[科普中国]-槽式太阳能热发电技术

槽式太阳能热发电技术及我国发展现状

槽式太阳能热发电技术是通过槽式抛物面聚光镜面将太阳光汇聚在焦线上，在焦线上安装有管状集热器．以吸收聚焦后的太阳辐射能。管内的流体被加热后，流经换热器加热水产生蒸汽，借助于蒸汽动力循环来发电。槽式太阳能热发电系统主要包括集热系统、储热系统、换热系统及发电系统。其中，换热系统及发电系统技术较成熟。应用普遍，在我国槽式太阳能热发电系统技术的发展中不存在任何障碍，而影响我国槽式太阳能热发电技术发展的主要是集热系统及储热系统。集热系统主要由集热管、集热镜面、支撑结构及控制系统组成；储热系统主要由储热罐、储热介质组成。1

槽式太阳能热发电在中国发展潜力

(一)政策支持

世界范围来看，从美国到欧洲，都将太阳能热发电作为未来替代能源的关键候选之一。根据美国加州的计划，到2030年，新能源发电容量中太阳能热发电与光伏发电的比例将达到4：1，而在太阳能热发电中槽式技术又占相当高的份额。2011年中国国家发展和改革委发布的《产业结构调整指导目录(2011年本)》第五项新能源中，把太阳能热发电集热系统放在了突出的位置。 1

(二)优越的建设条件

槽式太阳能热发电推广应用需要良好的光照资源、开阔的土地资源、良好的交通与电网条件。在中国．几乎没有任何商业投资价值的内蒙古、甘肃等沙漠地带的土地．却为太阳能热发电的推行提供了很好的发展空间，这些地区具有良好的太阳能辐射资源以及土地、电网交通条件。所以，太阳能热发电在中国是较具有发展前景的一种有效利用太阳能方式。尽管太阳能热发电在中国刚刚起步。发展也落后国外十几年，但可以预见，太阳能热发电的发展指日可待。1

(三)成本降低空间巨大

一个产业的崛起，首先是成本的降低。适用于槽式太阳能热发电技术在中国设计、生产土地的廉价性将直接降低这个产业的生产成本。从理论上讲，采用槽式太阳能热发电技术，可以避免光伏发电中昂贵的硅晶光电转换工艺，大大降低太阳能发电的成本。太阳能热发电的原材料包括玻璃、钢铁、导热介质和储热材料。在中国都具备，所需工作是对这些材料进行改性，比如减少玻璃中的铁含量、增加玻璃的透光率、选择储热成本低于电价的储热材料等。 1

(四)产业链逐渐完善

槽式太阳能热发电系统中包括集热、换热、储热和发电子系统，涉及的专业较多，学科较广，而我国的发展起步较晚。但是，随着国际形势的发展及国内政策的支持。国内已经有诸多企业从事太阳能热发电的研发工作．如中海洋新能源电力股份有限公司、皇明太阳能集团、包头市液压机械有限公司、德州华同新能源应用技术研究所、大连星火新能源发展有限公司和北京中航空港通用设备有限公司等。中海洋新能源电力股份有限公司，在成都西南航港经济开发区投资5亿元建设太阳能热发电反射镜，已竣工投产，可以满足800MW太阳能光热电站对镜场的建设需求。并能带动其他关联产业的发展；皇明太阳能集团生产制造集热管，与中科院、华电集团的合作取得了较大成就；包头市液压机械有限公司为热发电电厂生产的钢结构在业内得到好评；德州华园新能源应用技术研究所与中科院电工研究所、清华大学等知名单位共同开发研制的槽式太阳能中高温热利用系统可使整体使用寿命长达20年，大连星火新能源发展有限公司积极把市场转向太阳能热发电方向，为热发电提供强有力的技术支持；北京中航空港通用设备有限公司于2010年8月在湖南沅陵建成我同首座槽式太阳能热发电示范单元。这些从事太阳能热发电行业的企事业单位从集热到换热、从储热到发电，涉及槽式太阳能热发电系统的所有环节，为我国槽式太阳能热发电的深入发展创造了条件。1

