槽式太陽能熱發電

美國上世紀已經建成354MW的電站，2007年建成64MW的Solar One電站；西班牙已經建成200MW電站，分別是Andasol 1（50MW）電站、AndaSol 2（50MW）電站、Energia Solar De Puertollano（50MW）電站和Alvarado 1（50MW）電站。

槽式太陽能系統中，鏡場系統是電站運行最主要的熱量來源，鏡場系統利用迴路中的集熱器追蹤太陽運行，將太陽輻射積聚於集熱管上，加熱集熱管內流通的導熱油，以完成集熱目的。

反射鏡一般由玻璃製造，背面鍍銀並塗保護層，也可用鏡面鋁板或鏡面不鏽鋼板製造反射鏡，反射鏡安裝在反光鏡托架上。槽型拋物面反射鏡可將入射太陽光聚焦到焦點的一條線上，在該條線上裝有接收器的集熱管。

根據不同的導熱液，槽式集熱器把導熱液加熱到至400度左右，由於槽式太陽能熱發電系統的熱傳輸管道特別長，為減小熱量損失，管道外要有保溫材料、管道要盡量短；長長的管路需專業泵來推動導熱液的循環，要設法減小導熱液泵功率，這些都是重要的技術。導熱液可用苯醚混合液、加壓水混合液、導熱油等液體，傳熱方式可直接傳熱也可採用相變傳熱。

從熱交換器輸出的過熱蒸汽送往蒸汽輪機發電，從蒸汽輪機排出的水蒸汽經冷凝器轉為水，再由給水泵送往熱交換器，再次產生過熱蒸汽推動蒸汽輪機。發電機發出的電經變壓器轉換成高壓電輸送到電網。

國內槽式太陽能熱發電技術現狀

20世紀70年代，在槽式太陽能熱發電技術方面，中科院和中國科技大學曾做過單元性試驗研究。

進入21世紀，聯合攻關隊伍，在太陽能熱發電領域的太陽光方位感測器、自動跟蹤系統、槽式拋物面反射鏡、槽式太陽能接收器方面取得了突破性進展。目前正著手開展完全擁有自主知識產權的100kW槽式太陽能熱發電試驗裝置。

2009年華園新能源工程公司與中科院電工所、清華大學等科研單位聯手研製開發的太陽能中高溫熱利用系統，設備結構簡單、而且安裝方便，整體使用壽命可達20年。由於反射鏡是固定在地上的，所以不僅能更有效地抵禦風雨的侵蝕破壞，而且還大大降低了反射鏡支架的造價。更為重要的是，該設備技術突破了以往一套控制裝置只能控制一面反射鏡的限制。我們採用菲涅爾凸透鏡技術可以對數百面反射鏡進行同時跟蹤，將數百或數千平方米的陽光聚焦到光能轉換部件上（聚光度約50倍，可以產生三、四百度的高溫），採用菲涅爾線焦透鏡系統，改變了以往整個工程造價大部分為跟蹤控制系統成本的局面，使其在整個工程造價中只佔很小的一部分。同時對集熱核心部件鏡面反射材料，以及太陽能中高溫直通管採取國產化市場化生產，降低了成本，並且在運輸安裝費用上降低大量費用。

這兩項突破徹底克服了長期制約太陽能在中高溫領域內大規模應用的技術障礙，為實現太陽能中高溫設備製造標準化和產業化規模化運作開闢了廣闊的道路。華園新能源工程公司生產的太陽能高溫發電管，還可以產生550度以上的高溫蒸汽，可以應用於太陽能槽式熱發電工程。該公司有國內最具規模的直通管和反射槽生產廠，並主持和參與了包括目前亞洲最大的我國首座太陽能槽式熱發電項目等多項工程的前期論證、設計。

2009年底總投資176億元建設的“太陽能熱發電研究及產業基地”日前在山東省濰坊市峽山區奠基。據悉，這一基地建成后將成為全球規模最大、範圍最廣的太陽能熱發電研究及產業基地、太陽能熱發電國際技術推廣和產業化基地、太陽能熱發電國際技術教育培訓基地。

