槽式太阳能热发电技术发展现状与趋势

综合论述　能源研究与管理２０１４（４）　・１７・　

槽式太阳能热发电技术发展现状与趋势　

周楷，余志勇，李心　

（浙江中控太阳能技术有限公司，杭州　３１００５３）　

摘要：在简述太阳能热发电优势的基础上，着重阐述了槽式太阳能热发电技术的聚光镜、集热管、跟踪技术、工　作介质、技术路线与方案最优化研究的要点、技术现状和发展趋势。最后对近几年建成的典型电站技术特点、太阳　能光热利用途径和槽式太阳能热发电成本趋势进行了介绍。　关键词：槽式；太阳能热发电；集热器；工作介质；电站　中图分类号：ＴＫ５１３　文献标志码：Ａ　文章编号：１００５－－７６７６（２０１４）０４一ｏ００５—０６　

Ｓｔａｔｕｓ　ａｎｄＴｒｅｎｄｏｆＰａｒａｂｏｌｉｃ　Ｔｒｏｕｇｈ　ＳｏｌａｒＰｏｗｅｒＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　

ＺＨＯＵ　Ｋａｉ，ＹＵ　Ｚｈｉｙｏｎｇ，ＬＩ　Ｘｉｎ　

（Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｓｕｐｃｏｎ　Ｓｏｌａｒ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３　１００５３，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｌｍｔｚ￣ｅ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｓｋｅｔｃｈｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｄｖａｎｔａｇｅｓ　ｏｆＣｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｎｇ　Ｓｏｌａｒ　Ｐｏｗｅｒ，ｔｈｅ　ｓｔａｔｕｓ　ａｎｄ　ｔｒｅｎｄ　ｏｆｐａｒａｂｏｌｉｃ　ｔｒｏｕｇｈ　ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ，　ｒｅｃｅｉｖｅｒ，ｔｒａｃｋｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｆｌｕｉｄ　ａｎｄ　ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ　ｆｏｒ　ｐｌａｎｔｓ　ｉｎ　ｐａｒａｂｏｌｉｃ　ｔｒｏｕｇｈ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｐａｒｔｉｃｕｌａｒｌｙ　ｗｅｒｅ　ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄ．Ｉｎ　ｔｈｅ　ｅｎｄ，ｓｏｍｅ　ｔｙｐｉｃａｌ　ｐｌａｎｔｓ　ｂｕｉｌｔ　ｉｎ　ｒｅｃｅｎｔ　ｙｅａｒｓ，ｔｈｅ　ｕｔｉｌｉｚａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｓｏｌａｒ　ｈｅａｔ，ａｎｄ　ｔｈｅ　ｃｏｓｔ　ｔｒｅｎｄ　ｏｆ　ｐａｒａｂｏｌｉｃ　ｔｒｏｕｇｈ　ｐｏｗｅｒ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｗｅｒｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．　Ｋｏｙ　ｗｏｒ￣：ｐａｒａｂｏｌｉｃ　ｔｒｏｕｇｈ；ＣＳＰ；ｃｏｌｌｅｃｔｏｒ；ｈｅａｔ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｆｌｕｉｄ；ｐｏｗｅｒ　ｐｌａｎｔ　

引言　

近年来，随着经济的发展，我国能源需求激增，　加上国内能源供应和使用结构的不合理，许多地方　都产生了比较严重的雾霾。同时，原有的能源结构　还存在化石能源供应压力大、碳排放量大等问题。　

为了缓解环境压力，满足我国日益增长的能源需求，　实现可持续发展，发展可再生能源就显得尤为重要。　

在众多种类的可再生能源中，太阳能热发电有发电　效率高、电力品质好、可大规模蓄热等特点，相对　于风电和光伏的极不稳定，动则“弃风”、　“弃光”，　

具有难以匹敌的优势。　太阳能热发电系统利用聚光吸热装置将太阳能　收集起来，将载热工质加热到一定的温度，载热工　

质经过直接或间接转化为具有一定温度和压力的过　

热蒸汽来驱动汽轮机带动发电机发电。太阳能热发　电有抛物面槽式（简称槽式）、塔式、碟式和线性菲　

涅尔式４种主要形式［】－２］。　槽式太阳能热发电技术和其他３种太阳能热发　

电技术相比更为成熟。作为已经完全商业化的一种　系统，电站开发风险相对较低，虽然效率略低于塔　

式和碟式２种技术，但是经过多年的发展，装机容　量远远的高于其他系统。本文全面的分析和介绍了　槽式太阳能热发电聚光镜、集热管、跟踪技术、工　

收稿日期：２０１４—０８—０４　作者简介：周楷（１９８１一），男，湖北荆州人，工程师，博士，毕业于浙江大学，工程热物理专业，主要研究方向：太阳能热　发电设备与工艺。

