太阳能热发电技术

太阳能热发电技术（精选9篇）

太阳能热发电技术 篇1

0 引言

能源短缺、资源枯竭、环境污染等问题已严重影响人们的生活和制约社会的发展。各国竞相开展水能、风能、地热能、生物质能、潮汐能、太阳能等清洁和可再生能源的应用研究,尤其是太阳能的应用研究最为广泛。

我国太阳能的利用虽然起步较晚,但太阳能热水器等行业已形成千亿元规模的产业,可见太阳能应用前景之广阔。太阳能热水器的应用节约了能源,但不能从根本上解决能源短缺的问题。利用太阳能发电是解决当前能源、资源和环境等问题的一种有效途径和方法。

1 太阳能热发电技术[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11]

太阳能发电种类很多(见图1),目前,较为成熟的有太阳能光伏发电和太阳能热发电。

太阳能发电undefined

图1 太阳能发电的种类太阳能热发电是利用聚光器聚集太阳能,经吸收器吸收后,转化成热能,产生高温蒸汽或气体进入汽轮发电机组或燃气轮机发电机组产生电能。

按聚光形式不同,太阳能热发电可分为塔式太阳能热发电、槽式太阳能热发电和碟式太阳能热发电。

1.1 塔式(power tower)太阳能热发电[12,13,14,15,16]

塔式太阳能热发电系统的基本形式是利用独立跟踪太阳的定日镜群,将阳光聚集到1个固定在塔顶部的接收器上,用以产生高温。加热工质产生过热蒸汽或高温气体,驱动发电机组发电,从而将太阳能转换为电能(见图2)。

塔式太阳能热发电系统包括:聚光子系统、集热子系统、发电子系统、蓄热子系统和辅助能源子系统。具有规模大、热传递路程短、热损耗少、聚光比和温度较高等特点,极适合于大规模并网发电。

1.1.1 聚光子系统

包括定日镜群和跟踪装置。采用双轴跟踪,以确保每台定日镜的反射光线进入集热系统的接收器内;定日镜微弧度的镜面保证太阳光聚焦到塔顶的接收器,定日镜群的成本占总投入的一半以上。

1.1.2 集热子系统

包括定日镜场中间或南方的竖塔和竖塔顶部的接收器。竖塔的高度取决于电站容量。接收器主要有空腔式和外露式2种型式。竖塔在镜场中间时,一般选用外露式接收器,竖塔在镜场南方时,选用空腔式接收器。

1.1.3 发电子系统

按照工质是水还是气体选用汽轮机组或燃气轮机组,其基本组成与常规发电设备类似。但同时需要具备工作流体来源于接收器和辅助能源系统的切换装置。

1.1.4 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3种方式,美国在10 MW的太阳1号(Solar One)塔式太阳能热发电站基础上,增加潜式蓄热装置,建成10 MW的太阳2号(Solar Two)(见图3、图4),效率提高了40%。

1.1.5 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。

1.2 槽式(parabolic trough)太阳能热发电

槽式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,产生高温,加热工质,产生蒸汽,驱动汽轮机发电机组发电(见图5)。

槽式太阳能热发电系统具有规模大、寿命长、成本低等特点,非常适合商业并网发电。整个系统包括:聚光集热子系统、换热子系统、发电子系统、蓄热子系统和辅助能源子系统。

1.2.1 聚光集热子系统

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。

1.2.2 换热子系统

当系统工质为油时,采用双回路,即接收器中工质油被加热后,进入换热子系统中产生蒸汽,蒸汽进入发电子系统发电。换热子系统一般有预热器、蒸汽发生器、过热器和再热器组成。直接采用水为工质时,可简化此子系统。

1.2.3 发电子系统 蓄热子系统和辅助能源子系统

其功能与塔式太阳能热发电基本相同。

美国鲁兹(LUZ)公司是槽式太阳能热发电技术应用的典范。1985年~1991年间,在美国南加州先后建成9座槽式太阳能热发电站,总装机容量353.8 MW,是世界上规模最大、成效最高的太阳能热发电工程。最为典型的是80 MW装机容量的SEGSⅧ电站(见图6、图7)。

SEGSⅧ电站的循环效率为38.4%,峰值太阳能热电转换效率为24%,年平均太阳能热电转换效率为14%,电站的初始投资为2 650美元/kW,其发电的成本为8美分/kW·h。

1.3 碟式(parabolic dish)太阳能热发电

碟式太阳能热发电系统是利用旋转抛物面反射镜,将入射阳光聚集在焦点上,放置在焦点处的太阳能接收器收集较高温度的热能,加热工质,驱动发电机组发电或在焦点处直接放置太阳能斯特林(stirling)发电装置发电(见图8)。

碟式太阳能热发电系统具有寿命长、效率高、灵活性强等特点,可以单台供电,也可以多套并联使用,非常适合边远山区发电。整个系统包括:聚光集热子系统、发电子系统、蓄热子系统。

美国、以色列等国家的科研部门相继展开碟式太阳能热发电的研制开发,样机转换效率目前最高达29.4%,吸热器的效率为65%~90%。

2 3种发电方式比较

塔式效率高,槽式成本低,碟式单机可标准化生产。3种方式各自优势明显,同时缺点也很明显。塔式一次性投入大,槽式相对塔式和碟式效率较低,碟式单机规模很难做大。

《中国新能源和可再生能源 1999白皮书》[17]中对3种热发电方式进行了全面比较,比较结果见表1。

注:年容量因子:实际年发电量与系统全年满负荷运行的年发电量之百分比;峰值效率:系统最高转换效率;年净效率:年发电量(扣除系统本身消耗电量)与全年接受太阳能量之百分比。

目前来说,塔式太阳能热发电技术尚处于研究、开发、示范阶段;碟式太阳能热发电技术在美国、以色列等国家处于准商业化阶段;槽式太阳能热发电技术是最成熟的商业化技术。

3 太阳能热发电在我国的应用前景

根据《中国新能源和可再生能源 1999白皮书》可知,我国是世界太阳能丰富的国家,全国2/3以上地区年日照大于2 000 h,陆地面积接受的太阳辐射能相当于2.4×1012 t/a标煤,约相当于数万个三峡工程发电量的总和。根据国土资源部发布的2004年国土资源公报,全国荒漠化土地面积已达262×104 m2,每年新增荒漠化面积2 400×104 m2,大部分在太阳能资源丰富的西部地区。仅新疆地区,166×104 m2的土地面积中就有荒漠戈壁111×104 m2。按每年发电量160 kW·h/m2估算,如果用新疆地区的荒漠戈壁面积接受的太阳能来发电,全年发电量达到约1.8×1014 kW·h,约相当于2 000个三峡的发电量;新疆荒漠戈壁1%的太阳能发电量与我国2004年总发电量(约为1.9×1012 kW·h)相当。

在过去的很长一段时间里面,中国科学院、上海交通大学、中国科学技术大学等单位[18]一直在从事太阳能热发电单元技术和基础试验研究,建立了相应的热发电模拟装置,积累了一定的工作经验和理论基础。

近几年,我们在太阳能热发电聚光集热技术、高温接收器技术等方面取得了突破性进展[19,20,21],并率先在南京江宁经济开发区建成国内首座70 kW塔式太阳能热发电示范工程,已于2005年10月成功并网发电。该工程成功发电,打开了我国多年热发电技术研究徘徊不前的局面,揭开了我国太阳能热发电技术研究全新的一页。

我们在槽式太阳能热发电技术方面也取得了突破性进展,已成功研制出2 m长高温太阳能真空集热管,并正在开发4 m长高温太阳能真空集热管;在碟式太阳能热发电技术方面我们正与以色列合作,开发大功率、商业化的碟式太阳能热发电系统。

太阳能热发电技术 篇2

中国新能源网 | 2010-6-23 9:51:00 | 新能源论坛 | 我要供稿 特别推荐：《2010中国新能源与可再生能源年鉴》

按建筑热工设计分区，我国2/3以上的国土面积属严寒和寒冷地区，为保证生存的基本条件，建筑物必须供暖。随着生活水平的提高和居住环境的改善，夏热冬冷地区对采暖的要求不断提高，城镇绝大部分家庭已安装空调自行解决冬季采暖问题。目前，我国城镇建筑消耗采暖用能1.3亿吨标煤／年，相当于我国2004年煤产量的10%%左右。与单独的太阳能供热水相比，太阳能供热采暖获得的节能量更大。因此，太阳能供热采暖是继太阳能供热水之后，需要在建筑中应用推广的又一项太阳能热利用技术。??? 太阳能供热采暖的应用现状

??? 相对于单纯的太阳能热水供应，我国兼有冬季供暖的太阳能供热、采暖技术和工程应用水平较低，由于主动式太阳能采暖系统复杂、设备多，所以初期投资和经常维持费用都比被动式太阳能采暖高。我国是发展中国家，经济发展相对落后，从国情出发，过去采取的政策是优先发展被动式太阳能采暖。

??? 我国的第一栋被动式采暖太阳房1977年在甘肃省民勤县建成，经过广大科技工作者20多年的努力，通过国家“六五”、“七五”、“八五”科技攻关项目，在引进、消化、吸收世界太阳能建筑技术的基础上，我国己形成了具有中国特色的包括理论、设计、施工、试验及评价方法在内的一整套被动式太阳能采暖技术，建成了几百万平方米（建筑面积）的被动式采暖太阳房。“十五”期间有代表性的示范工程是由世界银行贷款、全球环境基金赠款，在中国基本卫生服务项目中的卫生Ⅷ支持性项目完成的29座被动式太阳能采暖乡镇卫生院，分别位于甘肃、青海和山西省。

??? 受经济水平的制约，主动式太阳能供暖系统在我国一直发展得比较缓慢，太阳能供热、采暖工程应用仍处于起步阶段。目前，已经建成了若干单体建筑太阳能供热采暖试点工程，如北京清华阳光能源开发有限公司和北京桑普公司的办公楼，北京市平谷县新农村建设项目的将军关、玻璃台等乡村的农民住宅，拉萨火车站等；但太阳能区域供热、采暖（小区热力站）工程则还没有应用的实践。这种太阳能供暖系统的推广障碍并不在于集热、供暖技术本身，而在于投资费用高和春、夏、秋季热水过剩，需要通过季节蓄能技术和全年的综合利用，与地源热泵、生物质能等其他可再生能源的互为补充来解决。??? 2006年5月启动的财政部、建设部“可再生能源建筑应用示范推广项目”中包括了较多的太阳能供热、采暖工程，在2006年~2007年申报通过的212个项目中，太阳能+热泵综合的项目占25%%，待该项目实施完成后，将极大带动我国太阳能供热采暖技术的发展和提高。太阳能供热采暖的技术规范与标准

??? 为适应建筑节能的形势要求，由建设部工程质量安全监督与行业发展司组织编写的《全国民用建筑工程设计技术措施——节能专篇》暖通空调·动力分册中，专列了一章（第九章：太阳能供暖系统）规定了太阳能供暖系统的设计原则，给出了相应的设计参数和设计方法。??? 为提高我国太阳能供热、采暖系统的工程设计和建设水平，建设部在2006年的工程建设标准规范制定、修订计划中，将国家标准《太阳能供热采暖工程技术规范》列入了立项计划。该标准的主编单位是中国建筑科学研究院，目前标准的送审稿已通过专家评审，预计于2008年内完成标准的报批稿上报。

??? 太阳能供热采暖技术的发展战略

??? “十一五”期间，我国的太阳能供热采暖技术和工程应用将会有较快的发展，特别是财政部、建设部的“可再生能源建筑应用示范项目”完成后，会获得相当数量示范工程的实践经验总结。所以，近几年的工作应着重放在为将来实施太阳能供热采暖技术推广及相关政策的制定创造条件上。一方面积极开展工程应用示范，另一方面可以挑选工程应用较多的地区，先行酝酿制定地方性的太阳能供热采暖技术推广政策。

