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1、2012 东南大学校庆研究生学术报告会2012 东南大学校庆研究生学术报告会槽式太阳能集热发电研究现状及发展趋势xxx1，xxx 1，xxx 2（1.东南大学能源与环境学院，南京，210000）摘 要：本文简要介绍了太阳能槽式集热发电系统结构、原理和分类，分析了常规槽式集热发电的工作过程和 DSG 技术的三种实现方式。简单介绍了国内外研究应用现状和国内研发应用的重要性，并通过 DSG 系统和双回路系统的对比，分析了槽式集热发电系统中直接产蒸汽系统（DSG 技术）的优缺点以及大力发展的可行性。通过对国外已有实验结果的仔细研究，根据自己的实验经验提出了一些合理化的建议。关键词：太阳能；槽式集热；D
2、SG 技术；发电系统Present Research Situation And Development Trend Of Groove Solar Power Generationxxxx1, xxxxx 1, xxxxx 1(1. School of Mechanical Engineering, Southeast University, Nanjing, 210000;)Abstract: This paper briefly introduces the solar groove collection hot power generation system structure, pr
3、inciple and classification, analyzes the working process of conventional groove collection hot power generation and three implementation ways of DSG technology. Introduced the domestic and foreign research application situation and the importance of domestic research application, by the contrast of
4、DSG system and double loop system, this paper analyzes the advantages and disadvantages of the steam system incluted in the groove collection hot power generation system and the feasibility of vigorously developing. On the foreign existing experimental results of careful research, according to own e
5、xperiment experience puts forward some reasonable Suggestions.Key words: Solar power; Groove collection hot; DSG Technology; Power generation system我国能源危机日益严重，能源与环境的矛盾日渐突出，应大力发展无污染的可再生能源，其中太阳能的商业化开发和应用成为当前的一个发展趋势。而太阳能的聚光集热发电是当前研究的重点课题，包括槽式、塔式和蝶式发电三种形式，其中槽式集热发电系 统 的 装 容 规 模 最 大 、 效 率 较 高 ， 已 具 商 业化 规