　・１８・　能源研究与管理２０１４（４）　综合论述　

作介质和技术方案等方面的技术要点、技术现状和　

发展趋势，并且指出了最为成熟经济的技术路线和　今后的成本走势。　

１　技术发展现状　

１．１　聚光镜　槽式太阳能热发电聚光镜由反射镜和支架组成。　

反射镜截面为抛物面，见图ｌ，平行人射的太阳光　经反射镜反射后会聚到集热管。反射镜由支架支撑　并转动跟踪太阳。　

图１　槽式太阳能聚光集热器　反射镜的性能指标有反射率、聚光性能、机械　强度、抗风沙性能、抗腐蚀性能、抗疲劳性能和重　量等。　

反射率是反射镜的固有性能，但反射率会随时　

间推移而降低，主要原因有水蒸汽等的侵蚀作用、　紫外线照射引起的反射材料老化等。另外，风沙会　

使得反射镜磨损，所以反射镜背面的保护层选取都　显得尤为重要。另外，由于反射镜长期暴露在大气　

中工作，尘土不断沉积在其表面，会大大影响反射　性能，而槽式反射镜特殊的形状使得清洗难度大于　

塔式定日镜，因此如何保持镜面清洁是槽式太阳能　热发电技术需要面对的一大难题。　

反射镜的聚光性能与其机械强度和抗疲劳性能　息息相关，聚光性能的下降主要是由于长期风力和　反射镜自重作用下镜面变形。解决这类问题依赖反　

射镜基材的革新。国外已开发出可在室外长期使用　

的反光铝板，具有以下优点［３】：１）对可见光和红外　线辐射的反射率可达８５％；２）具有较轻的重量、防　

破碎、易成型；３）透明的陶瓷层提供高耐用性保　护，可防御气候、腐蚀性和机械性破坏。但该技术　

目前价格较为昂贵，有待进一步降低成本。另外，　Ｓｋｙ　Ｔｒｏｕｇｈ公司开发的ＲｅｆｌｅｃＴｅｃｈ镜膜（镀银的聚　

合物薄膜）可以直接取代玻璃，同时具备了高反射　率、超轻型、低运输成本、耐磨和适应各种气候的　

特点，镜面反射率可以达到９４％。　

支架作为反射镜的承载机构，要尽量与反射镜　贴合，还需要具备良好的刚度、抗疲劳性和耐候性　等特性。简化结构、降低材质重量是支架发展的趋　势。比如Ｎｅｖａｄａ　Ｓｏｌａｒ　Ｏｎｅ槽式电站在ＳＥＧＳ系列　