槽式太陽能熱發電系統全稱為槽式拋物面反射鏡太陽能熱發電系統，是將多個槽型拋物面聚光集熱器經過串並聯的排列，加熱工質，產生高溫蒸汽，驅動汽輪機發電機組發電。

槽式太陽能熱發電系統包括以下五個子系統：

1.聚光集熱子系統。是系統的核心，由聚光鏡、接收器和跟蹤裝置構成。接受器主要有兩種：真空管式和腔式；跟蹤方式採用一維跟蹤，有南北、東西和極軸三種方式。

2.換熱子系統。由預熱器、蒸汽發生器、過熱器和再熱器組成。當系統工質為油時，採用雙迴路，即接收器中工質油被熱后，進入換熱子系統中產生蒸汽，蒸汽進入發電子系統發電。直接採用水為工質時，可簡化此子系統。

3.發電子系統。基本組成與常規發電設備類似，但需要配備一種專用裝置，用於工作流體在接收器與輔助能源系統之間的切換。

4.蓄熱子系統。太陽能熱發電系統在早晚或雲遮間隙必須依靠儲存的能量維持系統正常運行。蓄熱的方法主要有顯式、潛式和化學蓄熱三種方式。

5.輔助能源子系統。在夜間或陰雨天，一般採用輔助能源系統供熱，否則蓄熱系統過大會引起初始投資的增加。

8月10日，2010年中國太陽能熱發電產業發展高峰論壇暨北京中航空港通用設備有限公司槽式太陽能熱發電項目奠基儀式在湖南省懷化市沅陵縣隆重舉行。這是我國第一個槽式太陽能熱發電產業項目。

據悉，太陽能熱發電屬於國家提倡的低能耗、低排放、清潔、無污染、廉價的新興能源，開發前景十分廣闊。今年初，槽式太陽能熱發電系統成套設備核心技術，由北京中航通用公司與中科院工程熱物理研究所、華北電力大學合作研發成功，實現了曲面聚光鏡從技術到生產的完全國產化。此次落戶沅陵的槽式太陽能熱發電設備製造項目，主要是製造生產採集器支架、集熱管、反射玻璃鏡、驅動跟蹤裝置、控制系統、熱交換蒸汽發生裝置、蒸汽能發電機組、太陽能蓄能裝置等8大設備。項目總投資8.78億元，共分3期工程，其中第一期投資3.5億元，可實現年產值20億元。3期工程建成后，年內銷售收入可達100億元以上。同時，可拉動相關產業年銷售收入20億元以上。

中國槽式太陽能熱發電項目突破了聚光鏡片、跟蹤驅動裝置、線聚焦集熱管3項核心技術，我國是繼美國、德國、以色列之後的全部技術國產化的國家。

在當天下午舉行的高峰論壇上，專家、學者圍繞太陽能熱發電產業全球發展形勢及前景、地方政府如何利用新能源產業促進區域經濟可持續增長等議題發表了精彩演講。

槽式太陽能熱發電技術是通過槽式拋物面聚光鏡面將太陽光匯聚在焦線上，在焦線上安裝有管狀集熱器．以吸收聚焦后的太陽輻射能。管內的流體被加熱后，流經換熱器加熱水產生蒸汽，藉助於蒸汽動力循環來發電。槽式太陽能熱發電系統主要包括集熱系統、儲熱系統、換熱系統及發電系統。其中，換熱系統及發電系統技術較成熟。應用普遍，在我國槽式太陽能熱發電系統技術的發展中不存在任何障礙，而影響我國槽式太陽能熱發電技術發展的主要是集熱系統及儲熱系統。集熱系統主要由集熱管、集熱鏡面、支撐結構及控制系統組成；儲熱系統主要由儲熱罐、儲熱介質組成。

