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1、槽式太阳能热发电技术研究现状与未来发展趋势1、槽式太阳能热发电技术的研发背景能源是人类生存和发展的重要物质基础，更是社会经济发展的动力源泉。在当今世界的能源结构中，人类利用的能源是以煤炭、石油和天然气为主的化石能源。在 2008 年世界主要能源需求比例中，煤炭、石油和天然气的需求量占了能源总需求量的 75%以上。然而这些常规能源是一次性不可再生能源，其蕴藏量十分有限，随着开采量和使用量的急剧增加而逐渐枯竭，预计到2020 年世界一次能源消费总量将达到 200-250 亿吨标准煤。与此同时，化石能源燃烧不可避免地产生大量二氧化碳等温室气体，导了全球生态环境的严重污染和破坏。随着世界能源匮乏与环境
2、恶化日益加剧，开发新的能源利用方式，充分利用清洁能源，逐步改变以煤、石油为主的能源结构，将会成为全球性的研究问题。世界各国的煤炭需求情况，2008年中国、美国、印度、俄罗斯、欧盟和日本消耗的煤炭量占当年全球煤炭消耗总量的 83%，这六个国家CO2温室气体的排放量也占到了当年全球 CO2排放量的 70%。产生电力是煤炭消耗的最重要途径之一。从2008年的数据可以看出，全球电力部门发电燃烧的煤炭量将近占全年世界煤炭消耗总量的三分之二。因此，世界各国开始关注一次能源在产生电力方面的替代，并积极调整以燃煤发电为主的能源结构，大力研究开发和利用可再生能源发电技术，新型的能源发电技术和节能技术也在全球范围
3、内迅速发展起来，可再生能源在整个能源消耗中所占的比例必然会逐步地提高，这对人类社会可持续发展有着十分重要的意义。对于中国来说，能源短缺与环境恶化的问题显得更为严峻。为了满足迅速膨胀的工业和城市的电力需要，我国对电力的需求量变得越来越大。据 2007年6月报道中国平均每天都有两个新电站竣工，同时国家发展和改革委员会能源局透露，2010年我国的电力装机总容量超过了 8.4亿千瓦。然而，当前我国将近四分之三的电力来自燃煤的火力发电厂。由IEA提供的数据可以看出，2008年中国发电总量为 3456910 GWh，其中通过燃煤产生的电力为2733280 GWh，也就是说当年燃煤产生的电力占到了发电总量的
4、 79%。我国人口众多，因此人均能源资源拥有量在世界上处于非常低的水平，尤其煤炭人均拥有量仅仅相当于世界平均水平的50%，这也大大制约了我国社会经济的高速发展。与此同时，大量焚烧化石燃料也带来了许多的环境问题，燃煤排放的 SO2和 NOx是我国部分地区酸雨形成的主要原因，而燃煤排放的 CO2等温室气体则是造成世界气候变暖的罪魁祸首。当前中国已经超过美国成为 CO2温室气体排放的第一大国，预计2030年我国的 CO2气体排放量将达到 11710 MT，这些数字令人触目惊心。为了保护我们赖以生存的家园不被破坏和毁灭，为了保证我国经济的健康可持续发展，中国必须减少电力生产对煤炭的依赖，积极寻求和开发
5、更加安全可靠、环保的新型发电技术，逐步改变和替代以燃煤为主的能源结构。除此之外，我们还应尽可能提高能源的有效利用率，最大限度的节约有限的常规能源。我国政府已经出台了一系列的政策法规促进和鼓励可再生能源的发展应用，预计2015年可再生能源的比例将占到15%。虽然目前我国可再生能源发电所占比例很小，但从长远来看，可再生能源发电技术以其多样化、持久化、清洁环保的特点和优势一定会逐步替代传统能源发电技术。在可再生能源发电技术方面，世界各国对利用水力能、生物能、核能、风能、地热能、太阳能等发电技术的日益重视和关注。目前尽管风力发电和小水电已经达到了商业化发电水平，但它们的资源量毕竟十分有限，即使全都开发
