[科普中国]-聚光太阳能

背景

太阳能是取之不尽用之不竭的资源，目前主要有2种方法利用太阳能，一是采用反射镜把太阳光反射并聚集到接收器，该接收器能够聚集太阳能并将其转换为热能，利用这种热能生产的热蒸汽，推动涡轮发动机，从而驱动发电机发电，满足电力需求，这种技术被称为聚光太阳能发电（简称CSP）技术。二是利用半导体制成的光伏太阳能电池板，把光伏电池板可以直接安装在屋顶上，将太阳能直接转化为电能供建筑物使用。

太阳能到电能的高效率转换特性，使CSP技术成为具有吸引力的可再生能源项目，要求有广阔的场地以及较长的能源传输线，为了克服太阳能容易受多云天气和夜间的影响，科学家们研究开发了热量存储技术。

美国内华达一号太阳能发电厂于2007年投产，拥有182万块凹面镜。凹面镜组成的太阳能槽式设备将太阳的能量聚焦在位于镜子焦点线上的不锈钢接收器管，而钢管内装有可流动的油等传热液体，在高温作用下油的温度升高至750 埘(约398.9 ℃)，巨型的散热器吸收其中的热量给水加热产生蒸汽，蒸汽带动高压驱动涡轮机和发电机运转，从而产生电能。这座发电厂每年可产生6 400万kW·h，足够供14万户家庭或者几家拉斯维加斯赌场使用。与昂贵的光伏太阳能板相比，政府部门往往更青睐于这种方式。在晴朗的夏天，太阳直射的情况下，该发电厂能将21%的太阳光转化成电能。每隔30 s，凹面镜就会随太阳的移动改变朝向，直至正午完全朝上。760列凹面镜，每一列镜子能够生产84万W的电力。太阳能的优势在于来源免费，而且不会产生温室气体，与其他形式的可再生能源相比如风能，太阳能是来源最为丰富且最稳定的能源。

按照聚集太阳能的方式，聚光太阳能发电系统技术分为线性聚光系统、碟/引擎系统、电力塔系统3种方式。线性聚光系统和电力塔系统都易于与热量存储系统集成在一起，从而有助于在多云天气或在夜间实现发电。另外，还可与天然气结合起来，采用混合动力发电。1

简介该技术是通过聚光的方式把一定面积上的光通过聚光系统会聚在一个狭小的区域（焦斑），太阳能电池仅需焦斑面积的大小即可，从而大幅减少了太阳能电池的用量。同样条件下，倍率越高，所需太阳能电池面积越小。实现太阳能聚光可以使用多种不同的光学系统，可分为两大类：反射式和折射式。其中反射式系统使用得较为普遍。1

系统组成线性聚光系统线性聚光太阳能发电（CSP）采用线聚焦技术，线性聚光器包括抛物面槽式系统和线性菲涅耳反射系统2种，利用很大的反射镜来捕获太阳的能量，并把太阳光反射和对焦集中到焦线上，在这条焦线上安装有线性管状集热器，集热器吸收聚焦后的太阳辐射能，把吸热管内的流体加热，然后产生过热蒸汽，驱动涡轮发电机产生电力。线性集中聚光器系统通常由按南北向平行排列的大量聚光器组成，这样保证最大限度地聚集太阳能。利用单轴太阳跟踪系统，使反射镜在白天能够随时追踪太阳的方位，以确保太阳光能不断地反射到吸热管。这种发电方式的特点是在太阳能聚集系统中直接产生蒸汽，不需要昂贵的换热器，但需要安装大量的传热管道，费用十分昂贵，而且运行温度也比较低。

1、抛物面槽式系统

目前，在美国太阳能热发电领域中占主导地位的是抛物面槽式线性聚光系统，槽式太阳能发电系统由太阳能聚光器，以及吸热配件或接收器和跟踪机构组成。其中太阳能聚光器由许多弯曲的反射镜组合装配而成，安装在支架上。吸热管或接收器管沿着每个抛物形反射镜的焦线固定安装，用以吸收太阳辐射能，传热工质(不管是传热流体还是水/蒸汽)都要从太阳能集热管中流过，从而产生过热蒸汽，直接输送到涡轮机用以发电。槽式太阳能热发电的聚光比为10～100，温度可达400 ℃。跟踪机构对支架进行控制下，使吸热管能充分吸收来自反射镜反射的阳光。目前，最大的抛物面槽式系统能产生80 MW的电力，正在开发能产生250 MW电力的抛物面槽式系统，见图。

在图中，抛物面槽把太阳光反射到接收器，高温传热流体（图中红色）从接收器中流出，流进管道，通过涡轮驱动发电机输出电力，向电网提供电力；低温传热流体（蓝色）从管道流出，流进蒸汽冷凝器进一步冷却，回流到太阳聚集系统。热量存储罐位于管道和蒸汽冷凝器之间，如果采用特大型的聚光器系统，那么在白天对存储系统进行加热，这样热量存储系统可以在晚上或多云天气下运行，从而产生额外更多的蒸汽实现发电。抛物面槽电厂也可采用混合设计，也就是说可采用矿石作为补充燃料，以补充在太阳低辐射时期的太阳能，还可采用天然气热水器或燃气蒸汽锅炉/再热器。在将来，抛物面槽可能与现有或新建的联合循环天然气和煤炭发电厂结合在一起。