??? 太阳能供热采暖是继太阳能热水之后，最具发展潜力的太阳能热利用技术，是今后应大力推广的技术。我国太阳能资源最为丰富的地区（太阳能资源区划的第1区和第2区），都是气候寒冷、常规能源比较缺乏的偏远地区，如西藏、新疆、内蒙古等，既有实际的采暖需求、又有充足的资源条件，是应用太阳能供热采暖条件最为优越的地区。但是，这些地区大多比较贫困，缺乏工程示范的经济支撑能力。所以，国家应出台相应的优惠政策，重点扶持这些地区开展太阳能供热采暖的工程示范，在此基础上总结经验，进行可行性研究分析，并在条件成熟后，率先出台推广太阳能供热采暖技术的地方性政策法规，逐步过渡到全国。??? 必须努力提高太阳能供热、采暖系统的太阳能保证率，做到全年综合利用；应研究开发短期和季节蓄能新技术，在我国北方冬季寒冷、夏季凉爽的地区，蓄存春、夏、秋季太阳热能用于冬季采暖，提高太阳能供热、采暖系统的节能效益，这是太阳能供热、采暖技术进步的重要发展方向。

太阳能热发电技术 篇3

关键词：碟式太阳能热；发电系统；斯特林发动机；斯特林循环

中图分类号：TU995 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2015）03-0040-03

在化石能源储量日益减少、环境污染问题越来越突出的背景下，太阳能因具有储量丰富、便于获取及无污染等特征，被认为是未来重要的可再生能源。太阳能热发电方式凭借发电成本低、技术成熟、与化石燃料容易构成混合发电系统等优点，成为最被看好的发电方式。在所有的太阳能热发电技术中，碟式太阳能热发电系统因有最高的光电转化效率而具有广阔的发展前景。

1 碟式太阳能热发电系统概述

1.1 发展动态简介

美国Advaned Corporation于1984年建立了一套25 kW碟式斯特林太阳热发电系统，太阳能—电能的最高转换效率记录是29.4%。MDAC建立了8套碟式斯特林热发电系统，系统净效率大于30%，后来MDAC将硬件和技术全部转让给Southern Califonia Edison（SEC）。SEC在1986—1988年间进行试验，年平均效率达12%。20世纪90年代以来，美国的若干企业和研究机构在政府部门的资助下，以项目或计划方式加快碟式太阳热发电技术的研发步伐。2010年1月全球首台1.5 MW商业化碟式太阳能热发电系统在美国投运。

在国内，早从1980年左右就开始研究碟式太阳能热发电技术。李鑫、李斌等以能量守恒方程为基础，结合抛物面光学特性，建立一个计算聚光器的数学模型，并采用试算和迭代核算相结合的方法，对聚光器的尺寸进行计算，对太阳能热发电系统的经济性进行分析。高瑶设计了一套5 kW的碟式太阳能热发电系统，并模拟此系统在1 d中的实际工作情况，为我国碟式太阳能热发电技术的开发利用提供了数据支持。

1.2 工作原理

碟式斯特林太阳能热发电系统主要由聚光器、吸热器、斯特林机等组成，系统原理如图1所示。其工作原理是将投射到聚光器表面的太阳光聚集到吸热器上，吸热器吸收太阳辐射，将其转化为热能并传递给工质，使工质温度升高，形成高温热源送入斯特林发动机，热量转化为机械能后推动发电机运转，对外发出电能。

在整个碟式太阳能斯特林发电系统中发挥重要功效的是斯特林发动机，它负责将吸热器吸收的抛物面聚光镜反射汇聚的入射太阳光能量转化为机械能，斯特林发动机提供的机械能带动发电机运转，可以进一步将机械能转化为电能。

2 斯特林发动机简论

斯持林（strling）发动机是一种外部加热的闭式循环发动机，主要包括冷却器、回热器、集热器、冷腔、热腔等。如图2所示，斯特林发动机的气缸里有两个活塞分别和热腔、冷腔相连，冷腔里的活塞运动将工质等温压缩，热腔活塞保持不动，冷腔吸收工质放出热量；随后冷腔活塞继续运动到上止点，热腔活塞也开始以相同的速率向下止点运动，工质从冷腔流向热腔，流经回热器时吸收一部分热量，温度升高，压力增大，实现等容加热；随后高温高压的工质膨胀做功，热腔活塞运动到下止点，冷腔活塞保持不动，同时工质流经加热器吸收热量，温度保持不变，实现等温膨胀；随后，冷腔活塞开始向下止点运动，热腔活塞以相同的速率向上止点运动，工质从热腔流向冷腔，流经回热器时散失一部分热量，温度降低，压力减小。斯特林发动机凭借上述循环过程将热能转化为机械能，从而带动发电机发出电能。

2.1 斯特林循环

斯特林循环是一种理想的热力循环，由两个等温过程和两个等容过程组成。图3表明斯特林循环和实现斯特林循环的循环系统及动作过程。循环系统由1个装有两个活塞的气缸构成，在2个活塞间设有回热器。回热器在一个循环中交替从工质吸收热能和向工质释出热能，因而可以将它设想为一块热力海绵。回热器两侧由活塞和气缸组成的腔室分别形成热的膨胀腔（又叫热腔）和冷的压缩腔（也叫冷腔）。这两个腔室的容积变化分别由活塞控制。斯特林循环有4个热力过程组成：等温压缩过程、等容加热过程、等温膨胀过程、等容冷却过程。

2.2 关键技术

斯特林发动机的关键技术包括性能仿真、热交换器设计与制造、密封和控制等。性能仿真技术主要是对实际的斯特林循环进行模拟仿真，国际上应用较多的是二级分析法和三级分析法（节点分析法）。由于这两种分析法建立的模型与实际工作过程有很大差别，因此需要建立精度更高、更接近实际的CFD模型，以提高模型的精度，进而提高斯特林发动机的综合性能。

换热器是斯特林发动机的重要组成部分，换热器上的损失（回热损失、流阻损失、轴向导热损失等）是斯特林发动机的主要损失，因此换热器的设计与制造技术是影响斯特林发动机综合性能的重要因素。

由于斯特林发动机主要靠工质在汽缸内的往复运动进行工作，因此提高斯特林发动机的密封技术（无论是对提高性能还是增加寿命）具有重要意义。

控制技术是调节斯特林发动机工作的核心技术，但斯特林发动机的控制技术远不如内燃机成熟，因此提高斯特林发动机的控制技术，对提高斯特林发动机和碟式太阳能热发电系统的综合性能有着重要意义。

3 斯特林发动机在碟式太阳能热发电系统中的应用

斯特林发动机在太阳能热发电领域有着重要的应用。用斯特林发动机作为动力系统的太阳能热发电技术，在美国和澳大利亚等国家已经取得了实质性的突破，很多实验电站已经运行多年，大规模的商业运行电站正在建立。2005年8月11日，SCE公司（Southern California Edison）和SES公司（Stirling Energy Systems）宣布签订20 a采购协议，由SES公司在美国洛杉矶东北莫哈韦沙漠地区采用碟式斯特林发电系统建造一座500 MW并逐步扩大到850 MW的太阳能热发电站。该电站预计将由2万个碟式斯特林发电系统组成，占地18 km2，这是太阳能斯特林发动机技术在商业发电领域第一次大规模应用。2005 年10月12日，SES公司宣布与SDG&E公司（San DiegoGas & Electric）签订提供300～900 MW太阳能电力合同，大约是圣地亚哥地区现有太阳能发电能力的30倍。目前SAIC（The Science Applications International Corporation） 又和美国 Sandia 国家实验室联合开发商用25 kW太阳能热电系统，计划在5 a时间内分3个阶段将56座碟式斯特林发电系统安装和示范于全美各州电能利用基地。

2012年7月底，大连宏海新能源发展有限公司与瑞典Cleanergy公司合作完成的华原集团100 kW碟式太阳能光热示范电厂在内蒙古鄂尔多斯市成功安装，现完成联合调试并进入试运行阶段。这是国内第一个应用碟式太阳能斯特林技术进行发电的光热示范电厂。

4 结语

近年来，斯特林发动机的研究在世界领域取得了突破性进展，能源危机使世界各国对斯特林发动机备加重视，进一步加快了斯特林发动机的发展速度。从目前的研究现状来看，在整个碟式太阳能斯特林发电系统中发挥重要功效的是斯特林发动机，控制技术是调节斯特林发动机的核心技术。所以，提高斯特林发动机的控制技术，可以大大提高碟式太阳能热发电系统的效率。这也是未来研究太阳能热发电系统必须认真对待的问题。

参考文献

[1] 高瑶.5kW点聚焦太阳能斯特林发电系统的性能分析[D].南京：南京航空航天大学，2006.

[2] 金东寒.斯特林发动机技术[M].黑龙江：哈尔滨工程大学出版社，2009

[3] 王军，刘德有，张文进，等.碟式太阳能热发电[J].太阳能，2006（3）：31-3.

[4] 王国莹，霍天强.太阳能热发电—太阳能斯特林热发电[J].西北水力发电，2006（22）：45-46.

[5] 杨泰蓉，叶宏，王军，等.斯特林循环分析法的发展及1 kW斯特林机二级简化分析[J].太阳能学报，2008，29（8）：999-1 007.

Abstract： Based on the analysis of operating principle of dish-stirling solar power generation system， the article uses the stirling engine in the system of dish-stirling solar power generation as the object， analyzes the key technique of stirling cycle and engine， and combined the research status of stirling engine in dish-stirling solar power generation system， pointed out many research hot points of stirling engine， provides a reference for relative research of dish-stirling solar power generation system.

太阳能热发电技术 篇4

自20世纪80年代以来,塔式太阳能热发电技术得到了迅猛发展,一批塔式太阳能试验电站先后投入试运行。大量实验和运行数据证明,塔式太阳能热发电不仅在技术上可行,而且具有巨大的商业应用前景[1—5]。

塔式太阳能热发电主要由定日镜系统、吸热与热能传递系统(热流体系统)、发电系统三部分组成。定日镜系统实现对太阳的实时跟踪,将太阳光反射到吸热器。位于高塔上的吸热器吸收由定日镜系统反射来的高热流密度辐射能,并将其转化为工作流体的高温热能。高温流体通过管道传递到位于地面的蒸汽发生器,产生高压过热蒸汽,推动传统气轮机发电。参见图1。

由于使用了高塔聚焦,典型的塔式太阳能热发电系统可以实现200至1 000以上的聚焦比(concentrationfactor),投射到塔顶吸热器的平均热流密度达300—1 000kW/m 2,工作温度可高达1 000℃以上。电站规模可达200MW以上。

塔式太阳能热发电系统可以实现多种集成模式。在现有的各类塔式太阳能热发电试验站中,定日镜系统和发电系统都基本相同,不同的只是吸热与热能传递系统。在各类吸热与热能传递系统中,最具商业化潜力且研究得最多的是熔盐系统、空气系统和饱和蒸汽系统。本文针对这三种系统所采用的吸热器技术进行了系统的介绍和分析。

1熔盐吸热器技术

熔盐吸热传热系统最早应用于美国的MSEE/CatB试验电站(1983年建成)。以熔盐为吸热器工作介质的优点主要有:系统无压运行,安全性提高;传热工质在整个吸热、传热循环中无相变,且熔盐热容大,吸热器可承受较高的热流密度,从而使吸热器可做得更紧凑,减少制造成本,降低热损;由于熔盐本身是很好的蓄热材料,因而整个太阳能热力系统的传热、蓄热可共用同一工质,使系统极大的简化[6—8]。但熔盐在高温时有分解和腐蚀问题,需要需要采取一定的措施加以抑制[9—11]。典型的熔盐系统应用于著名的SolarTwo试验电站。正在建设中的SolarTres试验电站也使用了熔盐系统[12]。

