2 塔式太阳能热发电系统原理-塔式太阳能聚光热发电系统解析

杨军平

[摘 要]太阳能的开发和利用越来越受到国内外能源机构研究和重视，具有清洁无污染、利用方便等优势，太阳能热发电系统可以在提供清洁电力的同时，还能够保持电力系统的可靠性运行。为实现我国太阳能向电能的高效转化，本文对太阳能热发电聚光系统进行了分析探讨，基于太阳能热发电研究状况，对太阳能聚光系统的四种应用形式进行了分析，并对太阳能聚光系统的应用进行了展望。

[关键词]太阳能；热发电；聚光系统

中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）29-0182-02

1 引言

随着经济的飞速发展，我国的能源消费总量连续多年位居世界前列，但是目前我国新能源的利用率约10%，不能及时并入电网，造成利用率较低。经济发展的同时也意味着能源的高度消耗，石油资源昂贵稀缺，煤炭资源则会对环境造成破坏性的影响。因此大力发展太阳能等清洁型能源是世界能源市场的未来趋势。太阳能热发电主要指通过聚光集热系统将收集到的太阳辐射热能，转化为高温蒸汽推动发电机进行发电。另外一种常见的太阳能发电技术叫做光伏发电，该方法输出电力更为稳定，并且具有一定的调节性，可以满足供电尖峰负荷。太阳能发电站还可以建设蓄热系统，在阴天或者日落等没有太阳光的时候，释放蓄存的热能，满足发电机的运转，保障电力正常输出。此外，发电站还可以将太阳能和化石燃料混合发电，这样既提高了输出电力的稳定性，又可以有效减少对环境的污染。

2 太阳能热发电研究状况

环境问题日益严重，能源结构也在不断变革，各国都在积极进行太阳能发电的相关研究，并取得了一定的成就。美国和欧盟国家最早对太阳能热发电进行研究，目前技术处于世界領先地位，且美国等国家对可再生能源的开发利用十分重视，在政府的帮助下，太阳能发电已经步入了商业化模式。我国近年来开始引进和自主研发太阳能热发电技术，并在2010年建成1MW的塔式太阳能发电站，现在正在逐步加快对太阳能热发电系统的研究和建设。

3 太阳能聚光系统分析

（1）抛物槽式聚光系统

该系统的聚光设备为抛物柱面聚光镜，水平放置，多和吸热管平行，采用绕单轴旋转跟踪太阳光的方式，以保证太阳光线的直射方向始终和旋转轴垂直。为了保证聚光效果，抛物面会将太阳光会聚在聚焦线处的吸热管上。系统的光学结构中主要几何参数有聚光镜的口径、焦距以及边缘角，因此在设计过程中应当重点考虑聚光比和光斑的溢出损失。抛物槽式聚光发电系统见图1：

在设计时，主要是利用光学软件对系统进行建模，并利用相关工具对蒙特卡罗光纤追踪，在分析系统光学性能之后，可以确定其聚光结构。在制作时，重点是真空集热管和抛物柱面反光镜的加工。真空集热管要选择能够在高温环境下具有高吸热效率、不易脱落、使用时间长的涂层材料，反光镜关键是镜面面形的精度要很高。当前该系统已经实现商业化的生产建设，且加工技术较为成熟，在实际的应用当中，电站的规模能够达到100MW，年光电转化效率大概为14%。下一步研究的方向主要是降低聚光镜的加工成本，并提高聚光效率。

（2）碟式聚光系统

该系统目前有两种：单碟式、多碟式。其中单个旋转抛物面反光镜和斯特林发动机组成的是单碟式系统，多个碟形反光镜和斯特林发动机组成的是多碟式系统。该系统围绕双轴旋转对太阳光进行三维的跟踪，为了保证聚光效果，光轴方向和入射方向始终保持一致。其原理是利用旋转抛物面对于平行光有理想的会聚特性。碟式聚光发电系统见图2：

该系统设计理念基本和槽式聚光系统相同。技术难点是关于斯特林发动机和旋转抛物面反光镜的加工制作。斯特林发动机要求外燃系统的温度要高于封闭循环系统的工质温度，目前欧美部分发达国家已经可以对此发动机进行生产；抛物面反光镜加工要求面形精度要高，目前可以使用小尺寸的曲面镜进行拼接，还可以通过在基材料上粘贴薄的镀银玻璃反射镜制作而成。在实际应用中，最高年光电转化效率能够达到29.4%，最大装机容量为25kW，适用于沙漠等干旱地区，但是其工件的加工成本较高，因此为了实现商业化生产要降低聚光发电的成本。