6、 模 且 技 术 要 求 相 对 较 低 ， 是 一 种 比 较 理 想 的 发电 技 术 。 槽 式 发 电 的 实 际 应 用 以 美 国 Luz 公 司 1985-1991 年 在 加 州 建 立 的 9 座 太 阳 能 热 发 电 系 统 1较 为 著名 ， 系 统 总 装 机 容 量 354MW， 其 中 新 装 置 的 发 电 效率 达 30%， 至 今 机 组 运 行 良 好 。这 证 明 了 对 槽 集 热 发 电 进 行 大 规 模 商 业 开 发 和 应作者简介：xxx， （1987-） ，女，硕士研究生， E-mail: ；xxx， （1962-） ，男，教授，E-mai
7、l: ；xxx， （1987-）男，硕士研究生，E-mail: .用 的 可 行 性 ， 只 是 槽 式 太 阳 能 集 热 发 电 系 统 发 电 效 率相 对 较 低 ， 一 般 只 有 百 分 之 十 几 ， 且 成 本 较 高 ， 系 统较 为 复 杂 ， 这 些 都 是 制 约 槽 式 集 热 发 电 的 重 要 因 素 。槽式发电分为单回路系统和双回路系统 2两种形式，单回路直接加热水产生蒸汽带动汽轮机发电，双回路系统采用导热油通过换热设备将热量传递给汽轮机系统，前者为直接产蒸汽系统，简称 DSG技术。相比而言，单回路系统结构简单，投资少，并且省去了导热油而直接加热蒸汽，提高了系统
8、发电效率，也减轻了环境污染，是槽式发电的新方向。只是 DSG 系统由于直接产生蒸汽，过程控制较为复杂，且蒸汽过热段管壁容易超温，造成集热管损坏，这是当前应研究和解决的问题。DSG 发电系统典 型 的 试 验 项 目 有 西 班 牙 PSA 的 DISS 项 目 和 西 班牙 -德 国 能 源 合 资 公 司 投 资 的 INDITEP 电 站 项 目 ， 这两 个 项 目 的 运 行 证 明 了 DSG 技 术 可 使 槽 式 太 阳 能 热电 站 的 经 济 效 益 大 大 提 高 。2012 东南大学校庆研究生学术报告会2012 东南大学校庆研究生学术报告会1 槽式集热发电系统结构原理及分
9、类1.1 系统结构槽式集热发电系统主要包括：槽形抛物面聚光集热器及其单轴或双轴跟踪系统、 （导热油热载体及其循环系统、油水换热系统） 、汽轮机发电系统以及储热和辅助锅炉系统 3。系统结构如图 1 所示。槽式太阳能热发电系统中的聚光器是具有高精度和高反射率的抛物面，用于收集太阳能并将其聚焦到吸收器上。吸收器通常采用玻璃-金属太阳能真空集热管。这种集热管是一种高效、耐用的太阳能吸收器，其生产制造技术主要掌握在德国和以色列等国的个别公司的手中，目前在中国还处于开发阶段。槽式太阳能热发电系统中，聚光器只能收集直射光线，必须利用跟踪装置和相应的控制系统来调节聚光器和入射光线的角度，以使系统在光照期间充分
10、获得太阳辐射能量。集热器轴线与焦线平行呈南北向布置，通过控制系统设置跟踪太阳辐射。 聚 光 集 热 场聚 光 集 热 场 汽 轮 机换 热 设 备辅 助 锅 炉给 水 泵储 热 设 备辅 助 锅 炉汽 轮 机给 水 泵(a)单回路系统(b)双回路系统图 1 槽式集热发电单回路和双回路系统1.2 系统工作原理槽式太阳能热发电系统主要是借助槽形抛物面聚光器将太阳光聚焦反射到集热管上，通过管内热载体将水加热成蒸汽，推动汽轮机发电。吸收器（真空集热管） 、聚光镜和跟踪装置组成了槽式集热发电系统的集热装置，如图 2 所示。通过抛物面槽式聚光镜面将太阳光束汇聚在焦线上，在焦线上安装真空集热管吸收聚焦后的太
11、阳辐射能。真空集热管内管为不锈钢管，外罩玻璃罩，环形空间抽真空，以降低热量的流失，真空集热管结构如图 3 所示。集热管内管外壁敷设光谱选择吸收涂层，目前应用较多的是黑铬涂层和金属陶瓷涂层，其吸收比在 0.9 以上，将光能转化成热能传递给管内工质。对于槽式发电目前应用较多的是采用导热油作为热载体，油在集热管内吸收热量，通过换热设备将热量传递给水和水蒸气，或者储存起来。水受热蒸发并过热，之后导入汽轮机发电。槽式集热发电的跟踪系统一般分为单轴跟踪和双轴跟踪 4，一般的太阳能发电站都采用单轴跟踪方式使抛物面对称平面围绕南北方向的纵轴转动。与太阳照射方向始终保持较小夹角。以便在任何情况下都能有效的反射太