SolarTwo试验电站额定发电功率10MW,蓄热容量114MW·h,可在太阳落山后满负荷运行3小时。该项目的主要目标有三个:1)证实熔盐技术的可行性;2)进一步降低塔式热发电的技术和经济风险;3)促进塔式热发电技术商业化[3]。SolarTwo试验电站于1996年2月28日投入运行,成功完成各项试验任务后于1999年4月8日关闭。SolarTwo试验电站系统示意图见图1。SolarTwo熔盐系统主要由吸热器、蓄热罐及蒸汽发电三大部分构成。

1.1 熔盐吸热器的构造

Solar Two熔盐吸热器为一外圆柱面形管板式吸热器。如图2。在吸热器圆柱面上共布置了24块管板,每块管板有32根吸热管;吸热管外径20.06 mm,壁厚1.2 mm;吸热管外表面涂有坚固的Pyromark涂料,可吸收95%的即时太阳辐射。整个吸热器高6.2 m,直径5.1 m。该吸热器在平均太阳辐射能流密度为430 kW/m2时,额定吸收功率为42 MW[13]。

在实际运行中,熔盐吸热器需经受以下三方面的考验:1)吸热器需经受峰值为850 kW/m2的辐射热流密度,这将在其吸热管内形成很高的温度梯度,造成吸热管的膨胀及塑性变形;2)由于云的突然遮挡及系统每天的启动等,将使吸热管在30年的预期寿命期内约经受36 000次速度达2.8 ℃/S的温度变化;3)在夜间因冷凝而引起的氯化物腐蚀开裂。因此,吸热管必须选择优质不锈钢。针对这些问题,Solar Two采用了316H不锈钢,实际运行表明Solar Two的吸热器经受住了考验[14]。

在建的Solar Tres 电站对吸热器提出了更高的要求。Solar Tres采用了高镍合金,可抵挡氯化物腐蚀问题,并可承受1.5 MW/m2的辐射热流密度。由于热流密度的提高,使吸热器可做得相对更小,减少对流及辐射损失,可提高热效率约3%。

1.2 熔盐吸热器的液流回路

在正常工作时,熔盐流体分两路从正北方向进入吸热器。如图3。一路向西流经W1至W6管板后横穿至东侧的E7管板,再沿东南侧各管板流至正南侧,经E12管板流出吸热器。另一路向东流经W1至W6管板后横穿至西侧的W7管板,再沿西南侧各管板流至正南侧,经W12管板流出吸热器。在同一回路中,相邻两管板间沿图3所示的蛇形方向流动。这种东西交叉的回路设计可实现两路流体吸热量基本平衡,同时可使熔盐流体在吸热器中充分吸热,以确保熔盐在流出吸热器时顺利达到所设计的温度[15]。

1.3 熔盐吸热器的出口温度控制

熔盐流体进入吸热器时的温度为290℃,流出时温度为565℃。在实际运行中,由于云的遮挡,投射到吸热器的能流密度会急剧下降,为确保吸热器出口熔盐温度恒定在565℃,Solar Two采用了改变熔盐流量的办法来控制熔盐出口温度。安装于熔盐管路上的流量控制阀根据投射到吸热器表面的热流密度、吸热管平均温度、吸热器出口温度等信号,按照设定的控制逻辑改变流量阀开度,实现对吸热器出口温度的控制[16]。与流量控制阀相对应,熔盐系统的循环动力由两台九级立式变量蜗轮泵提供[17,18]。

1.4 熔盐吸热器冷充与系统加热

由于熔盐的熔点较高(一般在230℃以上),要在太阳落山后使吸热器及管路保持高温以避免熔盐凝固需消耗大量能量。针对这一问题,Solar Two采用了在太阳落山后将熔盐回收至熔盐罐的办法来解决。相应的,放空并冷却下来的吸热器与管路在次日开机之前必须进行预热。对于管路,Solar Two采用了沿线加热的办法,即在熔盐管道上环绕一条电阻丝,并覆盖保温层,在系统冷启动时首先对管道进行加热,直至温度达到设计温度时再充入熔盐。对于吸热器,主要依靠定日镜系统来预热,既在系统冷启动前将部分反射镜对准吸热器,待其温度升至290℃后开始充入熔盐[19]。

2 空气吸热器技术

以空气作为塔式太阳能热发电系统的吸热与传热介质有以下优点:1)从大气来,到大气去;取之不尽,用之不绝;不污染环境;2)没有因相变带来的麻烦;3)允许很高的工作温度;4)易于运行和维护,启动快,无须附加的保温和冷启动加热系统[20]。由于以上优点,很多早期的塔式太阳能热发电系统采用了空气作为吸热与传热介质。

2.1 容积式空气吸热器

早期的容积式吸热器沿用了传统的吸热管结构,并在PSA(Plataforma Solar de Almería)进行了测试,所测试的金属管空气吸热器可在质量流量为2.45 kg/s时产生压力为0.95 MPa、出口温度为800℃的蒸汽。而另一种SiC陶瓷管吸热器则在质量流量为0.48 kg/s时产生压力为0.93 MPa、出口温度为1 000℃的蒸汽[1]。由于管式空气吸热器的能流密度太低,致使其一直没有在塔式太阳能热发电系统中应用。

在以空气为传热介质的塔式太阳能热发电系统中得到广泛应用的是容积式吸热器,其工作原理如图5所示。容积式吸热器利用其多孔结构吸收太阳辐射。吸收不是发生于吸热器表面,而是发生在吸热器的容积结构内。空气被强制通过吸热器,与多孔结构对流换热后被加热至高温。好的容积式吸热器具有良好的多孔性,可使太阳辐射深入多孔结构内部,产生所谓的容积效应(volumetric effect),即多孔结构无辐射侧的温度低于吸热介质出口温度。大量测试证明,容积式吸热器可产生1 000℃以上的高温空气,平均热流密度达400 kW/m2,峰值流密度达1 000 kW/m2[21,22]。

2.2 容积式开路空气吸热器

在以空气为吸热与传热介质的塔式太阳能热发电系统中,有开路(open loop)和闭路(closed loop)两种系统。容积式开路空气吸热器主要用于全太阳能发电系统;而闭路空气吸热器则常与化石燃料相结合,构成混合系统[23]。

2.2.1 容积式金属密网吸热器

早期的容积式开路吸热器的吸热体用金属密网编织而成,其典型代表为西班牙的TSA吸热器,如图6。

自1986年以来,PSA一直致力于容积式空气吸热器的研究。其TSA金属密网容积式吸热器于1993年开始在西班牙的CESA—1测试塔上运行,经历多次改进后,技术逐渐成熟。TSA吸热器功率为 2.7 MW,直径3.4 m,所吸热量的90%集中在直径为2.8 m的圆内。正常工作时出口空气温度680℃,进口空气温度110℃,回流空气比可达49%。最高温度不超过800℃。在额定工作温度下可长期运行[24,25,26,27]。

TSA金属密网吸热器虽然技术上已非常成熟,但由于使用了金属作为吸热体,工作温度受到限制,研究结果证明其工作温度不能超过800℃;另外,金属密网吸热器在大功率应用中遇到了技术困难[24,25,26,27]。

2.2.2 模块式蜂窝陶瓷吸热器

为解决金属网式吸热器的上述问题,PSA于2000年开始了新的研究计划,取名为SOLAIR计划。SOLAIR计划的目标就是要研制一种容积式空气吸热器,这种吸热器以SiC蜂窝陶瓷为吸热体,出口空气温度700℃,采用模块化结构,这种模块化结构可方便的任意组合成任意大小和形状的吸热器。如图7。实际上,陶瓷结构的使用进一步增强了吸热体耐久性;而模块化的杯状结构大大降低了吸热器的流动不稳定性;另外,SOLAIR吸热器还可将空气回流比提高到70%[26]。

2003年3月,功率为3 MW的SOLAIR—3000型模块吸热器替代TSA 吸热器被安装在CESA—1测试平台。测试工作一直延续至2004年7月,期间实际运行时间150小时,共进行188个实验。所测试的出口空气温度为600℃,650℃,700℃及750℃。图8为SOLAIR—3000容积式空气吸热器的实测效率曲线。由图8可看出,在吸热器的设计工况范围,即输出功率3 MW,出口温度720℃,入口热流密度370—520 kW/m2时,吸热器的效率为70%至75%之间,平均值为72%左右。在工作温度较低时(600℃左右),效率可达85%以上[26]。

2.3 容积式闭路空气吸热器

由于地球表面接受太阳能的不连续性及气候的变化,全太阳能热电站必须具备大容量蓄能系统才能保证电能的连续输出。这必然大大增加太阳能电站的技术风险和建设运行成本。针对这一问题,一种简单的解决办法是将太阳能系统与传统发电系统结合起来,构成联合循环系统。常用的联合循环是利用太阳能对燃气轮机燃烧室的进气进行预热。来自压缩机的空气流经太阳能吸热器后被加热,与燃料气体混合后进入燃气轮机燃烧室燃烧[1,23,28,29]。

利用太阳能对空气进行预热需使用一种容积式压力吸热器,或称为容积式闭路空气吸热器。针对这一技术设想,PSA于1999年启动了REFOS计划。REFOS计划的目的是要证实这种吸热器的技术可行性。其内容包括开发、建造、测试一种可与燃气轮机配套使用的模块化容积式压力吸热器。

目前REFOS吸热器的研制已基本完成。其模块化结构如图9所示。REFOS吸热器模块的设计工作压力为1.5 MPa,出口空气温度800℃,单个模块的吸热功率为350 kW[13]。

在REFOS吸热器模块中,其前端设置了一个六棱锥面型的二次聚焦器,用于对来自定日镜场的聚焦太阳光进行再次聚焦,以增强吸热器的能流密度,提高工作温度。二次聚焦器的六棱锥结构使模块的组合非常方便。

经过二次聚焦的太阳光穿过一个拱形的窗口后进入陶瓷吸热体,将里面的压力空气加热。拱形窗由石英材料制成。由于石英拱形窗的尺寸不能做得太大,这使单个模块的功率受到限制。进入吸热器的低温压力空气经环行通道来到吸热体与拱形窗间的环行空间,与吸热体对流换热后经由出口流出吸热器。实际测试表明,REFOS吸热器模块的效率可达80%[30]。

根据文献[1]的分析,一个带太阳能空气预热的30 MW联合循环电站的发电成本可降至每度电0.082 美圆,这是非常具有商业竞争力的。

2.4 空气吸热器的内在局限性及发展方向

由于始终存在流动不均匀及局部过热与失效问题,容积式吸热器的研究开发始终未能取得实质性的进展,相关应用也受到很大局限。大量的试验研究[4,31,32,33,34,35,36]证明容积式开路空气吸热器的出口温度很难大于1 000 ℃。其平均出口空气温度通常是 600 ℃—800 ℃。容积式闭路空气吸热器可实现更高的温度,最高出口空气温度可达1 300 ℃[37]。但是,高温闭路空气吸热器的结构通常都非常复杂,不再具有空气吸热器结构简单的优点。

Kribus等[38]将这些问题归结为容积吸热器的内在局限性,认为吸热体的局部过热是由吸热器气流不稳定引起的。为进一步了解气流不稳定对局部过热的影响,以及这种不稳定流是如何被径向传热抑制,Pitz-paal[39] 等建立了一个准三维分析模型。这一模型同时也能帮助我们了解非均匀辐射对吸热器效率及温度分布的影响。