2、线性菲涅尔反射器系统

第二种线性聚光技术是线性菲涅尔反射器系统，该系统由反射镜、聚光器和跟踪机构组成。把平坦的或略有弯曲的反射镜安装配置在跟踪器上，在反射镜上方的空间安装吸热管，反射镜把阳光反射到吸热管。有时在聚光器的顶部加装小型抛物面反射镜，以加强阳光的聚焦，见图。

在图中，太阳光通过安装在地面的反射镜向上反射到接收器，接收器安装在反射器的上方。高温传热流体从接收器中流出，流进管道，通过涡轮驱动发电机输出电力，向电网提供电力；低温传热流体（蓝色）从管道流出，流进蒸汽冷凝器进一步冷却，回流到太阳聚集系统。其特点是集热器不采用真空技术，由此增加了集热管的长度，提高了可用率，而且聚光效果是常规槽式线聚焦集热器的3倍，而且建造费用降低了50%。缺点是工作效率只有普通集热器的70%，因而需要进一步完善。

3、线性聚光系统关键技术的研究

在美国能源部的支持下，为了提高抛物面槽聚光器系统的性能和降低其成本，美国国家可再生能源实验室和桑迪亚国家实验室对线性聚光系统，特别是抛物面槽发电厂的关键技术进行研究，主要包括提高聚光器的装配光学精度，以改善光线聚集度；开发先进的吸收材料，以提高运行温度，改善和提高动力循环效率，减少用水量；以及如何减少接收器的热量损耗的技术措施，目标就是要改善槽式太阳能发电系统的性能，提高抛物面槽的光学效率，并支持下一代抛物面槽的发展及推广应用。

碟式/引擎系统与其他聚光太阳能发电（CSP）技术相比，碟式/引擎系统产生的电力功率相对较少，通常在3耀25万kW的范围内，很适合分布式应用，如果将多个这样分布安装的单元碟式/引擎系统整合成一簇，可以实现集中向电网供电，不但能缓解电力能源需求，还可以提高整个电网的运行安全性。整个发电系统安装在一个双轴跟踪支撑机构上，实现定日跟踪，连续发电，发电效率高达30%，在相同的运行温度下，发电效率明显高于槽式和塔式，是所有太阳能热发电系统中效率最高的。缺点是碟式太阳能热发电系统的单元发电容量较小。

碟式/引擎系统主要由太阳能聚光器和电力转换装置2个部分组成。由许多反射镜组成的抛物面碟把太阳光引导和集中到一个中央引擎，中央引擎产生电能。碟式/引擎系统的结构见图。

太阳能聚光器或碟，把直接来自太阳的太阳能聚集起来，聚集的太阳光光束被反射到一个热接收器，热接收器聚集了太阳热量。碟安装在一个跟踪支撑机构上，全日跟踪太阳，每一个反射镜阵列会朝向太阳，尽可能持续地把太阳光高效率反射到热接收器中。电力转换单元包括热接收器和发动机/发电机。热接收器是碟和发动机/发电机之间的接口，它吸收太阳能的集中光束，将它们转换成热量，然后把热量传输到发动机/发电机。

热接收器的管道中装有冷却流体，冷却流体通常是氢和氦，一般是作为传热介质，也作为发动机的工作流体。发动机/发电机子系统从热接收器中接收热量，并利用热量来产生电力。目前，在碟式/引擎系统中应用的最常见的热发动机类型是斯特林发动机，再驱动活塞工作产生电能。斯特林发动机利用被加热的流体来推动活塞产生机械功，发动机的机轴以旋转的方式驱动发电机产生电力。斯特林发动机作为一种外燃的、封闭循环往复式热力发动机，它的运动部件间没有机械连接，无须润滑、密封简单，和太阳能聚光器非常好地结合在一起，高效率地产生电能，这种技术有几个优势，一是能量转换效率高，二是机器非常“安静”，三是寿命长，四是非常环保，完全燃烧后只产生很少量的氧氮化物和CO，内燃机在这方面远不能与它相比。

碟式抛物面斯特林发电系统独立分布运行的特点，非常适合急需电力补充的发展中国家的边远地区，在我国西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳辐射总量都很大，西藏，新疆和内蒙古地域辽阔，土地资源丰富，农(牧)民居住分散，适于建造分散式太阳能斯特林热电站，而建立大规模大容量集中式的太阳能热发电站，采取远距离输变电方式是不经济的，发展太阳能斯特林发电在节约水资源上还具有优越性。斯特林发动机冷却采用空冷方式，系统耗水量低，所以在缺水的内蒙古西部沙漠地区很适合建立大面积、大容量的蝶式斯特林太阳能热发电站，也能部分解决内蒙古地区发展火电站缺水的问题。