槽式太陽能熱發電在中國發展潛力

(一)政策支持

世界範圍來看，從美國到歐洲，都將太陽能熱發電作為未來替代能源的關鍵候選之一。根據美國加州的計劃，到2030年，新能源發電容量中太陽能熱發電與光伏發電的比例將達到4：1，而在太陽能熱發電中槽式技術又占相當高的份額。2011年中國國家發展和改革委發布的《產業結構調整指導目錄(2011年本)》第五項新能源中，把太陽能熱發電集熱系統放在了突出的位置。

(二)優越的建設條件

槽式太陽能熱發電推廣應用需要良好的光照資源、開闊的土地資源、良好的交通與電網條件。在中國．幾乎沒有任何商業投資價值的內蒙古、甘肅等沙漠地帶的土地．卻為太陽能熱發電的推行提供了很好的發展空間，這些地區具有良好的太陽能輻射資源以及土地、電網交通條件。所以，太陽能熱發電在中國是較具有發展前景的一種有效利用太陽能方式。儘管太陽能熱發電在中國剛剛起步。發展也落後國外十幾年，但可以預見，太陽能熱發電的發展指日可待。

(三)成本降低空間巨大

一個產業的崛起，首先是成本的降低。適用於槽式太陽能熱發電技術在中國設計、生產土地的廉價性將直接降低這個產業的生產成本。從理論上講，採用槽式太陽能熱發電技術，可以避免光伏發電中昂貴的硅晶光電轉換工藝，大大降低太陽能發電的成本。太陽能熱發電的原材料包括玻璃、鋼鐵、導熱介質和儲熱材料。在中國都具備，所需工作是對這些材料進行改性，比如減少玻璃中的鐵含量、增加玻璃的透光率、選擇儲熱成本低於電價的儲熱材料等。

(四)產業鏈逐漸完善

槽式太陽能熱發電系統中包括集熱、換熱、儲熱和發電子系統，涉及的專業較多，學科較廣，而我國的發展起步較晚。但是，隨著國際形勢的發展及國內政策的支持。國內已經有諸多企業從事太陽能熱發電的研發工作．如中海洋新能源電力股份有限公司、皇明太陽能集團、包頭市液壓機械有限公司、德州華同新能源應用技術研究所、大連星火新能源發展有限公司和北京中航空港通用設備有限公司等。中海洋新能源電力股份有限公司，在成都西南航港經濟開發區投資5億元建設太陽能熱發電反射鏡，已竣工投產，可以滿足800MW太陽能光熱電站對鏡場的建設需求。並能帶動其他關聯產業的發展；皇明太陽能集團生產製造集熱管，與中科院、華電集團的合作取得了較大成就；包頭市液壓機械有限公司為熱發電電廠生產的鋼結構在業內得到好評；德州華園新能源應用技術研究所與中科院電工研究所、清華大學等知名單位共同開發研製的槽式太陽能中高溫熱利用系統可使整體使用壽命長達20年，大連星火新能源發展有限公司積極把市場轉向太陽能熱發電方向，為熱發電提供強有力的技術支持；北京中航空港通用設備有限公司於2010年8月在湖南沅陵建成我同首座槽式太陽能熱發電示範單元。這些從事太陽能熱發電行業的企事業單位從集熱到換熱、從儲熱到發電，涉及槽式太陽能熱發電系統的所有環節，為我國槽式太陽能熱發電的深入發展創造了條件。

(一)集熱管

集熱管是槽式太陽能熱發電集熱系統的一個關鍵部件，能夠將反射鏡聚集的太陽直接輻射能轉換成熱能，溫度可達400℃。使用的集熱管內層為不鏽鋼管，外層為玻璃管加兩端的金屬波紋管。內管塗覆有選擇性吸收塗層，以實現聚集太陽直接輻射的吸收率最大且紅外波再輻射最小。兩端的玻璃一金屬封接與金屬波紋管實現密封連接，提供高溫保護，密封內部空間保持真空。減少氣體的對流與傳導熱損，又加上應用選擇性吸收塗層-使真空集熱管的輻射熱損降到最低。在另一側，金屬波紋管焊接在內部吸熱管上。這些具有彈性連接功能的波紋管可以在吸熱管升溫和冷卻過程中補償內部金屬管和外部玻璃管之間的熱脹冷縮的差異。聚焦的太陽直接輻射能可以在集熱管表面轉化為熱能，傳送至導熱介質，並將介質加熱至最高溫度400℃。外部玻璃管可以作為附加防護，防止紅外波長能量向外再輻射，以降低熱損玻璃管外部覆蓋有減反射塗層，使得太陽輻射能量透過玻璃管。

