2.3　光热发电

2.3.1　光热发电的原理

光热发电主要利用大规模阵列镜面聚焦采集太阳直射光，通过加热介质，将太阳能转化为热能，然后利用传统的热力循环过程形成高温高压水蒸气推动汽轮机发电机组工作，达到发电的目的。光热发电涉及光、热、电之间的转换，包括光的捕获与转换过程、热量的吸收与传递过程、热量储存与交换过程、热电转换过程等，光热发电系统结构如图2-25所示。

光热发电产生的是和传统火电一样的交流电，与现有电网匹配性好，可直接上网。为弥补发电的间歇性，光热发电需要配置储热系统。白天，光热发电站的集热系统直接驱动汽轮机发电，同时把部分热量储存在储热系统中；晚上，再利用储热发电。

2.3.2　光热发电的类型

按太阳能采集方式划分，世界上主流的光热发电技术形式有槽式、线性菲涅尔式、塔式和碟式。

2.3.2.1　槽式与线性菲涅尔式光热发电

槽式光热发电系统主要由数百行抛物面聚光槽、真空集热管构成的太阳能集热场，以及一套传统的汽轮发电机组组成，如图2-26所示。抛物面聚光槽通过单轴跟踪装置将太阳光准确反射到焦线处的真空集热管上，将管内传热介质加热，然后高温传热介质通过热交换器产生高温高压蒸汽驱动汽轮发电机组发电。槽式光热发电系统还可配置储热系统，通过储热介质将太阳能以热能的形式储存起来，需要时再释放热量用于发电。

线性菲涅尔式光热发电系统是在槽式光热发电系统的基础上发展起来的。它与槽式光热发电系统的不同之处在于：

（1）线性菲涅尔式光热发电系统的镜面是平面，且镜面较小，与槽式的曲面镜相比，易加工，成本较低。

（2）线性菲涅尔式光热发电系统的每面镜条都自动跟踪太阳，相互之间可用联动控制，控制成本比槽式光热发电系统低。

（3）线性菲涅尔式光热发电系统采用紧凑密排的方式，镜场之间的光线遮挡较小，场地利用率高。

（4）线性菲涅尔式光热发电系统不但可聚集直射光，还可以聚集部分散射光，聚光比高于相同场地的槽式光热发电系统，一般为50～100。

2.3.2.2　塔式光热发电

塔式光热发电系统包括定日镜、中央集热塔、储热系统以及汽轮发电机组等部分，如图2-27所示。定日镜分布安装在中央集热塔周围，系统通过对定日镜的控制，实现对太阳的最佳跟踪，将太阳光聚焦到中央集热塔顶的吸收器，在其腔体内产生高温，使传热介质受热升温，进入蒸汽发生器产生蒸汽，最终驱动汽轮发电机组进行发电。塔式光热发电系统可以用水、空气或熔融盐作为传热介质。塔式光热发电系统也可配置储热系统。

2.3.2.3　碟式光热发电

碟式光热发电系统由碟形反射镜、接收器和发电机组成，如图2-28所示。利用旋转抛物面的碟式反射镜将太阳光聚焦到一个焦点，接收器在抛物面的焦点上，接收器内的传热介质被加热到高温，驱动热机运转，并带动发电机发电，一般在焦点处安装斯特林发电机。和槽式光热发电系统一样，碟式光热发电系统的太阳能接收器也不固定，随着碟形反射镜跟踪太阳的运动而运动，克服了塔式光热发电系统较大余弦效应引起的损失问题，光热转换效率大大提高。和槽式光热发电系统不同的是，碟形反射镜将太阳聚焦于旋转抛物面的焦点上，而槽式反射镜则将太阳聚焦于圆柱抛物面的焦线上。

上述3种光热发电系统各有优缺点，其主要的性能参数比较见表2-1。

2.3.3　光热发电系统的构成

光热发电系统由聚光系统、集热系统、储热系统和发电系统等组成。

2.3.3.1　聚光系统

聚光系统是影响聚光效率的关键部件。太阳并非一个点光源，而是有一定直径的盘面，太阳光到达地球时的张角约为0.54°，近似于平行光。如果入射光是严格的平行光，将被抛物面聚光器聚焦成一条几何意义的光线。因盘面效应的影响，实际聚焦形成的是一条光斑带，其宽度随聚光器焦距的增大而增大，且实际光斑和理想聚焦成像光斑之间还存在像差。聚光器主要有槽式、塔式和碟式等不同形式，收集太阳能对聚光器的精度要求很高。