6、也可能满足不了未来对能源的需求，据相关专家估算，世界上只有太阳能发电才是最有潜力的电力来源。日本经济企划厅和三泽公司合作研究认为，到2030年，全球电力生产的二分之一将依靠太阳能供给。众所周知，太阳能是一种取之不尽用之不竭、洁净无污染的可再生能源。地球每年以1.731011MW 的功率接受来自太阳的辐射，这相当于每秒5106t标准煤燃烧产生的热量。因此在世界能源结构转换中，太阳能的利用开发存在巨大潜力，可以有效地缓解世界范围内的能源紧张和环境污染，因而备受世界各国关注。2009年世界可再生能源技术研发经费投入比例，可以看出当年全球投入到太阳能技术发展和研究的费用已占到了世界研究开发可再生能源技
7、术总投入经费的 53%。总体来说，人类对太阳能利用的历史源远流长，据记载早在 3000 多年前就开始使用太阳能。由于到达地面的太阳辐射能量密度很低，目前主要的太阳能利用方式中一半以上需要用到太阳能聚光技术，它有效的减少了吸收面积，提高了接受面上的能量密度，实现太阳能的高质量转换，从而获得适合于使用的高品质热能，在太阳能利用领域有着十分重要的应用价值。因此世界上许多关注太阳能发电的国家纷纷把目光投向了聚焦式太阳能热发电技术。聚焦式太阳能热发电技术是太阳能聚光技术应用中最重要的形式之一。早在上个世纪七十年代，世界上一些太阳能资源丰富的发达国家已经开始对聚焦式太阳能热发电系统进行了研究，现在已有多个
8、商业化电站在运行之中。聚焦式太阳能热发电技术主要分为塔式、槽式、碟式聚光太阳能热发电系统，其中槽式太阳能热发电系统是十分重要的一种形式，也是目前实现商业化运行的一种发电技术。根据国外多年槽式太阳能热发电站的实际运行经验，太阳能槽式热发电技术拥有较高的可靠性和系统发电效率，可实现大规模的并网发电，是最具商业化发展潜力和市场竞争力的可再生能源发电技术。世界上许多国家对槽式太阳能热发电技术的研发投入也远远超过其它两种聚焦式太阳能热发电技术。2、槽式太阳能热发电技术研究现状 槽式太阳能热发电系统主要由槽式太阳能聚光器阵列、蒸汽发生装置、汽轮机、发电系统组成，并可辅以蓄热器和常规能源补给系统。槽式太阳能
9、聚光器阵列由大量的槽式抛物面聚光器构成。单个聚光器则由槽式抛物反光镜面和真空吸热管组成，聚光器采用单轴跟踪方式追踪太阳运动轨迹，槽式抛物反光镜将入射的直接太阳辐射反射到安装在抛物面焦线上的吸热管上。吸热管里的工作介质在聚光器阵列里吸热后可以达到很高的温度，然后进入蒸汽发生装置放热以产生高温高压的蒸汽推动汽轮机工作产生电力，载热介质放热完毕后再次进入槽式聚光器阵列开始下一个循环。然而通过汽轮机做功后的乏汽冷凝后经过循环泵返回蒸汽发生装置吸热后再次进入汽轮机做功开始下一个发电循环。这样周而复始的循环，太阳能就被源源不断地转化成电能。但是在太阳能直射辐射不好的天气或没有太阳的夜里，要想实现槽式太阳能
10、热发电系统不间断供电就必须采用蓄热系统或者常规能源系统加以能源补给。另外，蓄热系统或者常规能源系统还能使整个系统运行更加稳定、安全可靠，大大减少了因突然云遮等原因蒸汽品质恶化给汽轮机带来的冲击。吸热管里的工作介质通常是导热油，但随着科学技术的发展工作介质可以扩展到熔融盐、水、空气等物质。3、槽式太阳能热发电国外研究现状 20世纪 80年代初，以色列和美国联合组建的 LUZ 公司在美国加利福尼亚州 Mojave Desert陆续兴建的九座槽式太阳能热发电站最具代表性和影响力。这九座电站的装机总容量已达到 354MW，总的占地面积已超过 7km2，全年并网的发电量在 8108k Wh以上，其光电转
