太阳能热发电的关键技术问题及应用前景

太阳能热发电的关键技术问题及应用前景俞维民1,万雪荣2

（1.1.武汉大学物理科学与技术学院武汉大学物理科学与技术学院武汉大学物理科学与技术学院,,武汉430010430010；；2.2.特拉华大学电气与计算机

特拉华大学电气与计算机工程学院，美国特拉华州工程学院，美国特拉华州纽瓦克纽瓦克纽瓦克市市197197111111）

）摘要摘要：

：太阳能热发电是指利用聚光器将低密度的太阳能汇聚到焦斑处，使其生成高密度的能量，然后由工作流体将其转换成热能，再利用热能发电。太阳能

热发电主要有塔式、槽式、碟式等方式，需要解决的关键技术问题有系统设计、

光学、热学、材料等问题。在中国西部和北部的浑善达克沙地、科尔沁沙地、呼

伦贝尔沙地、准噶尔盆地沙漠等地区具备建设大型太阳能热电站的应用前景。关键词：太阳能热、发电原理、技术问题、应用前景。

Abstract:Solar thermal power generation is a program in which the

low-density solar energy is condensed to the focal spot and converted

to heat by working fluid,then the thermal power is used to generate

electricity.The main ways of solar thermal power generation are tower

mod el ,groove m odel,dish model.The key technical problems are system

design,optical,thermal,materials and other problems.There are

prospects of the construction of large solar thermal power plant in

Hunshandake sandy land,Horqin sandy land,Hulunbeier sandy land,Junggar Basin desert region in western and northern China.

Key words:solar thermal power,principle of electricity generation,

technical issues ，application prospects.

中图分类号：TK511文献标识码：A 文章编号：

1太阳能热发电的工作原理

太阳能热发电是指利用聚光器将低密度的太阳能汇聚到焦斑处，使其生成高

密度的能量，然后由工作流体将其转换成热能，再利用热能发电。目前，已经达

到商业化应用水平的太阳能热发电方式主要有：塔式、槽式、碟式三种方式。

1.1塔式太阳能热发电系统

塔式太阳能热发电系统将吸热器（单侧受光或四周受光）置于接收塔的顶部，若干台定日镜根据吸热器的类型，排列在接收塔的一侧或四周。这些定日镜自动跟踪太阳，使其反射光能够精确地投射到吸热器内。吸热器将太阳光能转变成热能，并加热盘管内流动着的介质（水或其他流体）产生中高温蒸汽（温度可达5600C以上）驱动汽轮发电机组发电。目前，塔式热发电系统总效率13%左右，聚光—吸热部分效率70%左右。研究表明，塔式热发电系统具有聚光比和温度高、热传递路程短、热损耗少、系统综合效率高等特点，极适合于大规模、大容量（一般在30～400MW之间）商业化应用。但其一次性投入较大，每台定日镜都需一个单独的二维跟踪机构，装置结构和控制系统复杂，成本较高。

1.2槽式太阳能热发电系统

槽式太阳能热发电系统，采用向一个方向弯曲的抛物线形槽式反射镜面将太阳光聚焦到位于焦线的吸热管上，使管内的传热工质（油或水）加热至一定温度，然后经热交换器产生蒸汽驱动汽轮发电机组发电。聚光—吸热装置采用一维自动跟踪系统跟踪太阳的运行。槽式热发电系统结构简单、成本较低，并可将多个聚光—吸热装置经串、并联排列，构成较大容量的热发电系统。但其聚热比较小、热传递回路长，传热工质温度难以提高，系统综合效率较低。

1.3碟式太阳能热发电系统

碟式太阳能热发电系统，是利用旋转抛物面反射镜，将入射阳光聚集在镜面焦点处，而在该处可放置太阳能吸热器吸收太阳能并加热工质驱动汽轮发电机组发电。碟式热发电系统采用二维跟踪使得聚光镜面始终正对太阳，故其聚光效率最高。碟式热发电系统可单机标准化生产，具有使用寿命长、综合效率高、运行灵活性强等特点，可以单机使用或多台并联使用，非常适合边远山区离网分布式发电。

2太阳能热发电需要解决的关键技术问题

太阳能热发电技术由系统设计技术、光学技术、热学技术、材料技术、电气技术等组成。下面分别对各部分中的一些关键问题进行分析。

2.1系统设计技术

太阳能热发电系统优化设计的基点在于建立准确的太阳能热电站的“聚光—吸热—传热—储热—发电”过程的动态热力学模型，并进行多工况的模拟分析。

研究太阳能热发电“光—热—电”系统在启动、正常运行、待机、停机和事故等多种正常和非正常工况下的性能，系统内各单元的相应动作以及对发电的影响。找到某种气象条件下电价成本最优的系统组成方案。

2.2光学问题

（1）高效率低成本塔式聚光场设计。

在大型塔式太阳能热发电系统中，聚光场的年光学效率很大程度上决定了电站的年总发电量，聚光场的成本占电站总成本的50%，因此研究设计高效率低成本定日镜场具有重要意义。对于定日镜的光学设计，需要考虑太阳光谱特性、大角度入射的像差特性及太阳发散角的影响，以及定日镜的位置、塔高、地形、吸热器的接收角等。

