1.2 槽式太陽能熱發電技術

太陽能熱發電技術主要包括碟式太陽能熱發電（圖1.1）、塔式太陽能熱發電（圖1.2）、槽式太陽能熱發電（圖1.3）、太陽能熱氣流發電、太陽池熱發電等形式。符合“大容量,高參數,長周期儲熱”國際太陽能熱發電技術發展趨勢的是前三種，而槽式太陽能熱發電是世界上迄今為止商業化最成功的太陽能熱發電系統。

槽式太陽能熱發電技術將由拋物線槽式聚光鏡、集熱管等構成的大量槽式太陽能聚光集熱器（槽式集熱器）布置在場地上，再將這些槽式集熱器加以串并聯。拋物線槽式聚光鏡采用單軸跟蹤方式追蹤太陽運動軌跡，將入射的直射太陽輻射聚焦到位于拋物線焦線的集熱管上，集熱管中的傳熱工質被加熱到400℃左右的高溫，進入蒸汽發生裝置放熱以產生高溫高壓蒸汽，高溫高壓蒸汽推動汽輪發電機組發電。傳熱介質放熱完畢后再次進入槽式聚光器陣列開始下一個循環；而通過汽輪機做功后的乏汽冷凝后經過循環泵返回蒸汽發生裝置，吸熱后再次進入汽輪機做功。這樣周而復始的循環，太陽能就被源源不斷地轉化成電能。但是在太陽能直射輻射不好的天氣或沒有太陽的夜里，要想實現槽式太陽能熱發電系統不間斷供電就必須采用蓄熱系統或者常規能源系統加以能源補給。另外，蓄熱系統或者常規能源系統還能使整個系統的運行更加穩定、安全可靠，大大減少了因突然云遮等原因蒸汽品質惡化給汽輪機帶來的沖擊。

槽式熱發電系統結構簡單、成本較低、土地利用率高、安裝維護方便，導熱油工質的槽式太陽能熱發電技術已經相當成熟。由于槽式系統可將多個槽式集熱器串聯、并聯排列組合，因此可以構成較大容量的熱發電系統，但也正是因為其熱傳遞回路很長，因此傳熱工質的溫度難以再提高，系統綜合效率較低。

集熱管里的工質通常是導熱油，但隨著科學技術的發展，工質可以擴展到熔融鹽、水、空氣等物質。目前，實際應用的工質主要有兩種，即導熱油和水。槽式太陽能熱發電技術按其工質不同，分為導熱油槽式太陽能熱發電系統（通常簡稱為導熱油槽式系統）和槽式太陽能直接蒸汽發電（Direct Steam Generation,DSG）系統（通常簡稱為槽式DSG系統）。

1.2.1 導熱油槽式系統

傳統槽式太陽能熱發電系統的工質為導熱油，導熱油工質被加熱后，流經換熱器加熱水產生過熱蒸汽，借助于蒸汽動力循環推動常規汽輪發電機組來發電。作為太陽能量不足時的備用，系統通常配有一個輔助燃燒爐，輔助燃燒爐燃料通常用天然氣或燃油。導熱油槽式系統工作原理如圖1.4所示，其主要由聚光集熱子系統、換熱子系統、發電子系統、蓄熱子系統、輔助能源子系統構成。

（1）聚光集熱子系統。它是系統的核心，導熱油槽式系統的聚光集熱裝置是眾多分散布置的槽式集熱器。槽式集熱器的結構主要由拋物線槽式聚光鏡、集熱管和跟蹤裝置三部分組成。拋物線槽式聚光鏡由很多拋物面反射鏡單元組構成。反射鏡采用低鐵玻璃制作，背面鍍銀，鍍銀表面涂有金屬漆保護層。拋物線槽式聚光鏡為線聚焦裝置，陽光經鏡面反射后，聚焦為一條線，集熱管就放置在這條焦線上，用于吸收陽光加熱工質，如圖1.5所示。實際上，槽式系統的集熱管就是一根作了良好保溫的金屬圓管。目前，集熱管有真空集熱管和空腔集熱管兩種結構。槽式集熱器配有自動跟蹤系統，能跟蹤太陽的運行。反射鏡根據其采光方式的不同，即軸線指向的不同，可以分為東西向和南北向兩種布置形式，因此它有兩種不同的跟蹤方式。通常，南北向布置的反射鏡需作單軸跟蹤，東西向布置只作定期跟蹤調整。每組槽式集熱器均配有一個伺服電機。由太陽輻射傳感器瞬時測定太陽位置，通過計算機控制伺服電機，帶動反射鏡面繞軸跟蹤太陽。槽式集熱器的聚光比約為10～30，集熱溫度可達400℃。