11、化效率已达到 15%。LUZ 公司建造的槽式电站的实物图和镜场布置图，从图中可以看到大量的槽式聚光器阵列十分整齐有序的排列着，槽式聚光镜占地面积很大，发电区域位于光学镜场的中部位置。LUZ 电站采用导热油作为吸热管里的循环工质，在正常运行的情况下，导热油在槽式聚光阵列出口的温度被设定，并以该温度进入一系列换热器作为热源，加热水至水蒸汽推动汽轮机做功。这九座电站分别建于1984年至1991年之间，装机容量分别在 14 MW 至 80MW 之间，它们也成为了世界许多国家研究槽式太阳能热发电技术的模型和样例。近些年来，由于世界能源匮乏和环境日益破坏，许多发达国家又投入了大量财力和人力研究开发槽式太阳
12、能热发电技术，这项技术也成了国际上的投资热点。西班牙 Acciona Energia 公司于 2007 年在美国内华达州建成了一座64MW的槽式太阳能热发电站（Nevada Solar One）。该太阳能电站总体占地面积 1,214,058 m2，项目总投资达到了 2.66 亿美元，预计全年的发电量为 1.34 亿千瓦时。2008年西班牙在安达路西亚的 Guadix 附近建成了 Andasol 槽式太阳能热发电站，这也是欧洲第一座槽式热发电站。Andasol 电站拥有储热系统，它能储存白天产生的热量在晚上供发电使用，储热介质是熔融盐。由于 Andasol 电站仍是采用导热油作为载热介质，这也限
13、定了储热温度必须低于 390。Andasol 1 产生的电量可以供20多万人使用。2010年7月，一座 5MW 的 Archimede ENEA 槽式电站在意大利西西里岛的 Priolo Gargallo 落成。电站采用熔融盐作为循环工质和储热介质，而且使用的是世界上较为先进的 ENEA 太阳能聚光器，这种聚光器的光学性能明显优于 LS-2 和 LS-3 型太阳能聚光器，可以使槽式聚光器阵列吸热管出口的工作介质达到 550高温。由于熔融盐也具有较高的工作温度，这样就大大提高了汽轮机进口蒸汽的温度，进一步提高了郎肯循环的循环效率。当前已投入商业化运营的槽式太阳能热发电系统，这也充分证明此项技术是
14、较为成熟可行的。然而槽式光学聚光器和相应精准的跟踪装置都比较昂贵直接导致了单位电力容量投资太大，和常规能源发电技术相比电力成本过高、经济性较差，这也是制约槽式太阳能热发电技术大规模应用的瓶颈之一。另外，槽式聚光阵列对镜场布置的要求较高，并且需要占用大量的土地资源，因此槽式电站建立前的选址工作和发电潜力评估工作显得尤为重要，这也直接关系到电站的经济效益。为了更好的降低槽式太阳能热发电站的成本，使其具备和传统能源发电技术的竞争性，世界许多国家的学者纷纷投入到槽式太阳能热发电技术研究中。4、技术应用概况与趋势 目前的太阳能热发电技术路线中，槽式由于其已经基本发展成熟，得到了最广泛的应用，装机占到所有
15、太阳能热发电装机的 80%以上，一般的槽式太阳能热发电站均配置了 78 h 的熔盐间接蓄热，西班牙的槽式电站由于政 策因素，装机容量被限制在 50 MW。 除单纯的发电之外，槽式太阳能集热技术还可 以用于与传统能源互补发电、工业供热、家庭和公共场所采暖、制冷与空调、海水淡化和太阳能热 化学等众多领域。 随着技术的不断成熟与效率的不断提升，槽式 阳能热发电的 LCOE （平准化电力成本） 将不断下降，从而能够与传统的火电进行竞争。据比较乐观的估计（Sargent & Lundy公司在 2003 年为美国可 再生能源实验室 NREL 做的调研报告26），到 2020 年，美国槽式电站的 LCOE 将下降到 6.2 美分 / (kWh)，另据 NREL 和 Sandia 实验室在 2010 年 SolarPACES 会议上做的报告27，到 2020 年，美国槽式电站的 LCOE 也会下降到 9.9 美分 /(kWh)。