塔式系统塔式太阳能热发电系统主要由日光反射镜子系统、接收器组成，见图。其中日光反射镜子系统由大量大型、平坦的太阳跟踪反射镜构成，对太阳进行实时跟踪，把太阳光聚焦到塔顶的接收器。在接收器中对传热流体进行加热，产生高温过热蒸汽，过热蒸汽推动常规涡轮发电机组发电。一些电力塔利用水/蒸汽作为传热流体。由于其卓越的传热和能量存储能力，在其他先进的设计中，对其进行了熔融硝酸盐试验。具有商业规模的工厂可以生产200 MW的电力。造价十分昂贵，建设电站的投资很高。

在图中，塔的周围是日光反射镜，日光反射镜直接将收集到的阳光反射到发电塔顶端的接收器，接收器对传热流体进行加热，加热后的传热流体（红色所示）从接收器流出进入给水再热器，经过再热器后进入涡轮发动机，从而驱动汽轮发电机发电。冷的传热流体（蓝色所示）从涡轮流出进入蒸汽冷凝器进行冷却，冷却后的传热流体重新回流到塔顶的接收器。2

热量存储系统热能的储存是当今任何一种CSP系统都需要部署的一个重要系统。太阳能的广泛应用面临着的一个挑战。当太阳下山或有云层阻挡的时候，太阳能减少会限制电力能源的生产。热能储存系统提供了一个可行的解决方案来面对这一挑战。在系统中，太阳光的光线被反射到一个接收器，接收器产生热量，然后用于发电。如果这个接收器包含有作为传热介质的油或熔盐，那么热能可以被存储起来供以后使用。

2008年，世界上第一座可存储式的太阳能电站在西班牙投入商业运营。白天，凹面镜吸收的太阳能给熔盐加热，晚上利用高温熔盐冷却下来产生的热量给水加热产生蒸汽，就如同植物的光合作用。热能储存系统包括双罐直接系统，双油箱间接系统，单罐温跃层系统。这里介绍双罐直接系统。

Solar域太阳能电厂的双罐直接熔盐热能存储系统。在这个系统中把太阳热能以液态储存起来，流体存储在双罐中，一个罐是高温罐，另一个罐是低温罐，流体从低温罐流经聚光器或接收器，在聚光器或接收器中，太阳能把流体加热到高温状态，然后高温流体流回到高温罐存储。来自高温罐的流体流经换热器，在换热器产生蒸汽，以生产电力。流体以低温状态从换热器退出，返回到低温罐。在早期抛物面槽电厂中，采用双罐直接存储系统，加利福尼亚州的Solar域太阳能发电厂就采用了双罐直接存储系统。

抛物面槽电厂采用矿物油作为传热和储存液；Solar域太阳能电厂采用熔盐作为传热和储存液。

优势1、光伏发电新的成本降低技术路径。

2、系统转换效率高。高倍率CPV采用GaAs等三五族化合物电池，多结太阳能电池效率快速稳步增长，2015年可达到50%，理论极限70%。

3、电池芯片的光电转换效率理论极限可以达到70%，目前实际量产的转换效率也已经达到了36~40%，CPV系统转换效率达到28%，较硅基太阳能电池和薄膜太阳能电池高出不少。

4、比硅和薄膜电池更优良的温度特性。

5、随着聚光技术的成熟和产业规模化， CPV成本将低于硅基和薄膜太阳能技术，在2012年达到或接近平价上网的水平。

相关目前我国HCPV相关的国家标准已经出台了，去年国家认证认可监督管理委员会已经备案标准《聚光型光伏模块和模组设计鉴定和定型》(备案号为：CNCA/CTS0005-2010)。

目前日芯光伏在青海格尔木已经建成国内首个MW级聚光光伏电站并且已经实现并网发电，这些进步都得益于国内半导体巨头三安光电在聚光光伏砷化镓电池在技术上的突破和实现量产，成本大幅度下降至原来的20%左右。这使得高聚光太阳能发电设备跨越式大发展，并有望最终取代目前的多晶硅太阳能发电而成为太阳能发电的主流。同晶硅技术和薄膜技术相比，HCPV在100KW以上发电系统中具有明显的优势，如果综合考虑年发电成本和碳痕迹等因素，则HCPV拥有绝对优势。

前景太阳能热发电电站在节能减排方面作用非常显著，以前面提到的年发电量达6400万度的美国内华达一号太阳能发电厂为例，相比较传统的火力电站，每年可以节约标准煤21 760 t，减少排放CO2 76688.6t、CO2 576t、粉尘颗粒4492.8t。美国国家可再生能源实验室副主任罗伯特称： “目前太阳能发电量只占全国总电量的0.1豫，但是到2030年这一数字有望达到10%~20豫。”为了降低成本，美国国家可再生能源实验室的科学家们正在研究用轻巧的聚合物制成凹面镜来代替玻璃管和钢管以期能吸收更多阳光又能减少热能损耗，在保证能源转换效率的前提下，进一步的降低成本。另外，科学家们正在研究如何存储白天产生的电能以供晚上使用的方法。虽然目前在全世界范围内太阳能技术在实际应用上还面临种种困难，比如资金和技术，但技术的创新是永无止镜的，太阳能作为人类未来可再生能源，前景是非常光明的。3