抛物槽式聚光系统的光学结构简单，需要设计的几何参数包括聚光镜口径、焦距、边缘角等，在设计中需要考虑的性能参数包括聚光比、光斑溢出损失等。槽式聚光镜经过了几代的发展，其口径、焦距、边缘角等参数不断加大。早期LIEBI的口径为0.56m，焦距为0.24m；目前RP4的口径为6.78m，焦距为1.71m。槽式聚光镜尺寸演变如图2-29所示。利用光学设计软件如Zemax、Tracepro、ASAP等可对抛物槽式聚光系统进行建模，并借助MATLAB对聚光系统进行蒙特卡罗光线追迹，分析聚光系统的光学性能，最终确定聚光结构。抛物柱面聚光镜目前多采用4mm厚的热弯玻璃并在背面镀银反射膜及多层保护膜，也可在基底材料上粘贴薄玻璃反射镜或高反射耐候性薄膜。

碟式聚光系统的光学结构简单，设计方法与槽式聚光系统相似。聚光镜的制作关键在于面形精度的控制。制作方法主要有两种：一种是采用小尺寸的曲面镜进行拼接；另一种是在基底材料上粘贴薄的镀银玻璃反射镜或高反射耐候性薄膜。

塔式聚光系统利用定日镜群，将阳光聚焦到位于高塔上的集热器。其光学结构比较复杂，在设计中需要考虑定日镜和镜场两部分。定日镜的面形有平面和曲面两种，平面定日镜加工装调简单，成本低，由于对光线无汇聚作用，定日镜尺寸一般较小，以保证较小的镜场光斑。曲面定日镜加工装调较困难，成本高，但聚光性能较好，定日镜可以做得很大。定日镜的光学设计主要在于面形设计，可采用光学设计软件如Zemax，设计过程比较简单。在聚光过程中阳光的入射角变化范围较大，球面或其他旋转曲面存在较大的像散，致使定日镜的光斑较大，不利于吸热器的接收。采用可校正像散的轮胎面聚光镜可减小光斑的变化，提高聚光性能，但缺点是加工装调比较困难，制作工艺还需验证。目前，平面定日镜多采用厚4mm的镀银玻璃反射镜，曲面定日镜则在曲面基底上粘贴薄的镀银玻璃反射镜或反射膜，曲面基底材料可以是玻璃钢或不锈钢等。镜场设计是通过优化镜场的结构参数，设计出成本低、年聚光效率高的镜场布置，设计过程比较复杂，需要编制专用的设计软件。镜场的结构参数包括地理纬度、定日镜尺寸及数量、定日镜的布置方式及间距、吸热器位置及倾斜角度等，需要在设计中考虑的性能参数包括镜场的余弦效率、相邻定日镜间的阴影挡光损失、大气对会聚光束的吸收散射损失、光斑在吸热器上的溢出损失等。镜场的设计软件主要有HELIOS、DELSOL3、HFLCAL、Win DELSOL1.0、SENSOL等，国内的镜场优化设计软件有HFLD1.0，已用于北京延庆1MW塔式电站的镜场设计与性能分析中。

抛物面聚光器只能收集直射光线，利用跟踪装置可以使系统截获更多的太阳辐射。用于光热发电的跟踪方式按照入射光和主光轴的位置关系可分为双轴跟踪和单轴跟踪。双轴跟踪是根据太阳高度和赤纬角的变化情况而设计的，它具有最理想的光学性能，是最好的跟踪方式，能够使入射光与主光轴方向一致，获得最多的太阳能。但此种设备结构复杂，制造和维修成本高，性价比不如单轴跟踪好。单轴跟踪型只要求入射光线位于含有主光轴和焦线的平面，且结构简单，实际生产中在跟踪精度要求不高或阳光充裕的地方一般优先考虑单轴跟踪。按焦线位置的不同，单轴跟踪分为南北地轴式、南北水平式和东西水平式3种。总之，采用何种方式是一个性价比问题，要根据实际应用来选择不同的跟踪方式。一般的槽式热电系统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0.04°夹角，以便在任何情况下都能有效反射太阳光。虽然对太阳光跟踪系统的研究已经进行了几十年，然而目前的聚光跟踪系统仍存在结构复杂、跟踪成本高、聚光效率低的问题。3种光热发电技术的聚光系统见表2-2。

2.3.3.2　集热系统

集热系统是影响热吸收效率的关键部件。目前用于光热发电的集热系统主要有真空集热管和腔体吸收器两种。

真空集热管由一根表面有选择性吸收涂层的金属管（吸收管），以及外套的一根同心玻璃套管组成，如图2-30所示。玻璃套管与金属管（通过可伐过渡）密封连接；玻璃套管与金属管夹层内抽真空，以保护金属管表面的选择性吸收涂层，同时减少集热损失。真空集热管主要用于短焦距抛物面聚光器，能够增大吸收面积，降低光照面上的热流密度，从而有效减少热损失。

