1.2 槽式太阳能热发电技术

太阳能热发电技术主要包括碟式太阳能热发电（图1.1）、塔式太阳能热发电（图1.2）、槽式太阳能热发电（图1.3）、太阳能热气流发电、太阳池热发电等形式。符合“大容量,高参数,长周期储热”国际太阳能热发电技术发展趋势的是前三种，而槽式太阳能热发电是世界上迄今为止商业化最成功的太阳能热发电系统。

槽式太阳能热发电技术将由抛物线槽式聚光镜、集热管等构成的大量槽式太阳能聚光集热器（槽式集热器）布置在场地上，再将这些槽式集热器加以串并联。抛物线槽式聚光镜采用单轴跟踪方式追踪太阳运动轨迹，将入射的直射太阳辐射聚焦到位于抛物线焦线的集热管上，集热管中的传热工质被加热到400℃左右的高温，进入蒸汽发生装置放热以产生高温高压蒸汽，高温高压蒸汽推动汽轮发电机组发电。传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；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。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的运行更加稳定、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。

槽式热发电系统结构简单、成本较低、土地利用率高、安装维护方便，导热油工质的槽式太阳能热发电技术已经相当成熟。由于槽式系统可将多个槽式集热器串联、并联排列组合，因此可以构成较大容量的热发电系统，但也正是因为其热传递回路很长，因此传热工质的温度难以再提高，系统综合效率较低。

集热管里的工质通常是导热油，但随着科学技术的发展，工质可以扩展到熔融盐、水、空气等物质。目前，实际应用的工质主要有两种，即导热油和水。槽式太阳能热发电技术按其工质不同，分为导热油槽式太阳能热发电系统（通常简称为导热油槽式系统）和槽式太阳能直接蒸汽发电（Direct Steam Generation,DSG）系统（通常简称为槽式DSG系统）。

1.2.1 导热油槽式系统

传统槽式太阳能热发电系统的工质为导热油，导热油工质被加热后，流经换热器加热水产生过热蒸汽，借助于蒸汽动力循环推动常规汽轮发电机组来发电。作为太阳能量不足时的备用，系统通常配有一个辅助燃烧炉，辅助燃烧炉燃料通常用天然气或燃油。导热油槽式系统工作原理如图1.4所示，其主要由聚光集热子系统、换热子系统、发电子系统、蓄热子系统、辅助能源子系统构成。

（1）聚光集热子系统。它是系统的核心，导热油槽式系统的聚光集热装置是众多分散布置的槽式集热器。槽式集热器的结构主要由抛物线槽式聚光镜、集热管和跟踪装置三部分组成。抛物线槽式聚光镜由很多抛物面反射镜单元组构成。反射镜采用低铁玻璃制作，背面镀银，镀银表面涂有金属漆保护层。抛物线槽式聚光镜为线聚焦装置，阳光经镜面反射后，聚焦为一条线，集热管就放置在这条焦线上，用于吸收阳光加热工质，如图1.5所示。实际上，槽式系统的集热管就是一根作了良好保温的金属圆管。目前，集热管有真空集热管和空腔集热管两种结构。槽式集热器配有自动跟踪系统，能跟踪太阳的运行。反射镜根据其采光方式的不同，即轴线指向的不同，可以分为东西向和南北向两种布置形式，因此它有两种不同的跟踪方式。通常，南北向布置的反射镜需作单轴跟踪，东西向布置只作定期跟踪调整。每组槽式集热器均配有一个伺服电机。由太阳辐射传感器瞬时测定太阳位置，通过计算机控制伺服电机，带动反射镜面绕轴跟踪太阳。槽式集热器的聚光比约为10～30，集热温度可达400℃。

(2)换热子系统。它由预热器、蒸汽发生器、过热器和再热器组成。导热油槽式系统采用双回路结构，即集热管中的工质油被加热后，进入换热子系统中产生过热蒸汽，过热蒸汽通过蒸汽回路进入汽轮发电子系统发电。

（3）发电子系统。它的基本组成与常规发电设备类似，但太阳能加热系统与辅助能源系统联合运行时，需要配备一种专用控制装置，用于工作流体在太阳能加热系统与辅助能源系统之间的切换。