（3）塔式聚光系统

该系统目前有两种：单塔式和多塔式聚光阵列。单塔式系统的组成部分有：镜场、单塔、塔顶吸热器，其中镜场主要由定日镜组成。多塔式系统是由镜场和多个塔顶组成，可以满足大规模发电需求。系统定日镜会绕双轴旋转对太阳光进行三维跟踪，将太阳光反射到塔顶后，塔顶的吸热器再将低密度的太阳辐射会聚一起转化为热能，并通过传热工质传输到地面实现发电，塔式聚光发电系统见图3。

在设计时，主要考虑定日镜和镜场，可以利用光学软件设计镜面，采用轮胎面聚光镜的光斑变化，使其容易被吸热器接收。镜场的结构参数和地理位置等也需要在设计中考虑。在制作中，平面定日镜的成本较低，尺寸较小，但是对光线无会聚作用，只适用于小型镜场；曲面定日镜的成本较高，加工难度也较高，但是聚光性能较为理想，可以做成大型镜场。但是实际制作中，由于小尺寸定日镜的数量巨大，大尺寸的镜场难以控制，因此要进行优化设计。目前该系统的年光电转化效率为15%，设计规模可以达到20MW。

（4）菲涅耳聚光系统

该系统是由主聚光镜、次聚光镜以及吸热管组成，主聚光镜由可以绕水平轴旋转的条形平面反射镜组成，是基于抛物槽式聚光系统改进而成。其原理是主聚光镜跟踪太阳光，并将光线会聚在镜场上方的吸热管，通过吸热管上方的次聚光镜二次聚光，达到更优的聚光性能，菲涅耳聚光发电系统见图4

在设计时主要考虑其二次聚光方式下，主聚光和次聚光镜场的结构参数，可以利用光学设计软件进行模拟分析。在制作中，主、次聚光镜的生产工艺已经成熟。该系统目前正处于商业化演示阶段，年光电转化效率可以高达37%，具有良好的发展前景。

抛物槽式聚光技术成熟，目前该种电站规模大，年光电转化率较为经济，已大量投入生产建设，如果可以降低聚光镜加工成本，提高聚光效率，该种技术将能得到更大的发展；碟式聚光式电站年光电转化率高，普遍适用于沙漠等干旱地区，但是由于其技术复杂，设备昂贵，难以在其他地区获得发展；曲面定日镜技术同样有成本较高，加工难度较大的缺点，该种聚光系统应着重发展大型日镜，才能有更高的经济效益；菲涅耳聚光电站则技术难点较少，成本较低，具有较好的发展前景，是未来太阳能发电的发展和研究方向。

4 太阳能热发电技术展望

近年来，我国逐步增大了对太阳能发电的技术和资金投入，在太阳能发电发面取得了良好的进展，但是距离商业化大规模太阳能发电还有一定的距离。只有充分结合当地气候环境条件，并且积极更新先进发电技术，采用科学合理的太阳能热发电方式，才能保证发电站的经济性和发展性。还可以考虑整合太阳能发电和常规发电优缺点，完善发电站发电系统，在保证环境的前提下，增供电输出的稳定性。另外，要充分利用现有的成熟发电技术，合理利用到太阳能发电技术中去，积极研发新兴技术，完善发电工艺，对发电系统进行整合提高，提高热能转化率，解决现有太阳能发电问题，保证发电站的经济效益，促进企业的健康发展。

5 结语

综上所示，太阳能热发电技术的应用前景非常广阔，下一步应当重点提升太阳能的发电效率，降低发电成本，并集中突破太阳能发电主要技术难点，积极发展太阳能商业化发电事业，为利用绿色能源实现大规模的发电奠定良好的基础。

参考文献

[1] 魏秀东，卢振武，林梓.太阳能塔式电站轮胎面定日镜的设计及性能分析[J].光子学报，2008，37（11）：2468-2472.

[2] SCHELL S. Design and evaluation of esolar's heliostat fields[J].Solar Energy， 2010，185（4）：614-619.