我國自20世紀80年代中期開始研製真空集熱管，已攻克許多技術難關，並建立真空集熱管生產基地．諸如北京太陽能研究所、皇明太陽能集團等，生產的集熱管經過實驗室檢驗測試，能夠達到相關技術要求，與國際同類產品相比，運行指標均能達到國際同行業的相關技術要求。個別技術指標還優於國外技術水平。但是國內研製生產的集熱管大多隻用於實驗研究，缺少一定的工程實際運行經驗。

(二)集熱鏡面

槽式太陽能熱發電所用集熱鏡面採用超白玻璃材質．在保證一定聚焦精度的同時，還具有良好的抗風、耐酸鹼、耐紫外線等性能。鏡面由低鐵玻璃彎曲製成、剛性、硬度和強度能夠經受住野外惡劣環境和極端氣候條件的考驗，玻璃背面鍍鏡后噴塗防護膜，防止老化。由於鐵含量較低．該種玻璃具有很好的太陽光輻射透過性。

(三)支撐結構及控制系統

支撐結構用於固定槽式拋物面聚光鏡，並配合控制系統對集熱陣列進行一維跟蹤．以獲得有效太陽輻射能。支撐結構設計需要經過計算機模擬模擬研究、風洞實驗和實際運行，在充分考慮最佳機械、光學和力學性能以及最小成本前提下進行設計。

(四)儲熱系統

可再生能源領域。儲能技術一直是急需解決的問題，但是，太陽能光熱發電已經擁有很成熟的儲能技術解決方案，這也是未來太陽能熱發電有望趕超風電、光電等其他新能源的最大優勢。採用儲熱技術可以實現大規模太陽能熱發電站的儲能問題。

槽式太陽能熱發電技術最主要的特點是使用了大量的拋物面槽式聚光器來收集太陽輻射能，並把光能直接轉化為熱能，通過換熱器使水變成高溫高壓的蒸汽，並推動汽輪機來發電。因為太陽能是不確定的，所以在傳熱工質中加了一個常規燃料輔助鍋爐，以備應急之用。

槽式太陽能熱發電的缺點是：

(1)雖然這種線性聚焦系統的集光效率由於單軸跟蹤有所提高，但很難實現雙軸跟蹤，致使餘弦效應對光的損失每年平均達到30%。

(2)槽式太陽能熱發電系統結構龐大，在我國多風、高風沙區域難以立足。

(3)由於線型吸熱器的表面全部裸露在受光空間中無法進行絕熱處理，儘管設計真空層以減少對流帶來的損失，但是其輻射損失仍然隨溫度的升高而增加。

為了進一步改善開發槽式太陽能熱發電技術，提高其競爭力，可以採取以下措施：

一是設計先進的聚光器，結構形式由軸式單元向桁架式單元發展，聚光器單列長度100 m增長為150 m，這樣，一套驅動機構就可以帶動更長的聚光器陣列：同時，不斷優化聚光鏡材料、玻璃厚度等，以最大限度地降低整機重量。

二是充分考慮方位角和高度角的影響，採用極軸跟蹤技術，使聚光集熱器陣列由原來的南北向水平放置改為南北向的傾斜軸(傾斜角度與緯度有關)，從而更有效地接收太陽輻射能。

三是研發高性能的高溫真空管接收器。

四是開發直接用水作為介質的新型槽式發電技術。利用這一技術，可以取代大量的換熱器，進而實現簡化系統、提高效率、降低成本的目的。

五是加強可靠性研究，綜合考慮溫度、壓力、密封等相關因素，改進高溫真空接收器在聚光器陣列兩端與布置在地面上不動的導熱油管路之間存在的密封連接問題。