（4）蓄热子系统。它是太阳能热发电站不可缺少的组成部分。太阳能热发电系统在早晚或云遮时通常需要依靠储能设备维持系统的正常运行。蓄热器就是采用真空或隔热材料作良好保温的贮热容器。蓄热器中贮放蓄热材料，通过换热器对蓄热材料进行贮热和取热。蓄热子系统采用的蓄能方式主要有显式、潜式和化学蓄热3种。对不同的蓄热方式，应该选择不同的蓄热材料。

（5）辅助能源系统。它一般应用于夜间或阴雨天系统运行时，采用常规燃料作辅助能源。Al-sakaf提出，电厂通常可以使用25%以上的化石类燃料作不时之需，这样可以节省昂贵的能量储存装置，降低整个太阳能热发电系统的初次投资，而且优化了太阳能热发电站的设计，大大降低了生产单位电能的平均成本。

1.2.2 槽式太阳能直接蒸汽发电系统

1.发展槽式太阳能直接蒸汽发电系统的必要性

目前，世界上商业运行的槽式太阳能热发电系统普遍应用导热油作为其传热工质，但是导热油却存在着很多不足之处：①导热油在高温下运行时，化学键易断裂分解氧化，从而引起系统内压力上升，甚至出现导热油循环泵的气蚀，特别是对于气相循环系统，压力上升，则难以控制其内部温度，进而因为气夹套上部或盘管低凹处气体的寄存，造成热效率降低等不良影响，因此导热油工作槽式系统一般运行温度为400℃，不宜再提高，这直接造成导热油工作槽式系统的系统效率不高；②导热油在炉管中的流速必须选在2m/s以上，流速越小油膜温度越高，易导致导热油结焦；③油温必须降到80℃以下，循环泵才能停止运行；④一旦导热油发生渗漏，在高温下将增加引起火灾的风险。美国LUZ公司的SEGS电站就曾经发生过火灾，并为防止油的泄漏和对已漏油的回收投入大量资金。鉴于导热油工质的上述问题，太阳能专家开始考虑直接应用水蒸气作为工质进行发电。水工质槽式系统的运行温度可以达到500℃甚至更高，减少了换热环节的能量损失以及换热设备等的投资，降低了电站的成本，降低了电站的安全隐患，减少了对环境的影响，提高了电站的发电效率。因此，Cohen和Kearney于1994年提出了直接蒸汽发电槽式太阳能聚光集热器（槽式集热器）的概念，作为槽式集热器的未来发展方向。近年来，各国专家学者均将目光投向了直接以水（蒸汽）为工质的槽式DSG系统。

2.槽式DSG系统的概念和优势

槽式DSG系统是利用抛物线形槽式聚光器将太阳光聚焦到集热管上，直接加热集热管内的工质水，直至产生高温高压蒸汽推动汽轮发电机组发电的系统。其中，由聚光器与集热管组成的装置称为DSG槽式太阳能聚光集热器（DSG槽式集热器），是槽式DSG系统的核心部件。与工质为导热油的槽式系统相比，槽式DSG系统同样由聚光集热子系统、发电子系统、蓄热子系统、辅助能源子系统构成，但由于利用水工质代替了导热油工质，因此没有换热环节。槽式DSG系统具有以下优势：①用水替代导热油，消除了环境污染风险；②省略了油或蒸汽换热器及其附件等，电站投资大幅下降；③简化了系统结构，大幅降低了电站投资和运营成本；④具有更高的蒸汽温度，电站发电效率较高。

3.槽式DSG系统运行模式

Dagan和Lippke提出槽式DSG系统的运行模式有直通模式、注入模式和再循环模式3种，如图1.6所示。

在直通模式槽式DSG系统中，给水从集热器入口至集热器出口，依次经过预热、蒸发、过热，直至蒸汽达到系统参数，进入汽轮机组发电。注入模式槽式DSG系统与直通模式槽式DSG系统类似，区别在于注入模式槽式DSG系统中集热器沿线均有减温水注入。而再循环模式槽式DSG系统最为复杂，该系统在集热器蒸发区结束位置装有汽水分离器。3种模式中，直通模式是最简单、最经济的运行模式，再循环模式是目前最保守、最安全的运行模式，而由于在试验中发现注入模式的测量系统不能正常工作，因此一般认为注入模式是不可行的。由于槽式DSG系统运行中集热器内存在水-水蒸气两相流转化过程，因此其控制问题比导热油工质槽式系统更加复杂。