为提高工作温度,空气吸热器的吸热体广泛采用了各类多孔陶瓷材料。以多孔陶瓷为吸热体是目前空气吸热器研究发展的主要方向。Thomas Fend等[40]通过对多种吸热体材料的试验及模拟研究认为,最可靠的吸热体材料是发泡陶瓷和陶瓷纤维,因为这些材料具有大的特征面积和较好的压降特性。

3 水/蒸汽吸热器技术

水/蒸汽式吸热器实质上就是一个由聚焦太阳能加热的蒸汽发生器或锅炉。产生的高压蒸汽直接推动气轮机发电。以水作为吸热器的传热介质具有其它工质难以替代的优点。水的热导率高,无毒,无腐蚀,易于输运等优点使其在太阳能热发电站中得到了广泛的应用。

由于应用了成熟的蒸汽发生技术,这种吸热器在技术上未遇到特殊的困难,并很快得到应用。20世纪80年代美国的Solar One和西班牙的CESA—1[41]试验电站,以及世界上第一座塔式太阳能商业电站,由西班牙Solucar公司建造、并于2007年初投入商业运行的11 MWe 的PS10电站都采用了水/蒸汽式吸热器[42]。正在建设中的我国第一个塔式太阳能试验电站也计划采用这种吸热器[43,44,45]。

水/蒸汽吸热器的主要技术难点是:水/蒸汽在高温时有高压问题;工作介质在吸热过程种存在两相流问题;蒸汽的热容很小,蒸汽段管路易发生过热烧蚀。因此在实际使用时系统温度和压力不能太高,例如Solar One吸热器的出口温度为510℃[1,46,47],而PS10的则为250℃[42,48]。

4 复合吸热器

为更好的发挥空气吸热器和水/蒸汽吸热器的优点,克服这两种吸热器的缺点,以更好的适应塔式太阳能热发电的需求,Reiner Buck和Markus Eck等提出了复合吸热器的概念[49,50]。其结构及系统布置如图10和图11所示。在这种复合吸热器种,管式水/蒸汽吸热器主要用于产生蒸汽,空气吸热器产生的高温气体对蒸汽进行二次加热,使蒸汽过热并驱动汽轮机发电。由于蒸汽的过热是由高温空气来加热,加热过程易于控制,系统运行更稳定。因此,这种吸热器应具有较好的应用前景。

5 结束语

吸热器是太阳能热发电系统中太阳能转化为热能的核心部件。根据传热介质的不同,吸热器的结构、工作参数及热效率各不相同。经过各国几十年的研究,吸热器技术已得到很大的发展。今后的研究方向主要是进一步提高吸热器的能流密度、工作温度、热能转换效率和系统的工作稳定性。

在商业应用前景方面,以熔盐为传热介质的圆柱形吸热器效率高、功率大、技术风险低,系统易于实现大容量蓄热,可实现连续、稳定发电,最适用于全太阳能热发电系统;以空气或水/蒸汽为工作介质的系统虽然也可以实现全太阳能发电,但由于其蓄热技术仍不成熟,难于实现连续发电。不过,经太阳能加热的空气或蒸汽与传统热发电系统相结合,构成的太阳能-化石能混合能源联合循环系统可大大降低发电成本,具有巨大的商业应用前景。

我国是较早开展太阳能热利用研究及应用的国家,在太阳能热水、太阳能建筑、太阳能制冷与空调,以及太阳能海水淡化等领域都已有较深入的研究和广泛的应用。在太阳能热发电应用研究方面,直到“十五”期间才开始实质性的应用研究,至目前为止,已在碟式和槽式热发电技术方面取得较大进展。但在塔式太阳能热发电的应用研究方面目前仍处于起步阶段。随着发展太阳能热发电技术列入《国家中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》,以及容量为1 MWe的太阳能塔式实验电站列入“十一五”国家863计划重点示范项目,我国在太阳能热发电技术方面的研究与应用必将取得快速的发展。

摘要：近年来,塔式太阳能热发电技术得到了迅猛发展,大量实验和运行数据充分证明了其技术可行性和商业应用前景。文中较系统的回顾了塔式太阳能热发电系统吸热器技术的发展历程及现状,对应用较为广泛的熔盐吸热器、空气吸热器及水/蒸汽吸热器作了详细的分析,并展望了我国开展塔式太阳能热发电应用研究的发展方向。

太阳能热发电技术 篇5

1 熔融盐储热技术的基本原理

热能储存的方式主要有显热储热、潜热储热和化学反应热3种方式。其中显热储热只是材料自身发生温度变化;潜热储热即相变储热,材料在相变过程中吸收或者放出热量;化学反应热是材料相接触发生的可逆反应,在反应过程中储存热量。熔融盐储热属于潜热储热。人们通常将熔融的无机化合物叫作熔融盐或者简称为熔盐,熔融盐和其他溶液一样也是一种溶剂,与其他溶剂相比,熔融盐不含水,熔化时解离为正负离子,由于库仑力的相互作用,所以可以在高温下作为反应介质。在光照充足的情况下,热盐罐通过盐回路储存吸热器吸收的太阳能;在用电负荷需求大于实际发电量时,热盐罐中的高温熔盐由泵抽出,通过蒸汽发生器产生热蒸汽推动汽轮发电机发电,释放热后的熔融盐再由盐回路流入冷盐罐,从而形成循环。通过热-功-电这种能量转换的方式来实现电力生产将会在今后发挥越来越重要的作用。

2 熔融盐的分类与特性

在太阳能热发电储热系统中,当前国内外主要用到的储热材料有高温储热混凝土、熔融盐以及相变金属。熔盐和其他两种储热材料相比具有良好的导热性,广泛的使用温度,较高的热稳定性、蓄热密度,低的蒸汽压、黏度,低廉的价格。常见的熔盐由各种无机盐相变储热材料以及金属及合金相变材料组成。

2.1 碳酸盐

碳酸盐的价格便宜,相变过程中储热能力大,密度以及比热大,且具有小的腐蚀性,是很有潜力的相变储热材料。K2CO3是无色晶体,熔点是891℃;Na2CO3是白色粉末,熔点是854℃。这两种碳酸盐价格便宜,同时热稳定性较好,是经常选择的碳酸盐材料,按不同比例混合碳酸盐可以得到不同熔点的混合物。虽然碳酸盐有各种优势,但是碳酸盐的熔点较高,在液态时的粘度也相对较大,部分碳酸盐受热容易分解,制约了其使用范围。

2.2 氟盐

氟盐一般是一些金属氟化物的非含水盐,其优点是粘度小、熔融热大、和金属材料的相容性好,属于高温型储热材料,在工业高温余热的回收中有一定用途。但其导热率不高,相变时体积收缩率较大,易出现“热松脱”和“热斑”现象。

2.3 硝酸盐

硝酸盐普遍价格比较低,且其对载盐材料腐蚀性小,小于500℃时一般不容易分解。但其和氟盐一样传热能力不高,此外,熔融热相对较小、使用温度低等也是其缺点。

2.4 氯盐

氯盐的价格一般都很低,种类多,可根据使用要求制成熔点不一样的混合氯盐,而且使用温度范围宽,然而氯盐的强腐蚀性限制了其应用。

2.5 二元盐和三元盐

在熔融盐的实际应用中,除了使用以上单一的熔盐作为储热材料外,将各种不同的熔盐按照不同比例混合形成混合熔盐,可获得不同熔点以及使用温度的储热材料。例如Alexander等[2]将NaNO3和KNO3按6:4的质量比混合后制成二元熔融盐,该混合熔盐在454.4℃以下具有好的热稳定性。进一步将KNO3、NaNO3、NaNO2按照5.3:4:0.7混合制成三元熔融盐后,其上限使用温度是450℃。廖敏[3]采用静态熔融法制备了NaCO3-K2CO3混合二元熔盐,其熔点分别是854℃和891℃,混合熔盐最低共熔温度是710℃,在其中添加KC1、NaCl、Li2CO3后进一步降低了混合熔盐的熔点。

3 复合熔融盐储热材料

研究人员在研究过程中发现,为了解决相变储热材料热物理学性能以及在运输、储存过程中的问题,可加入膨胀石墨、金属、陶瓷等制成高定型的相变复合材料。

3.1 熔融盐-膨胀石墨复合材料

膨胀石墨是一种新型碳素材料,遇高温体积瞬间可膨胀150～300倍,膨胀石墨有良好的导热系数,室温下其导热系数为300 W/(m·K)。彭国伟[3]用化学氧化的方法制得膨胀石墨,并加入到硝酸钠、硝酸钾混合熔融盐中,在相同成型压力、不同石墨含量的情况下,测得膨胀石墨的加入降低了复合熔盐的相变潜热。张钦真[4]以膨胀石墨/石蜡复合相变材料为研究对象,测得制备复合相变储热材料的膨胀石墨含量不应大于5%,且添加膨胀石墨对相变点的影响小。王淑萍以膨胀石墨作吸附基质,癸二酸、RT100为相变材料,通过对相变材料的微观形貌及热特性进行表征,发现两种膨胀石墨基复合相变材料均具有良好的结构稳定性、化学稳定性以及热稳定性,是中高温太阳能集热系统的理想相变材料。

3.2 熔融盐-金属基复合材料

与一些非金属材料相比,金属相变储热材料储热能力强,体积收缩率小,传导热能力强,同时腐蚀性较小,是高温储热的理想材料。祁先进等[5]将泡沫镍与K2CO3、Li2CO3、Na2CO3、LiOH和NaOH等熔盐复合得到一种新型复合蓄热材料,通过测试表明,制得的复合熔盐的复合温度和使用温度高于一般熔盐30～150℃,该复合熔盐具有高的导热系数和储热密度。章磊[6]等将铝基盐SAL与硫酸镁按摩尔比1:1混合制备了不同比例的硫酸铵与铝基镁盐混合物,实验结果显示,当硫酸铵添加剂和水的质量百分比分别是16.8%和15.9%时,混合熔盐储热能力最好,其相变温度是69℃,相变潜热为206.2 J/g。

3.3 熔融盐-陶瓷基复合材料

无机盐/陶瓷复合储能材料作为高温储能材料的研究方向之一,是在20世纪80年代被人们提出来的,这种相变材料主要由多孔陶瓷基体和分布在基体微孔网络中的无机盐复合而成。马杰等[7]以多孔氮化硅陶瓷为基体材料,采用熔融浸渗法制备了石蜡、硬脂酸、赤蓟糖醇和甘露醇4种高潜热相变材料,通过热稳定性分析得出4种复合相变材料的相变温度分别是:180～350℃,140～260℃,170～291℃,250～360℃。师欢等[8]采用乳化法和反乳化法制得结构简单稳定的石蜡/SiO2微胶囊相变储热材料,测得其熔化潜热分别是78.73 J/g和101.98 J/g。李爱菊等[9,10,11]采用混合-烧结法制备出Na2SO4/SiO2新型无机盐/陶瓷复合储能材料,通过讨论原料配比、成型压力、烧结时间和烧结温度等因素,摸索出了最佳制备工艺并进行了相关性能测试。

4 总结与展望

当今世界各国在能源使用上都面临安全和清洁两大问题,普遍采取的措施是不断加大可再生能源使用比例,逐步缩减煤炭和石化能源的占比。但是,多数可再生能源都有不连续、不稳定等问题,所以要保证电网输出平稳,满足基本负荷需求,在电力能源结构中必须要有可以调峰的能量供给。目前,该类供给方式都有一定的局限性,只有太阳能热发电最安全、环保。储热系统作为太阳能热发电最核心的部分之一,所要面临的最大挑战是开发出能满足热性能、化学性能、物理性能要求的储热材料,除了单一的无机盐外,加入添加剂制得具有合适相变温度、较大相变潜热以及低凝固点的复合熔融盐储热材料将成为今后研究工作的重点和难点。

参考文献

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[3]彭国伟.膨胀石墨-熔融盐复合定型相变储热材料制备与热性能的研究[D].甘肃:兰州理工大学,2012.