槽式太阳能热发电集热系统结构(一)集热管

集热管是槽式太阳能热发电集热系统的一个关键部件，能够将反射镜聚集的太阳直接辐射能转换成热能，温度可达400℃。目前使用的集热管内层为不锈钢管，外层为玻璃管加两端的金属波纹管。内管涂覆有选择性吸收涂层，以实现聚集太阳直接辐射的吸收率最大且红外波再辐射最小。两端的玻璃一金属封接与金属波纹管实现密封连接，提供高温保护，密封内部空间保持真空。减少气体的对流与传导热损，又加上应用选择性吸收涂层-使真空集热管的辐射热损降到最低。在另一侧，金属波纹管焊接在内部吸热管上。这些具有弹性连接功能的波纹管可以在吸热管升温和冷却过程中补偿内部金属管和外部玻璃管之间的热胀冷缩的差异。聚焦的太阳直接辐射能可以在集热管表面转化为热能，传送至导热介质，并将介质加热至最高温度400℃。外部玻璃管可以作为附加防护，防止红外波长能量向外再辐射，以降低热损玻璃管外部覆盖有减反射涂层，使得太阳辐射能量透过玻璃管。

我国自20世纪80年代中期开始研制真空集热管，已攻克许多技术难关，并建立真空集热管生产基地．诸如北京太阳能研究所、皇明太阳能集团等，生产的集热管经过实验室检验测试，能够达到相关技术要求，与国际同类产品相比，运行指标均能达到国际同行业的相关技术要求。个别技术指标还优于国外技术水平。但是国内研制生产的集热管大多只用于实验研究，缺少一定的工程实际运行经验。1

(二)集热镜面

槽式太阳能热发电所用集热镜面采用超白玻璃材质．在保证一定聚焦精度的同时，还具有良好的抗风、耐酸碱、耐紫外线等性能。镜面由低铁玻璃弯曲制成、刚性、硬度和强度能够经受住野外恶劣环境和极端气候条件的考验，玻璃背面镀镜后喷涂防护膜，防止老化。由于铁含量较低．该种玻璃具有很好的太阳光辐射透过性。1

(三)支撑结构及控制系统

支撑结构用于固定槽式抛物面聚光镜，并配合控制系统对集热阵列进行一维跟踪．以获得有效太阳辐射能。支撑结构设计需要经过计算机模拟仿真研究、风洞实验和实际运行，在充分考虑最佳机械、光学和力学性能以及最小成本前提下进行设计。1

(四)储热系统

可再生能源领域。储能技术一直是急需解决的问题，但是，太阳能光热发电已经拥有很成熟的储能技术解决方案，这也是未来太阳能热发电有望赶超风电、光电等其他新能源的最大优势。采用储热技术可以实现大规模太阳能热发电站的储能问题。1

槽式太阳能热发电技术特点槽式太阳能热发电技术最主要的特点是使用了大量的抛物面槽式聚光器来收集太阳辐射能，并把光能直接转化为热能，通过换热器使水变成高温高压的蒸汽，并推动汽轮机来发电。因为太阳能是不确定的，所以在传热工质中加了一个常规燃料辅助锅炉，以备应急之用。

槽式太阳能热发电的缺点是：

(1)虽然这种线性聚焦系统的集光效率由于单轴跟踪有所提高，但很难实现双轴跟踪，致使余弦效应对光的损失每年平均达到30%。

(2)槽式太阳能热发电系统结构庞大，在我国多风、高风沙区域难以立足。

(3)由于线型吸热器的表面全部裸露在受光空间中无法进行绝热处理，尽管设计真空层以减少对流带来的损失，但是其辐射损失仍然随温度的升高而增加。2

槽式太阳能热发电技术发展方向为了进一步改善开发槽式太阳能热发电技术，提高其竞争力，可以采取以下措施：

一是设计先进的聚光器，结构形式由轴式单元向桁架式单元发展，聚光器单列长度100 m增长为150 m，这样，一套驱动机构就可以带动更长的聚光器阵列：同时，不断优化聚光镜材料、玻璃厚度等，以最大限度地降低整机重量。

二是充分考虑方位角和高度角的影响，采用极轴跟踪技术，使聚光集热器阵列由原来的南北向水平放置改为南北向的倾斜轴(倾斜角度与纬度有关)，从而更有效地接收太阳辐射能。

三是研发高性能的高温真空管接收器。

四是开发直接用水作为介质的新型槽式发电技术。利用这一技术，可以取代大量的换热器，进而实现简化系统、提高效率、降低成本的目的。

五是加强可靠性研究，综合考虑温度、压力、密封等相关因素，改进高温真空接收器在聚光器阵列两端与布置在地面上不动的导热油管路之间存在的密封连接问题。3