电站的经验上，研发了公差很小的铝制支架组件［４］，　

既维持了公差，又能方便装配，大大提升了聚光镜　在大风环境下精确聚焦的能力，同时降低镜架重量，　

减少转动能耗。　１．２集热管　

槽式太阳能热发电集热管置于抛物面聚光镜的　焦线上，为双层结构，见图２，内层为涂有选择性　吸收涂层的钢管，外层为有增透膜的玻璃管，内外　

层之间抽真空，集热管两端具有膨胀节，而由于玻　璃和金属的膨胀系数不同，整个集热管最为关键的　技术是玻璃与金属之间连接处的密封。　

图２槽式太阳能聚光集热管　吸热钢管在高温、高压（ＤＳＧ技术）和高能流　密度下运行，所以选材十分重要，常用的材料有　

３２１Ｈ、３０４Ｌ和３　１６Ｌ等耐腐蚀不锈钢，为适应ＤＳＧ　

技术的高压力，降低成本，还可采用１５Ｍｏ３和　１０ＣｒＭｏ９．１０等耐高压钢种嘲。　

选择性吸收涂层同时具有高的吸收率和低的发　射率，能最大程度的减少辐射散热损失。高温情况　

下具有低发射率是技术的关键，氧化铝基金属陶瓷　膜在４００　ｏＣ的情况下可以达到９５．４％的吸收率，而　发射率仅为１３．４％，而据ＮＲＥＬ研究的多层镀膜工　

艺，在４５０　ｏＣ时可以达到９５．９％的吸收率和７％的发　射率同。真空层能够消除对流散热损失，并且防止选　

择性吸收涂层的氧化。而增透膜能够极大的提高玻　璃套管的透射率，降低反射率。Ｈｅｌｓｃｈ使用凝胶一溶　

胶工艺镀上约１　１０　ｎｌｎ的减反射膜，可以使玻璃套管　达到９７．４％，并且该种膜具有很好的稳定性阴。　目前能够得到大规模应用的集热管主要有　

Ｓｉｅｍｅｎｓ（原Ｓｏｌｅ１）的ＵｖＡＣ型和ＳｃｈｏＲ公司的　ＰＴＲ７０型，其中Ｓｉｅｍｅｎｓ的集热管采用了金属和玻　

璃直接熔封的连接方式，并带有内部反射盾保护封　

接口，而Ｓｃｈｏｔｔ的集热管采用了可伐合金过渡封接，　并局部增加了保护用的反射圈嘲，具体实物图见图３。　由于导热油在高温下可能分解产生氢气，进入真空　

层产生破坏，故要在真空层设置吸氢剂，以保证真　

空集热管的使用寿命。

　・２０・　能源研究与管理２０１４（４）　综合论述　

不过熔盐在集热管中流动有较大的凝固风险，较高　

的工作温度对集热管本身也提出了更高的要求。另　外，为了节约蓄热成本，单罐熔盐蓄热研究也是目　

前一个热门的方向，但离成熟的商业应用还有相当　

一段距离。　吸热介质目前主要有导热油、水和熔盐，也代　

表了槽式太阳能热发电的３种技术路线。３种技术　

路线中最为成熟的是导热油作为吸热介质，采用熔　盐间接蓄热或者化石燃料补燃来应对太阳能量的波　

动。导热油的主要优势是凝固点低，但上限温度不　超过４００　ｏＣ，容易分解损耗，泄漏毒性大，成本也　

很高，采用熔盐蓄热时，熔盐的利用温度区间小，　熔盐使用量过大导致成本难以降低。为了避免导热　油的上述劣势，近年来一些研究机构和技术提供商　在研发水工质吸热（ｄｉｒｅｃｔ　ｓｔｅａｍ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ，直接产　

生蒸汽，简称ＤＳＧ）的技术和熔盐吸热技术。　

ＤＳＧ技术由于省去了换热环节，提升了蒸汽温　度，能量利用效率远高于传统技术，由于没有了导　

热油和相应的储罐、换热器等设备，建设成本也大　为降低。但ＤＳＧ技术同时具有高压、低流速、两相　流状态难以控制等特点，在目前的技术水平下可靠　

性和安全性较传统技术低。目前具体实施的项目有　

西班牙ＰＳＡ的ＤＩＳＳ和西班牙一德国合资的ＩＮＤＩＴＥＰ　等［１７＿　８１。　

位于意大利西西里岛的Ａｒｃｈｉｍｅｄｅ电站采用了　熔盐吸热熔盐蓄热的技术路线，装机容量为５　ＭＷ，　

造价高达６　０００万欧元，由意大利电力公司和意大　利新技术能源与环境委员会共同建设而成。反射镜　

面积为３０　０００　ｍｚ。熔盐温度可以达到５５０　ｏＣ，蓄热　量达到了１００　Ｍｗ・ｈ，蒸汽压力达到９．３８　ＭＰａ。该　方案比传统的导热油吸热可以节省约４８％的熔盐量，　但由于熔盐管线很长，冻堵的可能性大大增加，冻　

堵的问题如能很好解决，该技术将取得很大的优势　目前为止，熔盐作为蓄热介质的电站均采用的　

是太阳盐，即质量分数６０％ＮａＮＯ３和４０％ＫＮＯ３的　混合盐，该盐的凝固温度在２３８　ｏＣ，实际应用中容　

易凝固造成管道设备堵塞甚至报废，所以国际国内　对于熔盐成分和性质的研究很多，文献［１９　２０］详细　

的介绍了几种熔盐配方以及对金属材料的腐蚀作用。　１．５　技术路线与方案最优化研究　

除了技术本身的改进，技术路线和设备规格的　

选取、各子系统的匹配和各种资源的配置优化等对　于提高电站的经济性也非常重要。文献［１５１就对几　乎所有的槽式太阳能热发电技术和电站进行了全方　位的比较和分析，包括经、济．ｊ生分析。　Ｌｕｚ公司建设的ＳＥＧＳ　Ｉ￣ＳＥＧＳ　ＩＸ电站，其聚　

光镜就经历了ＬＳ１到ＬＳ３三代，单镜面积从１２８　ｍｚ　提升至５４５　ｍ　［３】。而对于开口宽度５　ｍ左右的聚光　

镜，常配置７０　ｍｍ外径的吸热管，同时匹配１１５　

ｍｍ左右的玻璃管；综合效率和成本，单根吸热管　长度一般为４ｍｉｓ／。　虽然过热蒸汽发电效率更高，但在ＤＳＧ技术中　应用却存在光热转换效率较低的问题，在ＤＩＳＳ项　

目中，６．５　ＭＰａ、２８０．８６　ｏＣ的饱和蒸汽光电转换效率　为１６．２％，仅比７．０６　ＭＰａ、４０７．６℃的过热蒸汽的光　

电转换效率１６．４％略低［２ｌ】。过热蒸汽对设备要求更　高，所以在ＤＳＧ系统中过热蒸汽方案未必更优。　

文献［２２—２３］对电站的选址和集热场配置进行了　全面的经济分析研究，而文献［２４］则是针对导热油　吸热、熔盐吸热、ＤＳＧ、ＤＳＧ＋导热油过热和ＤＳＧ＋