[4]张钦真.膨胀石墨/石蜡复合相变蓄热材料实验研究[D].内蒙古:内蒙古科技大学,2013.

[5]祁先进,王华,王胜林,等.金属基与熔融盐复合蓄热材料的制备与性能研究[J].热能工程,2005,34(1):8.

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[10]张仁元,柯秀芳,李爱菊.无机盐/陶瓷基复合储能材料的研究[J].材料研究学报,2000,14(6):12.

我国太阳能热发电产业政策解析 篇6

我国太阳能资源丰富, 西藏、青海、新疆、甘肃、宁夏、内蒙古等地属世界上太阳能资源富集地区, 太阳能利用也主要集中在上述地区。目前, 我国太阳能热发电产业处于试验示范向商业运行转化阶段, 也是产业化、规模化的关键时期, 官、产、学、研各界积极谋篇布局、蓄势待发。

1 政策回顾

太阳能热发电属于新兴产业, 研究它的法源、政策动态需追溯到节能环保、可再生能源、新能源等领域的立法与施政。

1.1 法律法规

“九五”后期, 我们国家开始加强节能环保领域的立法。1995年《中华人民共和国电力法》、2000年《中华人民共和国大气污染防治法》、2002年《中华人民共和国清洁生产促进法》 (2012年修正) 、2007年《中华人民共和国节约能源法》, 2008年的《中华人民共和国循环经济促进法》等都涉及到能源的发展问题。当然, 最重要的当属《中华人民共和国可再生能源法》。

《中华人民共和国可再生能源法》于2005年2月28日由全国人大常委会通过, 2006年开始施行, 2009年人大常委会对该法进行了修改, 也反映了国家对该项工作的重视。

修改后的《可再生能源法》形成了五项新的可再生能源法律制度:总量目标制度、保障性收购制度、分类电价制度、费用补偿制度和可再生能源发展基金制度。新法力求逐步解决可再生能源的资金、市场、入网、电价问题等。

为了有效推进《可再生能源法》的执行, 相关部门又先后出台了一系列配套规章制度。如国家发展与改革委员会先后于2005年11月发布了《可再生能源产业发展指导目录》;2006年1月发布了《可再生能源发电价格和费用分摊管理试行办法》、《可再生能源发电有关管理规定》、《关于2006年度可再生能源电价补贴和配额交易方案的通知》;2007年颁布了《可再生能源电价附加收入调配暂行办法》、《可再生能源发展专项资金管理暂行办法》、《节能发电调度办法》等。

随着2009年战略性新兴产业的提出, 新能源更多地出现在官方的文件中。中华人民共和国国务院于2012年10月公布了《中国的能源政策 (2012) 》, 提出大力发展新能源和可再生能源, “在青海、新疆、甘肃、内蒙古等太阳能资源丰富、具有荒漠和闲散土地资源的地区, 以增加当地电力供应为目的, 建设大型并网光伏电站和太阳能热发电项目。”

上述立法对外彰显了我国政府保护环境、减少温室气体排放的意志与决心, 同时也有效推动了我国新能源技术与产业的发展。

1.2 战略规划

“十一五”开始, 国家发改委、科技部开始制定专门的能源发展规划, 大力促进发展太阳能热发电产业。详见表1。

器件方向建立太阳能槽式集热发电技术研究与示范;系统方向建立1万千瓦级太阳能塔式热发电技术研究与示范;建立分布式太阳能热发电技术, 并进行实证性试验与示范。具备10万千瓦级电站的设计和成套装备供应能力;无储热电站装机成本为1.6万元/k W;带8小时储热成本为2.2万元/k W, 上网电价低于0.9元/k Wh。

能源发展的专项规划以及产业发展的引导类政策, 对于规划整个产业发展、指导资本等资源的集中和流向, 增强投资者的信心发挥了一定的作用。

2 科研与示范

2.1 研发支持

早在“八五”期间, 科技部就开始对太阳能热发电关键部件在技术上给予研发支持。在“十五”期间, 中国科学院电工研究所、工程热物理所等科研机构和皇明太阳能集团公司、北京中航空港通用设备有限公司、新疆新能源公司、南京春辉科技实业有限公司等企业, 开始加大对光热发电技术的研究。

“十一五”期间, 国家863计划中安排了“太阳能热发电技术及系统示范”重点项目, 启动了1MW (0.1万千瓦) 塔式太阳能热发电技术研究及系统示范。国家973计划立项支持“高效规模化太阳能热发电的基础研究”项目。

“十二五”期间, 国家863计划在能源领域设立4个重点专项和6个优先主题, 其中, 太阳能发电专项重点支持的包括太阳能热发电技术、光伏/光热混合供能技术 (PV/T) 等。太阳能槽式集热发电技术, 分布式太阳能热发电技术等是2012年度主要任务。太阳能储热技术研究与规模化应用入选2012年国家科技支撑计划。

2.2 示范运行

在财政资金的大力支持与企业积极运作下, 我国太阳能热发电产业处于试验示范向商业运行转化阶段, 也是产业化、规模化的关键时期。

科技和研发支持, 对于在太阳能热发电领域突破核心技术, 进行系统示范方面发挥了巨大的作用。

3 引导与鼓励

为了引导我国太阳能产业发展, 国家不仅在法律制度、宏观规划、关键技术研发、产业布局、结构调整方面出台具体文件, 同时在资金扶持、税收减免、政府采购方面等财税政策上加以引导。

1998年, 国务院批准的《当前国家重点鼓励发展的产业、产品和技术目录》和《外商投资产业指导目录》, 把可再生能源的太阳能、地热能、海洋能、垃圾发电、生物质能发电和大型风力机都列入了鼓励发展的产业和产品中。

2011年5月国家发改委下发了《产业结构调整指导录 (2011年本) 》中新增的新能源门类中, 太阳能光热发电被放在突出位置。入选鼓励类产业, 一方面对投资者是一种信息导向, 另一方面凡符合国家产业结构调整目录中鼓励发展的产业和技术方向, 都会获得国家在财政补贴、技术研发等方面的政策和资金支持。

2013年2月国家发改委公布了《战略性新兴产业重点产品和服务指导目录》。该目录细化了战略性新兴产业的具体内涵, 有利于各部门、各地区以此为依据, 开展培育发展战略性新兴产业工作, 也有利于引导社会资源投向。《目录》涉及到了太阳能热发电行业数十项相关产品和装备、技术服务, 再度表明国家在积极引导光热发电产业的健康发展。

4 发展建议

通过之前的分析介绍, 不难看到, 目前我国针对太阳能热发电的产业政策主要集中在政府的规划引导以及研发支持, 在也是当前国际太阳能热发电产业得以发展的经验总结, 例如西班牙和美国, 政府都在政策上给予了有力的支持。西班牙依赖于FIT (Feed-inTariff) 优惠上网电价政策的推动, 而美国则更多地是基于其针对各个光热发电项目提供的优惠贷款担保政策以及可再生能源发电配额等政策。虽然在支持过程中会出现这样那样的问题, 但是对于产业迈出第一步来说, 政府的扶持是至关重要的。

太阳能热发电属于新兴产业, 具有技术、知识含量高, 成长性好, 产业融合性强, 带动面广等特点, 同时投入高、风险大, 所以需要政府从顶层进行规划、设计、引导、扶持。

在研发阶段, 财政资金要有意识地引导关键、共性技术攻关, 鼓励本国机构掌握太阳能热发电核心技术, 加大研发力度, 提早进行专利布局, 为将来走出去开拓国际市场奠定法律基础, 避免重蹈太阳能光伏产品覆辙。

产业布局上, 严格准入门槛, 防止将太阳能热发电这个新兴、节能产业搞成污染、甚至环境破坏产业;严格土地审批, 严防地方政府、企业变相开发, 圈地自肥。鼓励行业自行制定标准, 加强自律, 切忌盲目上马, 无序发展。

在产业结构调整上, 鼓励能源企业加大太阳能热发电开发投入, 以低碳电有计划地代替传统电, 这样可以避免大量上马造成产能过剩, 同时降低压缩传统产能带来的阻力。

在产品市场、消费上予以补贴。入网电价是太阳能热发电行业发展最大的瓶颈所在, 可以通过对传统发电企业课税的办法对太阳能热发电予以补贴, 一方面可以促进现有电力企业转型升级, 又不会增加额外的财政负担。

摘要：新兴产业的发展, 离不开国家政策的引导和保障。文章从法律法规、专项规划、科研支持、市场引导等方面对目前我国太阳能热发电产业的政策进行分析总结, 便于了解当前太阳能热发电产业的政策现状, 把握产业的发展趋势。

关键词：太阳能热发电,产业竞争情报,政策研究

参考文献

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太阳能热发电技术 篇7

塔式太阳能热发电站利用定日镜场将低能流密度的太阳辐射汇聚到位于塔顶的吸热器完成聚光，吸热器中吸热工质被加热后通过换热过程间接或直接推动汽轮发电机组发电，其在电站规模、发电品质、发电效率、连续发电及储能能力等方面具有独特的优越性[1,2,3,4]。

目前，困扰太阳能热发电产业发展的主要原因是其较高的发电成本。降低太阳能热发电成本的途径及其成本下降潜力一直是国内外探讨的热点问题。根据国际可再生能源机构报告，塔式太阳能热发电成本电价约为1.36～2.32元/（kW·h)[5]。国外研究机构一般利用计量法和因素法对太阳能热发电站成本电价进行分析和预测。计量法的假设条件是成本结构不发生变化且成本影响因素的变化规律保持不变，不适用于预测较长时间周期内的成本趋势。国内研究机构目前尚没有针对塔式太阳能热发电站的成本电价分析实例。塔式太阳能热发电成本电价与电站建造成本、运营维护成本、年发电量、财务成本、税金等因素有关，这些因素具有独立的变化性，同时也相互影响。

为了促进中国太阳能热发电产业发展并为塔式太阳能热发电经济性评估提供思路和依据，本文建立了基于塔式太阳能热发电系统全寿命周期的发电成本模型，综合采用因素法和占比法分析塔式太阳能电站建造成本、发电量及运营维护成本这三要素，并分析各项驱动因素作用下，中国太阳能热发电的成本电价趋势和最终下降预期。

中国太阳能热发电项目的上网电价尚未确定，而塔式太阳能热发电成本电价趋势是制定太阳能热发电电价政策的重要考量因素，因此，本文研究为中国太阳能热发电产业发展及太阳能热发电政策制定提供了参考和建议。本文所建立的分析框架及成本分解分析方法同样适于太阳能发电其他技术路线。

1 塔式太阳能热发电站成本构成

1.1 塔式太阳能热发电站建造成本的构成及比例

按照常规的造价分析方法，太阳能热发电站建造成本主要分设备费、安装费和土建费三部分。为方便细化分析，以50MW电站为例，按系统功能将其分为太阳岛成本、热力发电岛成本、储热系统成本、场地准备费、电站配套及基础设施费、间接费用，占比分别为61%,15%,17%,3%,3%和1%。太阳岛主要包括聚光系统和吸热系统。热力发电岛主要包括热力系统及辅机设备、水循环、水处理系统、换热设备、热工控制系统、电气系统、电网接入系统及仪表阀门管路等。

对于具有一定规模的塔式太阳能热发电站（10MW以上），太阳岛成本占电站建造成本的55%以上。随着塔式太阳能热发电站装机容量增加，太阳岛成本所占的比例也越来越高（装机容量为300MW,600 MW时，太阳岛成本所占的比例分别可达到68%和70%）。