腔体吸收器的结构为一槽形腔体，外表面覆隔热材料，利用腔体的黑体效应，可充分吸收聚焦后的阳光。与真空集热管相比，腔体吸收器具有较低的直射能流密度，且腔体壁温较均匀，热性能稳定，集热效率高，无需光学选择性涂层，只需传统的材料和加工工艺，成本低且便于维护。但光学效用不如真空集热管好，在太阳能的中、低温利用中，两者的效率有一个相交值，腔体吸收器适合于中、高温工况下运行。

在选择集热系统时要根据具体情况选择不同类型的集热装置。

2.3.3.3　储热系统

储热系统可分为热罐—冷罐双罐储热方式和斜温层单罐储热方式两种，其中双罐储热是目前技术上较成熟的储热方式；单罐储热结构较复杂，但可以降低系统的储热成本。在光热发电系统中应用的储热材料有空气、水/水蒸气、油/岩石、合金、导热油、熔融盐、陶瓷、混凝土等。下面以熔融盐、高温混凝土、合金为例加以说明。

1.熔融盐

熔融盐的熔点符合热动力循环温度要求，具有较低的饱和蒸汽压，价格相对低廉且易获得，是一种理想的蓄热材料，不管是槽式光热发电还是塔式光热发电，熔融盐蓄热技术都被看作是一种先进的蓄热技术，它对于提高系统发电效率，提高系统发电稳定性和可靠性具有重要意义。与导热油（使用温度不超过400℃）相比，熔融盐的温度极限可以为450～600℃，有利于提高发电效率和降低成本。熔融盐的选取原则主要有：熔融盐的凝固点要低，运动黏度要合适，高温时（500℃）化学性能稳定，对容器的腐蚀小、成本低。一般锂盐的成本最高，其次是钾盐，再次是钠盐，最低的是钙盐。

目前应用于光热发电系统的熔融盐也存在不少缺点，主要是凝固点高，容易凝固阻塞管道，维护成本较高。熔融盐的腐蚀性和高温下的化学稳定性也是其应用于集中式光热发电系统的限制因素。

2.高温混凝土

高温混凝土储热系统的概念是1988—1992年提出的，直到1994年德国宇航中心（DLR）在太阳能与氢能研究中心（ZSW）才完成了2个小型实验系统的测试。2003—2004年完成第一代高温混凝土储能系统的测试，2008—2009年完成第二代高温混凝土储能系统的测试。表2-3为DLR研制的高温混凝土与浇铸陶瓷的性能。

高温混凝土的不足之处在于，由于其是显热固体储热，其储热密度和导热系数较小，系统占地面积较大。

3.合金

Al-Si合金相变储热材料有储能密度大、储热温度高、热稳定性好、导热系数好、相变时过冷度小、相偏析小、性价比良好等特点。Al-Si合金的一些热物理性能可参考如下参数：熔点852K、熔融潜热515kJ/kg、固相比热容1.49kJ/（kg·K）、液相导热系数70W/（m·K）、固相导热系数180W/（m·K）、固相密度2250kg/m3（Si的质量分数不同，数值将不同）。其他一些金属合金的熔点和潜热见表2-4。

综上，导热油成本较高，储热温度低于420℃，但对管道、阀门、泵设施要求低；熔融盐成本低，储热温度可达560℃，但具有腐蚀性，对辅助设施要求高，增加了系统的成本；混凝土价格最低，储热密度较高，但放热缓慢，热交换系数低；合金储能密度大，相应的储热设备体积小，但也存在高温腐蚀严重的问题。因此，需降低储热介质和系统成本，改善材料的导热、换热效率、稳定性等物性参数，提高材料的储热和放热性能。

2.3.3.4　发电系统

光热发电所用汽轮发电机组因其能量源于具有间歇性、波动性的太阳能，其性能要求稍高于传统汽轮发电机组。首先，目前大多数光热电站还未实现全天24h持续发电，一般汽轮发电机组在每天早晨开始启动运转，到晚间无热源时关停或通过其他燃料补燃进行低负荷运转。为此，光热发电用汽轮发电机组需满足每天至少一次的频繁启动要求，并尽可能地缩短每次启动的时间，以在有限发电小时数内更快速地达到额定发电功率，获得更多发电量。此外，太阳光照资源波动性直接影响蒸汽的各项参数，汽轮发电机组还需要适应这种频繁的工质参数变化。综上，光热发电用汽轮发电机组的特点是：热启动迅速，可靠性高，启动频率满足每天至少启动一次，使用寿命超过30年。