（2）轻型高强度槽式聚光反射面。

采用尽量轻的反射材料和支撑结构是降低槽式聚光器成本和自身能耗的重要措施。直接采用曲面玻璃镜作为反射面的槽式聚光技术是这一代技术的代表。

（3）高聚光比聚光技术。

主要包括二次反射聚光、塔顶反射聚光、轮胎面聚光和分束聚光等技术。

（4）光学选择性涂层。

它是对太阳辐射具有光学选择性的涂层，是各种高效吸热器的基础，具有高温化学稳定性。

2.3热学问题

（1）吸热器低热损机理。

减少吸热器的反射损失、热发射损失和自然对流损失是提高吸热器效率的关键。

（2）吸热器安全性及寿命。

吸热器长期工作在高密度、变化的辐射热流条件下，工作环境非常恶劣。又由于它是太阳能热发电的核心部件之一，吸热器损坏必然造成电站停止运行，所以，吸热器的安全性非常重要。

（3）高温传热工质。

提高吸热器工质的沸点，降低其熔点是提高工质性能的一个重要目标，也是提高发电效率的重要手段。水和混合熔融盐是目前最常用的传热储热工质。

（4）储热材料和换热方式。

储热工质的工作温度范围决定了太阳能热发电设备的入口参数。要解决的关键问题包括储热材料/换热器耦合的一体化设计方法，提高储热材料的热容、工作温度和工质的化学及物理稳定性，工质容器及输运管路的防腐等。

2.4材料问题

太阳能热发电系统主要包括集热、传输、蓄热与热交换以及发电等四个单元。每个单元都涉及大量的材料研究开发和应用问题。材料性能的突破可能会带来太阳能热发电效率的大幅度提高或成本大幅度下降。太阳能热发电过程中需解决的材料问题主要有以下五类：

（1）太阳光反射材料。

主要是以金属、玻璃及高分子材料为基材的太阳光反射材料的高反射率、材料反射表面防护技术、表面自洁净技术、高精度曲面反射镜等。

（2）光热转换材料。

主要是槽式聚光器用金属（玻璃）真空管中的相关材料，以及耐高温太阳光谱选择性涂层。

（3）中高温蓄热材料。

无机蓄热载体（如高性能水泥混凝土、耐热纤维、隔热保温材料等）；中高温相变和化学反应蓄热介质；与蓄热材料相匹配的蓄热器结构设计。

（4）高温热量传输介质。

高温热量传输材料和介质（水、盐、空气等）；高温热量传输管道及其热防护材料。

（5）热电转换材料。

高效热电转换材料是利用温差原理直接将热能转化成电能的新能源材料。

3太阳能热发电技术在中国的应用前景

从中国太阳能分布情况看，西部和北部沙漠地区太阳能直射资源非常丰富。从太阳能热发电的原理可以看出，其发电过程需要适量的水，发电站需建在有水源的地方。通过有关部门的考察调研，以下几个地区适合建立大规模太阳能热发电站：

3.1浑善达克沙地

分布于内蒙古高原东部，包括内蒙古锡林郭勒盟的南部和赤峰的西北部，总面积为2.14万km2。该地区太阳能辐射资源较丰富，年累计辐射量为5573MJ/m2。降水条件较好，有不少淡水湖泊分布，水资源条件良好。

3.2科尔沁沙地

位于东北平原的西部，属于内蒙古、吉林地区，散布于西辽河下游干支流沿岸的冲积平原上，总面积为4.23万km2。以固定和半固定沙丘为主，流沙分布较少。太阳能辐射资源较丰富，年累计辐射量为5443MJ/m2。由于离海洋近，受湿润气流的影响，降水较丰富，水资源条件好。

3.3呼伦贝尔沙地

分布在内蒙古东北部呼伦贝尔高平原上，大致在海拉尔市和呼伦湖之间，总面积为0.72万km2。沙丘大部分在冲积湖积平原上，植被覆盖度在30%以上，是我国植被条件较好的一个沙区。太阳能幅射资源丰富，年累计辐射量为5000MJ/m2。水资源较丰富，有海拉河、呼伦湖等。

3.4准噶尔盆地沙漠

位于新疆北部，是我国沙漠分布最多的地区之一，总面积为4.88万km2。是我国面积最大的固定、半固定沙漠。属太阳能资源极丰富地区，年累计辐射量为6732MJ/m2。当地水资源不丰富，但水利工程比较完善，可从乌鲁木齐河引水。

参考文献:

[1]殷志强等．中国可再生能源发展战略研究丛书--太阳能卷[M]．北京:中国电力出版社，2008.11

[2]高虎等．可再生能源科技与产业发展知识读本[M]．北京:化学工业出版社，2009.4

作者简介：俞维民，男，武汉大学物理科学与技术学院2008级物理学基地班学生

太阳能热发电的关键技术问题及应用前景

作者：俞维民， 万雪荣

作者单位：俞维民(武汉大学物理科学与技术学院)， 万雪荣(特拉华大学电气与计算机工程学院)

刊名：

城市建设理论研究（电子版）

英文刊名：ChengShi Jianshe LiLun Yan Jiu

年，卷(期)：2012(16)

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本文链接：https://www.360docs.net/doc/1d5922933.html,/Periodical_csjsllyj201216881.aspx