1.2 太阳岛成本的构成及比例

太阳岛是塔式太阳能热发电站完成光—热能量转换的系统，其成本可以用单位热功率（吸热器输出热功率）造价描述，目前中国塔式太阳能热发电站的太阳岛造价为3 600～4 000元/kW。其中定日镜成本约占太阳岛成本的75%，镜场控制系统成本占10%，吸热器成本占6%，吸热塔成本占9%。随着电站规模变大，定日镜数量相应增加，太阳岛成本构成中定日镜的占比也会增加（吸热器输出热功率为30,150,500,1 500MW时，定日镜成本在太阳岛中的占比依次为75%,80%,83%,85%）。

2 全寿命周期成本电价模型

2.1 全寿命周期成本电价模型建立

太阳能热发电站成本电价是指电站运营期内收入和成本相等时的上网电价。电站的收入即为上网电价与上网发电量的乘积，电站的成本由固定资产折旧、运营维护成本、财务费用及税费等组成。全寿命周期成本电价模型是基于全寿命周期电站成本分析法建立的模型，全寿命周期成本是在电站寿命期内发生的直接、间接及其他有关费用的总和。

该模型从电站的全寿命周期去考虑成本问题，即不仅考虑电站的初始投资，也考虑电站整个周期的支持成本，包括运营、维修、折旧等。采取的方法是通过建立公共的假设和参数，将全寿命周期的成本折现为现值。根据上述成本电价影响因素建立全寿命周期太阳能热发电成本模型如图1所示。图中，DNI表示太阳直射辐射量。

模型包括了影响成本电价的最重要的3个基础因素：建设成本计算模块、运营维护成本计算模块和发电量计算模块。同时，在3个基础模块计算基础上，各模块之间以输入输出形式进行关联，综合装机容量、储热时间、容量因子等因素，计算发电成本。在其他因素固定不变的条件下，通过调整建设成本和运营维护成本的变化值可以分别对2个构成部分进行成本灵敏性分析。由于财务费用及税费属于较为固定的模块，因此模型中不涉及此部分。成本电价公式为[5,6]:

式中：It为第t年的电站建造成本；Mt为第t年的运营维护成本；Et为第t年的发电量；r为资金折现率；n为电站运营期。

以Solar Tres项目为例[7]，该电站投资成本原始数据见附录A表A1，通过全寿命周期模型进行计算，其成本电价为1.53元/（kW·h），与原始数据偏差小于1%。

2.2 建造成本发展趋势

太阳能热发电站建造成本占比最大的部分是定日镜，因此，其成本变化对太阳能热发电站造价及成本电价有很大的影响。定日镜由反射镜、镜架、动力设备、控制器及基座组成，各部分的造价构成比例依次为9%,9%,61%,6%和15%。从设备的制造成本构成角度，定日镜成本分为材料成本、加工成本和运输成本三部分。其中材料成本约占50%，加工成本约占40%，运输安装土建成本约占10%。

材料成本方面，定日镜向着材料更少、更轻便的方向发展。反射镜方面，目前镜面厚度一般为4mm，镜面厚度的减少可以使反射镜反射率提高并降低反射镜原片材料成本，同时镜面重量的减轻也使对镜架、动力设备及基座的要求降低。采用如0.95mm厚度的玻璃或其他材质的反射镜材料可以使反射镜材料成本降低50%，预计反射镜材料成本可降到60元/m2。镜架的材质主要是钢材，为了保证镜面的刚性，镜面支撑需要的镜架用钢量至少约为7.5kg/m2，折合成本约50元/m2。动力设备主要包括传动机构和电机，性能指标主要依据定日镜的重量、风抗强度等因素确定。根据目前常用的涡轮蜗杆、丝杆、液压等传动形式，动力设备材料成本约为250～500元/m2。定日镜控制器成本与定日镜面积关联不大，约为150元/台，对于15m2以上的定日镜平摊成本小于10元/m2。定日镜基座由钢材或水泥构成，基座的成本与定日镜重量及抗风强度相关，约为90元/m2。综合各部件材料成本，定日镜材料部分成本预期为460元/m2。

加工成本方面，随着制造工艺的成熟及批量制造带来的规模化效应，定日镜零部件的加工成本将有较大的降幅。定日镜加工费包括镜架的加工费和动力设备加工费两项。加工过程包括焊接、成型等工艺，费用涵盖了设备、模具、场地、水电等公摊成本，人工成本及管理成本。当太阳能热发电站形成规模效应后，批量制造成本优势显现，加工费中的公摊成本和管理成本因高产能被大幅平摊。根据规模效应推动制造成本下降的通用分析方法[7,8]，产能为50,500,1 000MW/a时，定日镜的加工费用依次为560,330,110元/m2。镜架加工费成本预计可从目前的70元/m2降为15元/m2，动力设备加工费可从目前的490元/m2降为95元/m2。

定日镜运输安装土建方面，目前国内尚未形成常态化的标准规范，以中国青海地区为例，运输费约为80元/m2，安装及土建费约为60元/m2。当太阳能热发电站形成规模效应后，将带动中国中西部地区相关制造业发展。本地化的制造将大幅降低定日镜零部件的运输成本，预计可降为30元/m2。同时，随着太阳能热发电规模化后定日镜安装土建的作业标准形成，相关费用预计可降为50元/m2。预计未来定日镜的运输安装土建成本为80元/m2。

综上所述，定日镜成本下降的动力因素主要有：(1)规模效应带来的加工费用和运输费用降低；(2)更轻便定日镜的设计降低相关材料费用；(3)动力设备的优化设计降低该部件成本。预计当规模达到2GW/a时，定日镜成本可降为650元/m2，预期降幅在55%以上。

镜场控制系统包括硬件和软件两部分，其中硬件的制造成本构成比例和定日镜类似，因此，规模效应将带来约50%的成本下降。镜场控制系统综合成本可下降约40%。吸热器的制造成本中，材料和运输安装土建比例占80%，加工成本约占20%，因此，规模效应仅能为其带来10%～20%的成本下降。

综合太阳岛各系统的成本预期及占比，随着太阳能热发电规模效应的显现，太阳岛单位热功率成本将从目前的3 600～4 000元/kW降到1 800元/kW之内，降幅约为50%。

塔式太阳能热发电站的造价除了太阳岛成本外，还包括热力发电岛成本、储热系统成本等。热力发电岛和场地、基础设施等建造成本可参考燃煤电站相关系统进行估算。燃煤电站的造价随着机组增大而降低，对于小机组燃煤电站，目前造价一般在6 000元/kW左右，对于300 MW及以上的中大型机组燃煤电站，造价可降为3 000～4 000元/kW[9]。单机容量大规模化是目前全球太阳能热发电站的发展趋势，但国际上目前还没有单机容量300 MW以上的太阳能热发电站投运，单机容量的规模化还存在一定技术瓶颈，预计采用单机容量100 MW级太阳能热发电站的热力发电岛等造价约为3 000元/kW。

储热系统的成本与电站装机容量及储热时间有关。对于常见的熔盐储热系统，成本主要为熔盐、熔盐泵、储罐、换热器、电伴热、仪表阀门等设备费和材料费。国际上成功运营的塔式熔盐太阳能热发电站仅有几例，熔盐系统工艺仍有较大改善空间，其成本仍需参考成功运营的电站案例进行估算。

2.3 运营维护成本发展趋势

运营维护费用主要包括修理费、人员工资福利、材料费、水费及其他费用。目前，太阳能热发电站的修理费率依据火电站经验进行预估，每年为电站固定资产投资的2%。随着定日镜产能大幅提升，相关成熟设备的修理费预计可降为0.5%。人员工资方面可参考火电标准进行。项目材料费主要包括熔盐介质的日常补充及电站启动时的少量辅助燃料费用，约为30元/（MW·h）。项目综合耗水及其他费用也可参考火电标准，按20元/（MW·h）计算。

2.4 发电量发展趋势

影响上网净发电量的因素有光照条件（年DNI）、定日镜总采光面积、发电机组额定功率、太阳能光热转换效率、热电转换效率和厂用电率。其中，在未来有较大提升潜力的是太阳能光热转换效率。

太阳能光热转换效率是定日镜反射率、镜面清洁度、余弦效率、抗阴影遮挡率、大气透射率、吸热器截断效率和吸热器热效率的乘积。其中，余弦效率、抗阴影遮挡率、大气透射率这三者决定了镜场效率，它们和吸热器截断效率是与电站纬度、定日镜布局、聚光策略和能量设计相关的。镜场效率一般为65%～75%，吸热器截断效率一般为90%[10]。通过减小定日镜玻璃厚度，定日镜反射率可以由93%提升至96%以上。太阳能热发电站要维持高镜面清洁度需通过对定日镜的清洗实现，随着清洗自动化设备的成熟，平均镜面清洁度可由目前的90%水平提升至93%。吸热器效率受吸热器吸收率及散热损失影响，与吸热器表面涂层材质、表面温度及风速有关。目前投运的塔式太阳能热发电站吸热器效率为85%～95%，随着吸热器技术和工艺的提升，预计吸热器效率可普遍达到90%。综上，塔式太阳能热发电站预期的光电转换效率较目前水平可提升约12%。

3 算例分析

3.1 算例基本条件

以储热时间6～9h的太阳能热发电站为例，根据国外研究，太阳倍数取2～2.5时，电站的成本电价最低[5]。为简化计算，分别选取装机容量为50MW和300MW，储热6h，太阳倍数为2的太阳能热发电站为例进行建造成本估算，热电转换效率按照40%的基数进行计算。50MW和300MW塔式太阳能热发电站的热力发电岛和场地、配套、基础设施等建造成本分别约为2亿元和9亿元。50MW电站透平机组热功率为125MW，吸热器输出热功率为250MW，太阳岛建造成本为4.5亿元。300MW电站透平机组热功率为750 MW，吸热器输出热功率为1 500MW，太阳岛建造成本为27亿元。储热系统成本根据Gemasolar电站和Solar Two电站储热系统造价估算，50 MW电站为1.9亿元，300MW电站为7.5亿元，具体构成见附录A表A2。50MW和300MW储热6h太阳能热发电站预期建造成本分别为8.4亿元和43.5亿元。综上，塔式太阳能热发电站建造成本趋势见附录A图A1，其结论与ESTELA研究成果[5]基本一致。

发电量方面，50 MW和300 MW电站的太阳倍数为2、储热时长为6h，其容量因子理论推算约为0.4[11]。以德令哈地区实测年DNI达到2 000(kW·h）/m2为例，参照国内太阳能热发电站的容量因子，综合其太阳能热发转换效率的提升与太阳倍数的放大作用，预期50 MW和300 MW电站年利用小时数达到3 570h。考虑厂用电率，中大型机组的火电厂厂用电率约为6%。针对塔式太阳能热发电项目，根据目前已投运项目实测可知，太阳岛和熔盐储热系统的厂用电率均约为1%。因此，按照平均8%的厂用电进行估算，50 MW和300MW电站的净上网发电量分别为164GW·h和986GW·h。

运营维护费用方面，参考火电标准按照50MW电站定额50人，300 MW电站定额150人，工资按照人均6万元、福利费系数按工资总额的60%计。50MW和300 MW电站的运营维护费用总计约为0.2亿元/a及1.01亿元/a。

3.2 预期成本电价

电站运营期按照30a计，将目前火电项目通用的折现率8%代入式（1）可以计算得到50 MW和300 MW电站的预期含税成本电价为0.80元/（kW·h）和0.69元/（kW·h）。

参考光伏行业的增值税减半优惠政策以及西部大开发地区企业所得税的优惠政策，50 MW和300MW电站的预期成本电价仅为0.70元/（kW·h）和0.60元/（kW·h）。同时，储热太阳能热发电站具备调峰发电的能力，在承担调峰等任务时，其预期成本电价也因调峰在电网中发挥的效益可进一步降低。

