全年发电量提高27%。另外，双接收器的设计能以更少的阳光反射器尺寸和更低的接收器温度来提供成本效益。这种方案最为突出的问题是它增加了系统的复杂程度，因为它需要两个独立的接收子系统，而且它们都具有不同的工作过程，这样就需要熟的启动和控制程式。目前的工作是详细的评估这种概念的效益，并且将它的尺寸发展为100兆瓦电力的发电站。而在未来，研究的重心将会放在能量的储存和控制特性上。

世界各地太阳能发展状况

下面将概括叙述世界各地的太阳能热电专案以及发展动向。

1、西班牙

(1)Abengoa公司的PS10和PS20太阳能塔

由Abengoa和Solucar Energia公司开发的PS10是一个在西班牙Seville附近的太阳能热电中心接收发电站。它提供11MW的发电量，采用其自行开发的玻璃金属日光反射装置和饱和蒸汽接收器，后者能产生40bar、250℃(480°F)的蒸汽。发电站使用624个日光反射装置将阳光聚焦在100m的塔上，由于其带有15MWh的饱和蒸汽热能存储系统，支援在50%负载下运作50分钟。年发电量估计为23GWh，总投资成本约为三千三百万美元。

Solucar公司还在开发更多面积与PS10相同的发电站PS20、AZ20、AZ50。其中，PS20和AZ20预计为一个20MWe的饱和蒸汽发电站，包括7MWe的抛物面装置和13MWe的能量塔发电站。AZ50则为50MWe直接产生包含蒸汽发电站。

PS10在06年秋天就已经试运行，并在07年上半年开始进入工作的阶段，启动过程有三分之一的日光反射装置投入使用。Abengoa公司表示发电站的各部分已经在07年三月进行了单独的测试，并且期望PS20在09年能付诸运行，AZ20和AZ50还没有详细的计划。

(2)SENER公司的专案

西班牙SENER公司领导的15MW太阳能三中心接收器(Solar Tres Central Receiver)项目获得了欧盟五千万的援助。该公司有意将其打造成商业发电站，它也将使用几个熔炉(molten salt)技术，此外还包括以下特点：比上述提到的Solar Two相比，日光反射装置占用面积大三倍，并提升6%的发电能效;2493个玻璃金属日光反射器(96cm2)，更高的反射率和更低的成本;简单的熔炉流动设计减少了50%的阀门，这种管道系统具备自平衡的能力可以减少构造和维护成本;大型的熔铸硝酸盐储存系统提供了16小时或者600MWh的储存能力。虽然它所使用的涡轮比Solar Two的大点，但是采用更多的日光反射装置和热能储存系统将是发电站能在夏天24小时运作，并达到全年65%发电容量提升。

2、南非

目前，南非所具备的巨大太阳资源已经逐步被勘探和开发。南非内阁于03年将国家可再生能源白皮书采纳为发展政策，其目标是到2013年从可再生资源获得10000GWh的能源，主要是生物、风力、太阳能和小规模的水资源。南非国家的可再生能源专案已经属于能源和破产部门的管辖范围。

(1)ESKOM公司的专案

南非ESKOM公司已经评估大规模使用几种STE技术在南非联网发电的可行性。在对14种CSP技术进行比较之后，太阳能槽式和中心接收器被短期可以实现的方案首选。ESKOM的评审报告包括对100MW太阳能发电站的商业分析和性能评估。

在可行性分析之后，该公司还将研究并确定地区制造所采用的关键技术，以及它们对投资资金的影响。研究表明，采用中心接收器的方案可以显著的降低成本，因为南非的制造工业并没有生产槽式太阳能装置用于一次性的发电站建设。可行性评估报告集中能否建成100MW熔盐中心接收器的发电站，报告还指出提议的100MW发电站可在南非Cap省兴建。

图11 双接收器设计方案的太阳能系统

3、澳大利亚

在赤道南10度的范围内，澳大利亚具有大面积尚未开发的沙漠和领域可用于太阳能发电。时至今日，这种潜力仍然没有被挖掘出来。如今在澳大利亚，可再生能源法令2000设定了MRET的框架，政府欲借此提升可再生能源的贡献，其目标是到2010年澳大利亚的混合发电量达到每年9500GWh。

图12 PS10设备(资料来源：Sanlucar Solar S.A)

在政府和研究方面，澳大利亚同样也有相应的举措。早在06年10月，澳大利亚时任总统霍华德就宣布投入390百万美元用于洁净能源的开发，其中就包括太阳能。个别州和地区还推出免税政策以鼓励可再生能源的开发利用。联邦科学和工业研究机构(CSIRO)监管国家太阳能中心(NSEC)进行太阳能热电技术的研究和论证，此外新南威尔士大学和悉尼大学是国际公认的太阳能电力研究和开发中心。