12、阳光。一般槽式发电系统都配置有储热装置和辅助锅炉，以供夜间使用，不间断且稳定的对外供电。 跟 踪 装 置 聚 光 反 射 镜真 空 集 热 管图 2 太阳能槽式发电集热装置抽 真 空 嘴 真 空 区 域吸 热 管 玻 璃 套 管 化 学 海 绵 波 纹 管玻 璃 金 属 接 合 处图 3 太阳能槽式发电真空集热管1.3 槽式集热发电系统的分类槽式发电系统包括两种形式：双回路系统和单回路系统，如图 1 所示，目前应用较多的是双回路，但单回路系统已成为新的发展方向。和双回路相比，单回路系统减少了导热油循环系统及油水换热系统，2012 东南大学校庆研究生学术报告会2012 东南大学校庆研究生学术报告
13、会系统结构大大简化，既节约了成本，又提高了系统发电效率。只是单回路直接产生蒸汽，过程控制复杂。双回路系统中真空集热管管内的导热油被加热后，流经换热器加热水产生蒸汽，借助于蒸汽动力循环来发电。由于太阳能的间歇性和不稳定性，在太阳能热电系统中配置蓄热装置或者辅助锅炉，以实现电厂的持续发电或提高功率输出的平稳性。上述的槽式太阳能热发电系统存在着三个回路：导热油回路；蒸汽回路；冷却水回路。在槽式太阳能热发电系统中， 汽轮机蒸汽循环发电系统是比较常规的技术，而聚光器、吸收器以及跟踪系统代替了锅炉，是槽式太阳能热发电系统的关键性技术。单回路系统中没有导热油循环系统和换热设备，真空集热管内直接通入水加热产生
14、蒸汽并过热，水蒸气带动汽轮机发电，称为直接蒸汽发生技术（简称 DSG 技术） 。1.4 DSG 技术的实现方式及工作原理DSG 技术有三种实现方式：一次通过方式、逐次注入方式和再次循环方式 5，如图 4 所示。一次通过方式的运行过程是：集热管中的工质水由泵加压从入口处进入，连续经过预热、蒸发、过热三个阶段，逐步产生过热蒸汽。如图 4（a）所示，水变成过热蒸汽是一个逐步而连续的过程。采用一次通过方式的优点是结构简单、性能优越、投资少。但集热管中的水和蒸汽两相流的流动状态不确定，流动的稳定性较差，瞬态流动蒸汽温度的变化较大，增加了系统的控制难度 6。逐次注人方式的聚光集热镜场分为许多不同的集热器单
15、元，每个集热器单元拥有测量装置。工质水在集热器单元的入口处注入到单元的集热管中产生过热蒸汽，如图 4（b）所示。采用逐次注人方式的优点是集热管内气、液两相流体流动较稳定，控制难度不大。但系统复杂，系统中增加了许多控制阀、测量设备等装置，因而投资成本加大。采用再次循环方式的系统包括预热部分、蒸发部分和过热部分。工质水在预热、蒸发部分的末端转变为湿蒸汽，经汽一水分离器分离后，未蒸发的水回到预热、蒸发部分的始端重新循环使用；分离出的饱和水蒸汽进入系统的过热部分进一步加热，变成过热蒸汽后进入汽轮发电系统，如图 4（c）所示。采用再次循环方式的优点是集热管内气、液两相流体流动较稳定。但也存在系统复杂、投
16、资成本高的问题。但就目前而言，再次循环系统过程容易控制，系统比逐次注入的方式简单，因而有较大的发展优势，是当前 DSG 系统中最具竞争力的运行方式。而直通模式因其系统结构最简单，也具有一定的发展潜力，随着计算机科学技术和控制技术的不断发展，必将取得各国广泛的关注和应用。除以上三种方式以外，直接蒸汽发生系统又分为饱和蒸汽发电和过热蒸汽发电。DSG 技术中产生的蒸汽通常指过热蒸汽，而 M.Eck 和 EZarza 提出在小装机容量时，DSG 技术采用饱和蒸汽发电更有优势，与过热蒸汽发电相比，饱和蒸汽发电具有聚光集热镜场的建造简单、聚光集热镜场运行安全可靠、集热器热效率高等优点。M.Eck 等人研究表明：一定规模的饱和蒸汽发电站要比过热蒸汽初期投资高出 5%，维护费用较高，但利用饱和蒸汽发电可以使电站的年净发电量提高 4%；该发电方式最大的优点是使用简单的集热器依然可以在260-300之间达到很高的效率 7。聚 光 集 热 场聚 光 集 热 场预 热