3.3 成本电价下降动因分析

综上分析，塔式太阳能热发电站成本电价下降的主要动因有如下3条。首先，太阳能热发电站规模效应带来的产能扩大，是定日镜成本下降超过50%的主要动因，也是电站造价下降的主要因素。其次，太阳能热发电站单机装机容量的增加，使热力发电岛和储热系统的单位功率造价降低；同时，更大规模电站的蒸汽品质得到提升，使汽轮机效率提高从而减少定日镜数量，间接降低太阳岛成本。最后是技术和工艺的进步在降低成本和提升发电量方面所起的作用，包括采用更少的材料、性价比更高的传动方式、更高效率的吸热器工艺以及高自动化程度的清洗装备等。3条下降动因的总结见附录A表A3。

这3条动因分别对塔式太阳能热发电站成本电价的影响效力见附录A图A2。可知，产能的增加可以使50 MW太阳能热发电站成本电价从1.14元/（kW·h）下降到0.80元/（kW·h），降幅为30%。在单机规模方面，10 MW机组与50 MW机组的成本电价差距较大，当单机规模增加到300MW时相比50 MW机组成本电价下降14%。技术和工艺的进步可以使50 MW机组成本电价下降19%。可以看出，3个下降动因对塔式太阳能热发电成本电价下降的影响是比较接近的，其中产能规模效应起最为主要的作用。

4 结语

通过建立成本电价计算模型，本文提出了制造成本分解方法，系统性地逐一剖析塔式太阳能热发电站成本构成，分别对电站的建造成本、运营维护成本及发电量的趋势和预期进行了分析，探索了中国塔式太阳能热发电站全寿命周期成本电价分析模式和方法，明确了影响成本电价的3个主要动因：产能规模化效应、单机装机容量扩大及技术工艺进步。在产能规模化效应为主的推动下，在定日镜成本大幅下降的带动下，预测中国塔式太阳能热发电站成本电价可降到0.6～0.8元/（kW·h）的水平。同时太阳能热发电站作为具有调峰能力的清洁能源，有良好的环境效益，能够通过碳排放交易获取一定收益，并在贷款方面享受一定的财务优惠。因此，预计未来太阳能热发电站成本电价可与燃煤火电站的电价相当，具有广阔的应用前景和成长空间。

附录见本刊网络版（http：//www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx）。

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太阳能热发电技术 篇8

关键词：太阳能热发电,塔式,镜场系统

0 引言

太阳能光热发电技术是将太阳光能转换为热能从而加热蒸汽进行发电, 与光伏、风能、核能等新能源发电技术相比, 太阳能光热发电技术具有能源利用率高、安全可靠、清洁低碳的特点。在太阳能热发电技术领域中, 主要有塔式、槽式、蝶式、线性菲尼尔式4种太阳能光热发电形式。二次反射塔式太阳能光热发电技术是塔式太阳能光热发电的一种新型形式, 主要由二次反射镜场系统、传热系统、储热系统、蒸汽发生系统、动力岛5部分组成, 二次反射塔式太阳能热发电站的镜场系统主要由定日镜场和二次反射塔两部分组成。

1 镜场系统主要设备

1.1 定日镜

定日镜是二次反射塔式太阳能光热发电镜场系统中重要设备, 定日镜将太阳光资源聚焦到由二次反射塔支撑的二次反射镜上, 镜场系统由圆形或扇形排列的多个定日镜组成, 定日镜具有双轴跟踪太阳的能力。每个定日镜通过驱动装置按照太阳运行规律进行追踪太阳, 并最大化地将太阳能反射到二次反射塔支撑的二次反射镜的设定位置。

传统的定日镜上多是采用矩形镜面跟踪太阳的移动。每个定日镜通过独立的驱动装置, 对太阳进行二维转动追踪, 进而将太阳光能反射到吸热器上。而新型的定日镜采用了更先进的多轴联动二维旋转方式, 实现了每个电机同时控制多个镜面, 且有效降低了系统风抗。

1.2 二次反射塔

新型镜场系统的二次反射塔采用钢结构立柱支撑、离散化旋转双曲面反射镜方案。采用桁架结构设计, 可在保证结构强度的条件下有效减低风抗。反射镜的双曲面安装结构具有升降功能, 以便于离散化的反射镜安装与日常维护, 也可在恶劣天气来临时降至地面予以保护。

2 镜场系统设计

在二次反射塔式镜场的设计过程中, 首先考虑在各种追踪工况下定日镜自由动作的空间需求, 以免定日镜之间相互干涉。依据镜面反射原理, 为将太阳光反射到二次反射镜上, 定日镜镜面需要与入射光线存在一定角度。由于该角度会导致在镜面反射太阳光时产生一定的反射损失, 其大小与定日镜法线方向和太阳入射光线间夹角的余弦成正比, 称其为余弦损失。

二次反射塔式镜场系统由多个定日镜组成, 随着太阳运行轨迹的变化, 定日镜之间会遮挡住太阳光, 使其不能接受到太阳能辐射, 导致镜场系统的光资源损失, 称其为阴影损失。太阳光入射光线与电站水平面的角度越小, 则损失越大。传统塔式光热电站的吸热塔会造成较大的阴影损失, 而二次反射塔采用钢结构形式, 其造成的阴影损失远小于传统塔式电站的混凝土结构的吸热塔。

传统塔式光热电站吸热器设置在高塔上, 而二次反射塔式光热电站吸热器设置在反射镜下方, 位置在地表水平面以下, 与传统塔式对比减少了热损失, 提高了镜场整体集热效率。并且传统塔式中传热介质需要被输送到上百米高的吸热器中, 传热介质的输送功耗相对较大, 而二次反射塔式的吸热器位置设计则大大减小了传热介质的输送功耗, 进而提高了整个光热电站的效率。

3 镜场系统效率计算

镜场的大小主要根据光资源数据, 依据能量平衡的原则而设置。镜场投入到吸热器上能量估算方法:

式中:Ef为镜场投入到吸热器上的能量;Nm为定日镜数目;Sm为定日镜面积;ηf为镜场效率;ηcln为镜面洁净度;ηref为镜面反射率;ηr为吸热器截断效率。

吸热器上吸收的能量估算方法:Er=Ef·αr·ηth,

或者Er=Ef·αr-ES。

式中:Er为吸热器上吸收的能量;αr为吸热器的吸收率;ηth为吸热器的热效率;ES为吸热器的散热损失。

4 结论

太阳能热发电技术 篇9

太阳能热发电是大规模开发利用太阳能,缓解能源危机的重要途径。太阳辐射的一个明显特点是受昼夜和季节等规律性变化的影响以及阴晴云雨等随机因素的制约。为保证太阳能电站的全天候连续稳定运行,提高发电效率,降低发电成本,太阳能热发电系统中一般都会采用储热技术。储热技术应用的成功与否,首先取决于储热材料的选择。目前应用于太阳能热发电中的储热材料有熔融盐、水、导热油、岩石、耐高温混凝土和金属钠等。水和导热油在高温下蒸汽压很大,使用时需要特殊的压力阀等设备,导热油还容易引发火灾,而且价格较贵;砂石-油系统结构复杂,效率低;耐高温混凝土作为储热材料,对其内部换热管道要求很高;金属钠的熔点低,比热容小,热负荷高时温度波动大,而且高温下与空气接触易燃易爆,十分危险[1]。熔融盐虽然具有较高的使用温度(300～500℃)、低的蒸汽压和较大的热容量,但各种熔融盐在使用中存在的问题也十分突出,例如碳酸盐液态粘度大,易分解;氯盐对容器的腐蚀性很强;氟盐固-液相变体积收缩很大;硝酸盐熔解热较小,热导率低,使用中容易产生局部过热;锂盐和银盐价格昂贵[2]。与上述储热材料相比,金属特别是某些合金相变储热材料具有储热密度大、热循环稳定性好、导热系数高、性价比良好、不易燃、无毒等优点,在高温相变储热应用中具有极大的优势[3]。

常见的金属相变储热材料有铝,以及铝基、锗基、镁基、锌基和镍基合金,其中铝及铝基合金较为常用[4]。金属铝的相变潜热高达400 kJ/kg,但由于相变温度(661℃)较高,且熔融铝液具有很强的腐蚀性,难以找到合适的容器材料,因此金属铝作为储热材料的研究和应用都很少。铝基合金储热材料由于具有合适的相变温度,相对低的腐蚀性和较好的储热能力已成为目前最重要也是研究最多的金属相变储热材料,在太阳能热发电高温储热中具有较好的应用前景。

1 铝基合金储热材料的储热性能

良好、稳定的热物性能是选择储热材料的重要依据。相变储热材料的热物性能参数主要有相变温度、相变潜热、比热和导热系数,它们分别决定储热材料对热源的适用性、储热能力和热交换效率,而热物性能的稳定性则决定了储热材料的使用寿命。从20世纪80年代开始,国内外学者对各种铝基合金储热材料的储热性能进行了广泛研究。

1.1 铝基合金储热材料国外研究情况

国外对铝基合金储热材料的研究始于20世纪80年代初期,含有Al、Si、Cu、Mg、Zn等元素的各种二元和多元铝基合金的热物性能得到了广泛研究,为金属相变储热技术的应用提供了参考。

美国学者Birchenall等[5,6]基于实用性和储热密度,对含有Al、Si、Cu、Mg、Zn等元素的二元和多元合金的热物性能进行了计算和测试。在这些合金中,铝基合金不仅相变温度适中,而且相变潜热大,热导率高,在太阳能热发电储热(327～657℃)中最具应用前景。表1为部分铝基共晶合金的热物性能参数。

法国科学家Achard等[7]对Al-Mg合金(Al-35%Mg和Al-68%Mg)的热物性能及它们对304L钢和321钢)的液态腐蚀性进行了研究,结果表明Al-Mg合金是适宜450℃左右的储热材料,不足之处是液态腐蚀性较强。

俄罗斯科学家Cherneeva等[8]对Al-Si、Al-Cu、Al-Zn、Al-Ni、Al-Si-Cu、Al-Si-Mg-Cu等共晶合金以及Al-Si-Cu和Al-Si-Ni体系合金储热性能的研究表明,铝基合金储热容量最高达1600kJ/L,热导率高,并且稳定性良好,高温储热性能优于熔融盐。

Zhuze等[9]利用差式扫描量热(DSC)法对熔点在327～627℃的Al-Si、Al-Cu-Mg、Al-Si-Mg、Al-Si-Cu、Al-Si-Cu-Mg等共晶合金的熔化热进行了测量。结果表明,DSC法测量的熔化热与其它文献报道的数据偏差在1%～2%之间,与其它相变材料相比,合金的储热密度较大。

Bulychev等[10]对Al-Si合金储热材料的研究表明,较其它高温储热材料,熔点为577℃的Al-12%Si共晶合金,其相变潜热高达515kJ/kg,储热优势明显,不足之处是液态腐蚀性较强。

