塔式太阳能热发电技术

塔式太阳能热发电技术浅析

14121330 彭启

1.前言

太阳能热发电是利用聚光器将太阳辐射能汇聚，生成高密度的能量，通过热功循环来发电的技术[1]。我国太阳能热发电技术的研究开发工作始于70年代末，一些高等院校和科研所等单位和机构，对太阳能热发电技术做了不少应用性基础实验研究，并在天津建造了一套功率为lkW的塔式太阳能热发电模拟实验装置，在上海建造了一套功率为lKW的平板式低沸点工质太阳能热发电模拟实验装置[2~3]。

目前主流的太阳能热发电技术主要有4种方式：塔式、槽式、碟式和线性菲涅尔式[4]，这4种太阳能光热发电技术各有优缺点。

塔式太阳能聚光比高、运行温度高、热转换效率高，但其跟踪系统复杂、一次性投入大，随着技术的改进，可能会大幅度降低成本，并且能够实现大规模地应用，所以是今后的发展方向。槽式技术较为成熟，系统相对简单，是第一个进入商业化生产的热发电方式，但其工作温度较低，光热转换效率低，参数受到限制。碟式光热转换效率高，单机可标准化生产、既可作分布式系统单独供电，也可并网发电，但发电成本较高、单机规模很难做大。线性菲涅尔式结构简单、发电成本低、具有较好的抗风性能，但工作效率偏低、且由于发展历史较短，技术尚未完全成熟，目前处于示范工程研究阶段。

2.发电原理与系统

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，将阳光聚集到固定在塔顶部的接收器上产生高温，加热工质产生过热蒸汽或高温气体，驱动汽轮机发电机组或燃气轮机发电机组发电，从而将太阳能转换为电能[5]。

塔式太阳能热发电系统，也称集中型太阳能热发电系统，主要由定日镜阵列、高塔、吸热器、传热介质、换热器、蓄热系统、控制系统及汽轮发电机组等部分组成，基本原理是利用太阳能集热装置将太阳热能转换并储存在传热介质中，再利用高温介质加热水产生蒸汽，驱动汽轮发电机组发电。

塔式太阳能热发电系统中，吸热器位于高塔上，定日镜群以高塔为中心，呈圆周状分布，将太阳光聚焦到吸热器上，集中加热吸热器中的传热介质，介质温度上升，存入高温蓄热罐，然后用泵送入蒸汽发生器加热水产生蒸汽，利用蒸汽驱动汽轮机组发电，汽轮机乏汽经冷凝器冷凝后送入蒸汽发生器循环使用。在蒸汽发生器中放出热量的传热介质重新回到低温蓄热罐中，再送回吸热器加热。塔式太阳能热发电系统概念设计原理系统如图1所示。

图1 塔式太阳能电站系统流程示意图

3.系统构成

3.1 定日镜

定日镜由刚性金属结构支撑，通过控制系统调整方位和角度，实现对太阳光线的准确跟踪接收，并聚集反射太阳光线进入塔顶的接收器内，如图2所示。定日镜由反射镜、跟踪传动机构、镜架及基座组成，是塔式电站最关键也是最昂贵的部件，美国Solar One电站1.42亿美元投资中，定日镜占52％[5]。目前，定日镜的控制精度、运行稳定性和安全可靠性及降低建造成本是定日镜研究开发的主要内容。

图2 美国Solar One塔式太阳能热发电站

美国在塔式太阳能热发电技术方面，除建成Solar Two电站外，还开发研制了一种新型的张膜式定日镜[6]，其反射镜由镀银聚合物薄膜覆盖于薄金属箔上制成，然后张紧到金属构架上，对太阳的平均反射率约为0.92。这种薄膜定日镜的制造成本较低，不到玻璃反射镜的1/3。

3.2 接收器

除定日镜群外，塔式太阳能热发电集热系统的另一主要组成部分是太阳能接收器，也称为太阳锅炉，是光热转换的关键部件。接收器位于定日镜群中央的高塔上，将定日镜捕捉、反射、聚焦的太阳能直接转化为可以高效利用的高温热能，加热工作介质至500℃以上，驱动发电机组产生电能。

国际上现有的塔式太阳能接收器主要分为间接照射接收器和直接照射接收器两大类。间接照射接收器向载热工质的传热过程不发生在太阳照射面，工作时聚焦入射的太阳能先加热受热面，受热面升温后再通过壁面将热量向另一侧的载热工质传递。管状接收器即为间接式。直按照射接收器也称空腔式接收器，特点是接收器向载热工质的传热与入射阳光加热受热面在同一表面发生，由于特定形状的内表面具有几近黑体的特性，可有效吸收入射的太阳能，避免选择性吸收涂层的问题[7]。

按照制作材料，接收器又可分为金属和非金属两大类。金属接收器的整体密封性、导热性、承压能力较好，但耐高温性能比非金属差。非金属接收器的优点在于耐高温、耐腐蚀，使用寿命长，常用材料有陶瓷、石墨、玻璃及氟塑料等。