1.2 铝基合金储热材料的国内研究情况

基于Birchenall等对金属相变储热材料的报道,从20世纪80年代后期起,我国学者也开始了金属相变储热材料的制备和性能研究,但研究对象主要集中于少数二元和三元铝基合金,特别是对Al-Si和Al-Mg-Zn共晶合金的研究较多。黄志光等[11]分别对Si含量不同的Al-Si合金进行了研究,认为Al-Si合金兼具储热能力、使用寿命和经济性。邹向等[12]对熔点为575℃的Al-13%Si合金的研究表明,由于γ-Al2O3氧化膜对空气的有效隔绝作用,铝硅合金具有很好的抗高温氧化性能;经720次熔融-凝固热循环后,Al-13%Si合金的相变潜热由505 kJ/kg下降至452 kJ/kg,降幅只有10.5%,而相变温度基本保持稳定,表现出较好的热循环稳定性能。刘靖等[13]测定了Al-12%Si合金和Al-20%Si合金的相变温度和潜热,并研究了Al-12%Si合金的导热性能和热稳定性,分析认为Al-12%Si合金相变温度适中而潜热大,可作为蓄热介质储存太阳能。张仁元等[14]对Si含量为10%～13%的Al-Si合金进行了研究,结果表明:在空气中经几百小时的高温氧化后,Al-Si合金的氧化率小于0.01%。经700次热循环后,相变温度由571.8℃上升为583.6℃,相变潜热从484.86 kJ/kg下降到432.62 kJ/kg。当掺Fe量为0.5%时,Al-Si合金的相变潜热下降6.5%。在缓冷的储能过程中,材料的偏析较小并在循环多次后相变潜热趋向缓和和稳定,而相变温度和过冷度保持不变。综合而言,Al-Si合金,特别是共晶成分的Al-Si合金具有很好的储热性能,是较好的太阳能热发电储热材料,但其相变温度也高达577℃,这对储热装置在耐高温、耐腐蚀和保温等方面提出了较高的技术要求。

相比于Al-Si共晶合金,Al-Mg-Zn共晶合金的相变温度只有450℃左右,储热能力也较大,被认为是国内第二代金属相变储热材料。张仁元等[15,16]对Al-Mg-Zn共晶合金热物性能方面做了较多研究,结果表明,Al-34%Mg-6%Zn共晶合金的相变温度在450℃左右,相变潜热在320 kJ/kg左右,经历1000次热循环后合金的相变温度和潜热变化很小,热物性能稳定,可以作为储能材料服役。

对于多元铝基合金,国内的研究还比较少,通过进一步合金化以及元素优化后,多元铝基合金具有更好的储热性能。笔者等[17]对20余种不同成分的铝基合金储热材料的热物性能进行了测试和计算,结果表明,Al-Cu-Mg-Zn多元合金的熔化温度在420～620℃之间,相变潜热在300J/g以上,单位体积总储热量(潜热及显热)高达3500J/cm3以上,是较好的太阳能热发电储热材料。

2 铝基合金储热材料的液态腐蚀性

铝基合金储热材料在储热能力、热导率和热物性能稳定性等方面具有明显优势,唯一不足的是液态腐蚀性较强,易与储热容器发生反应。据报道[18],除致密陶瓷(比如氧化铝陶瓷)外,几乎所有的金属都不耐高温(700～900℃)熔融铝液的腐蚀,这是因为铝与大多数金属(铜、镁、锌、铋等)和非金属元素都能形成熔点较低的共晶体,许多耐热耐腐蚀合金中的某些组分会被选择性地溶解掉,它们的耐铝液腐蚀性能甚至比碳钢还差。因此液态腐蚀性是目前铝基合金储热材料在实际应用中最需要解决的难题。

2.1 铁基合金铝液的腐蚀机理

目前所报道的,在一定温度条件下对熔融铝基合金具有较好耐蚀性能的材料主要有不锈钢[13,16]、少数耐热钢[13]和部分致密陶瓷[18,19]。尽管某些致密陶瓷的耐蚀性能良好,但由于陶瓷的热导率低,热循环强度差,而且加工、封装和致密化比较困难,尚缺乏实际应用价值。因此,当前对铝基合金储热容器材料的研究仍然以铁基合金为主。

根据相关研究[20],熔融铝基合金对金属材料的腐蚀其实质是铝液对金属的浸蚀,其它元素只是起到溶剂的作用,不参与反应。Ryabov V R[21]、黄守伦[22]、张国伟[23]等对铁基合金铝液腐蚀机理进行了研究,认为,当固态的铁基接触到熔融的铝液时,首先发生浸润现象,然后发生铝原子的化学吸附并产生化学反应,生成铁铝化合物中生成热最低的θ相(FeAl3)。由于浓度梯度的存在,铝铁原子穿过扩散层相互扩散,使扩散层发生相变,FeAl3相转变为疏松、脆性的η相(Fe2Al5)。在相变过程中的组织转变应力和热扩散应力的双重作用下,脆性η相部分剥落并溶解,使得部分地方的铁基体重新暴露于铝液环境下而再次遭到侵蚀,过程如图1所示。对于不锈钢试样[16],由于富含Cr、Ni等元素,还会形成Ni3(Al,Ti)、Cr3(Al,Ti)等合金相,这些合金相加上Cr、Ni等元素,特别是Ni元素在Al-Fe界面的聚集,都会阻碍铝原子向钢材内部的扩散,使合金扩散层的生长受限,结果使得不锈钢表现出比低碳钢更好的耐铝液腐蚀性能。

2.2 抗铝基合金储热材料高温腐蚀措施

铁基合金铝液腐蚀的实质是,在高温条件下铁铝原子发生反应生成脆性的Fe2Al5相,在热应力和组织转变应力的作用下Fe2Al5相剥落和溶解。因此,要阻止这种腐蚀的产生,关键是控制铁铝反应的条件或者阻止高温条件下铁铝的互接触、互扩散、互反应。目前抗铝液腐蚀的可行措施主要有以下几种。

(1)严格控制铝基合金的储热工作温度,开发相变温度较低、储热能力高的铝基合金储热材料。温度对金属腐蚀性的影响表现为:当温度升高时,首先是固态金属的溶解增大;其次是各种扩散腐蚀层的形成变得容易;再次是扩散系数急剧增加,从而使扩散层厚度迅速增大,腐蚀变得严重[18]。刘靖等[13]在研究Al-12%Si合金对S304不锈钢、S316不锈钢和42CrMo耐热钢的高温腐蚀后认为,温度对金属腐蚀影响显著,金属容器用于高温太阳能储热系统中,相变材料的加热最高温度不宜超过650℃。考虑到使用安全,若不能严格控制温度,则金属容器无法作为相变材料容器应用于高温太阳能储热系统中。

(2)改变铁基容器材料或铝基合金储热材料的元素成分,使铁铝互反应在一定温度下的速率趋缓,甚至不发生反应。例如,对于铁基容器材料,合金中不能含有铜、镁、锌、铋等易与铝形成低熔共晶的金属和非金属元素,碳等杂质的含量也应控制;对于铝基合金储热材料,在不影响储热性能的前提下,合金中可以适当加入能阻碍铝铁合金扩散的元素,比如铍、锑、铋、硅,铜、镁等[24]。

(3)在铁基合金容器内表面加上涂层或表面处理层是较好的方法。目前可行的措施主要有以下几种。

① 喷刷涂料法

将填充剂(耐高温颜料、滑石粉、氧化铝等)、粘结剂(有机漆、水玻璃等)和调合剂(水、无水乙醇等)混合后,均匀地刷覆在工件表面,自然干燥后烘烤,在加热时填充剂发生分解得到的致密硬壳层起到保护容器的作用。陈枭等[25]设计了3种不同配方的涂料,实验结果表明,在严格控制温度不高于620℃的情况下,作为Al-12.07%Si共晶合金储热容器材料的310S不锈钢在涂覆涂料后,使用寿命得到较大的延长。王丹等[26]制备了以石墨粉、TiB2、有机硅树脂为主要成分的高温涂料。实验结果表明,涂料能有效抑制储能材料中微量元素在容器材料中的扩散,减缓熔融Al-12.07%Si合金对容器材料的侵蚀。喷刷涂料法工艺简单,经济性好,但由于缺乏很好的冶金作用,涂层与基体的结合强度以及致密性不高是实际应用中需要解决的难题。

② 化学渗硼和渗铬

渗硼和渗铬能够提高金属零件的抗氧化性和耐腐蚀性。铁基合金渗硼后在基体表面形成铁的硼化物(FeB、Fe2B)和含硼的α固溶体,有利于延缓铝液对铁基体的腐蚀。实验表明[27], 45钢渗硼后在液态Al和Zn-Al合金中的耐蚀性大为提高;硼化物层对Zn-Al合金具有良好的耐蚀性,在铝液中的耐蚀性略低,钢的渗硼处理在耐液态金属腐蚀上有较好应用前景。铁基合金渗铬后,在铁基合金的表面生成不与铝液反应的碳铬化合物(包括Cr23C7、Cr7C3,以Cr7C3为主),具有更强的抗铝液腐蚀能力。

③ 热喷涂陶瓷

陶瓷热喷涂以陶瓷为喷涂材料,利用热源将其加热熔化或软化,以一定速度喷射到基体表面,形成耐铝液腐蚀的涂层。日本的Fujimi公司在沉没辊表面制备MoB/CoCr金属陶瓷涂层以防止熔融Al和Al-Zn合金的腐蚀,效果良好[28]。陈枭等[29]利用低压等离子喷涂(LPPS)技术在310S不锈钢基体材料上制备了MoB/CoCr金属陶瓷涂层。实验结果表明,涂层与基体结合紧密,致密性高,且具有良好的抗热震性能,经过1080h熔融Al-12.07%Si储热合金腐蚀后涂层仍然完好,表现出很好的耐蚀性能。

④ 热浸镀铝后高温退火

王德清等[30]将铁基合金热浸镀铝后高温退火,基体表面由表至里依次生成α-Al2O3层、 FeAl3和Fe2Al5合金层。由于α-Al2O3陶瓷层对铝液有最好的抗腐蚀能力,因此经过处理的铁基合金在750℃铝液中腐蚀240h未受到任何腐蚀。但在实际应用中需要确保镀铝层的均匀性,陶瓷层的致密性以及降低Al-Fe合金层的脆性。

⑤ 陶瓷内衬复合钢管

利用自蔓延高温合成法制备的Al2O3陶瓷内衬复合钢管不仅具有很好的耐蚀性、抗热冲击性和机加工性[31],而且技术成熟,较早应用于铝液的输送中, 因此笔者认为其作为铝基合金的储热容器材料具有很好的应用前景。

3 铝基合金储热材料在太阳能热发电中的应用

铝基合金储热材料在电力调峰[32]、民用电热电器产品的开发和工业余热利用[33]中已有许多实际的应用,在太阳能高温储能应用上虽然也较早进行了实验研究[34],但专门针对太阳能热发电的研究明显偏少。张仁元等[35,36]设计了一个以铝基合金为储热材料,集吸热、储能与产生蒸汽于一体的金属相变储热蒸汽锅炉,如图2所示。

太阳光被反射到锅炉内涂有选择性吸收涂层的吸热壁面上,产生的高温使金属储热材料熔化,吸收的热量一部分通过热传导直接加热水产生蒸汽供发电使用;另一部分则储存起来转移至夜间使用。该装置的工作温度为360～600℃,热效率可达92%～98%,适合应用于塔式太阳能热发电系统中。

4 结语

铝基合金储热材料的储能密度大,热导率高,长期热循环中性能稳定,在高温储热应用中具有明显的优势,是较好的太阳能热发电储热材料,唯一不足是其液态腐蚀性较强。在高温下,单纯的金属材料难以完全耐液态铝基合金的腐蚀,其被溶解的成分对材料的储热性能也有较大不利影响,而当前针对这一不足采取的措施也存在着一些问题。为切实推进铝基合金储热材料在太阳能热发电中的应用,笔者认为今后的研究方向有以下几点。

(1)通过进一步合金化来降低铝基合金储热材料的相变温度并改善其腐蚀性,开发储热性能良好的多元铝基合金储热材料;研究多元铝基合金储热材料的元素组成和微观结构与储热性能之间的关系,探索储热材料的构建体系,加强基础理论方面的研究。

(2)充分发挥某些陶瓷材料优良的抗铝液腐蚀性,将Al2O3陶瓷内衬复合钢管作为铝基合金储热容器材料,同时进行金属-陶瓷复合相变储热材料和储热系统研究。