塔式太阳能热发电站Solar One采用的是管状接收器，管外壁涂有耐高温吸收涂层，能最大限度吸收太阳辐射热能，结构如图3所示。工质介质为水/蒸汽；Solar Two仍采用管状接收器，工作介质为熔盐，在平均太阳辐射能流密度430KW／m2条件下，吸热器额定功率为42.2MW，将进口温度为288℃的熔盐加热到565℃，经管道和泵输往热盐罐储存。

图3 Solar One管状接收器

空腔式接收器最早应用在PHOEBUS系统中，利用金属丝网直接吸收太阳辐射，温度可高达800℃。后来，金属丝网逐渐被SiC或Al2O3，材料所取代。新型空腔式接收器置于

有压容器中，阳光通过抛物面状石英玻璃窗口进入容器，如图4所示[8]。

图4 压力空腔式接收器

Rein Buck等人提出了一种新型的双重接收器[9]，结合了空腔式和管式接收器的特点。

研究结果表明，改进后可使接收器达到更高的热效率，更低的温度和更少的热损失，年电能产量可提高27％。

3.3 传热蓄热介质

目前应用的传热蓄热介质主要有水/蒸汽、导热油、熔盐、液态金属(如液态钠)、空气等。

水/蒸汽具有热导率高、无毒、无腐蚀性等优点，如美国Solar One、西班牙PS10等电站采用水蒸汽作为传热工质，但水蒸汽在高温时有高压问题，在实际使用时蒸汽温度受到限制。

导热油既可用于蓄热又可用于传热介质，一般用于400℃以下的场合，限制了塔式系统接收器的聚焦温度。油类在高温时的蒸汽压力非常大(400℃时大于1MPa)，使用其作为蓄热介质需要特殊的压力阀等设备，存在很大的困难，容易引发火灾，且价格昂贵。Solar One 采用的蓄热介质是牌号为Caloria HT-43的导热油和6100t砂石，利用价格低廉的砂石作为填充材料以降低蓄热系统成本。

液态金属能应用于较高的温度，且金属材料密度大，导热率高，整体温度分布均匀，但高温下与空气接触易燃易爆，由此带来的安全问题制约了其在塔式电站蓄热系统中的应用。西班牙的SSPS型太阳能发电系统采用液态钠作为传热蓄热工质，在运行中出现过液态钠泄露问题，1986年发生了钠燃烧事故。

常见的熔盐有碳酸盐、氯化物、氟化物和硝酸盐，其中，硝酸熔盐在太阳能热发电中的

应用较为广泛。具有代表性的三种混合硝酸熔盐分别是：Hitec(NaNO2、NaNO3、KNO3的

混合物，凝固温度120℃)，Hitec XL(Ca(NO3)2、NaNO3、KNO3的混合物，凝固温度130℃)，以及NaNO3、KNO3，的混合物，凝固温度为220℃。其中最后一种熔盐成本最低[10]。4.结语

塔式太阳能热力发电是不需要耗费化石能源，无任何污染排放的清洁发电技术，美国、西班牙等国都进行了深入的研究和应用，经过几十年的发展，该项技术日臻成熟。

我国的日照条件、土地使用情况等均适宜于塔式太阳能热电站的建设和运行，发展塔式太阳能热发电对于满足我国快速增长的能源需求和保护生态环境具有重要的战略意义。我国在这方面的研究起步较晚，成本和技术是制约我国塔式太阳能热发电商业运作的两大瓶颈，我们应学习借鉴国外已有的研究成果，加大在塔式太阳能热发电方面的研究，尤其是所涉及的关键技术，研制出符合塔式太阳能热发电系统要求的部件并在适宜地区进行试验，尽可能降低成本，以大力推广塔式太阳能热发电技术。

美国能源部主持的研究表明，在大规模发电方面，塔式太阳能热发电将是所有太阳能发电技术中成本最低的一种方式。随着我国能源形势和生态环境的发展，太阳能塔式热发电作为一种更适合于大规模电力供应的补充方式，将会受到越来越多的重视，也必然会得到更大的发展。

参考文献：

[1] 李和平. 加快太阳能热发电关键技术的研究和开发[J]. 高科技与产业化. 2008(11):27.

[2] 郝雷,顾宝霞,王树茂,等. 太阳能热发电的研究现状与前景展望[J]. 阳光能源. 2009(3):40.

[3] 许继刚,王正. 太阳能热发电技术的发展现状[J]. 2009全国发电厂热工自动化年会论文.

[4]王泽凯. 太阳能光热发电技术应用与发展[J]. 玻璃. 2012(6):30.

[5] 张耀明,王军,张文进,等. 塔式与槽式太阳能热发电[J]. 太阳能. 2006, 2:30-32.

[6] 李斌,李安定. 太阳能热发电的分析与思考[J]. 电力设备. 2004, 5(5):83-85.

[7] 范志林,张耀明,刘德有,等. 塔式太阳能热发电站接收器[J]. 太阳能, 2007, 1:12-14.

[8] Hans M, Franz T. Concentrating solar power-a review of the technology [J]. Ingenia. 2004,

18:43-50.

[9] Buck R, Barth C, Eck M, et al. Dual-receiver concept for solar towers [J]. Solar Energy. 2006,

80(10):1249-1254.

[10] Herrmann U, Kelly B, Price H. Two—tank molten salt storage for parabolic solar power

plants [J]. Energy, 2004, 29(5-6):883-893.