(2)換熱子系統。它由預熱器、蒸汽發生器、過熱器和再熱器組成。導熱油槽式系統采用雙回路結構，即集熱管中的工質油被加熱后，進入換熱子系統中產生過熱蒸汽，過熱蒸汽通過蒸汽回路進入汽輪發電子系統發電。

（3）發電子系統。它的基本組成與常規發電設備類似，但太陽能加熱系統與輔助能源系統聯合運行時，需要配備一種專用控制裝置，用于工作流體在太陽能加熱系統與輔助能源系統之間的切換。

（4）蓄熱子系統。它是太陽能熱發電站不可缺少的組成部分。太陽能熱發電系統在早晚或云遮時通常需要依靠儲能設備維持系統的正常運行。蓄熱器就是采用真空或隔熱材料作良好保溫的貯熱容器。蓄熱器中貯放蓄熱材料，通過換熱器對蓄熱材料進行貯熱和取熱。蓄熱子系統采用的蓄能方式主要有顯式、潛式和化學蓄熱3種。對不同的蓄熱方式，應該選擇不同的蓄熱材料。

（5）輔助能源系統。它一般應用于夜間或陰雨天系統運行時，采用常規燃料作輔助能源。Al-sakaf提出，電廠通常可以使用25%以上的化石類燃料作不時之需，這樣可以節省昂貴的能量儲存裝置，降低整個太陽能熱發電系統的初次投資，而且優化了太陽能熱發電站的設計，大大降低了生產單位電能的平均成本。

1.2.2 槽式太陽能直接蒸汽發電系統

1.發展槽式太陽能直接蒸汽發電系統的必要性

目前，世界上商業運行的槽式太陽能熱發電系統普遍應用導熱油作為其傳熱工質，但是導熱油卻存在著很多不足之處：①導熱油在高溫下運行時，化學鍵易斷裂分解氧化，從而引起系統內壓力上升，甚至出現導熱油循環泵的氣蝕，特別是對于氣相循環系統，壓力上升，則難以控制其內部溫度，進而因為氣夾套上部或盤管低凹處氣體的寄存，造成熱效率降低等不良影響，因此導熱油工作槽式系統一般運行溫度為400℃，不宜再提高，這直接造成導熱油工作槽式系統的系統效率不高；②導熱油在爐管中的流速必須選在2m/s以上，流速越小油膜溫度越高，易導致導熱油結焦；③油溫必須降到80℃以下，循環泵才能停止運行；④一旦導熱油發生滲漏，在高溫下將增加引起火災的風險。美國LUZ公司的SEGS電站就曾經發生過火災，并為防止油的泄漏和對已漏油的回收投入大量資金。鑒于導熱油工質的上述問題，太陽能專家開始考慮直接應用水蒸氣作為工質進行發電。水工質槽式系統的運行溫度可以達到500℃甚至更高，減少了換熱環節的能量損失以及換熱設備等的投資，降低了電站的成本，降低了電站的安全隱患，減少了對環境的影響，提高了電站的發電效率。因此，Cohen和Kearney于1994年提出了直接蒸汽發電槽式太陽能聚光集熱器（槽式集熱器）的概念，作為槽式集熱器的未來發展方向。近年來，各國專家學者均將目光投向了直接以水（蒸汽）為工質的槽式DSG系統。

2.槽式DSG系統的概念和優勢

槽式DSG系統是利用拋物線形槽式聚光器將太陽光聚焦到集熱管上，直接加熱集熱管內的工質水，直至產生高溫高壓蒸汽推動汽輪發電機組發電的系統。其中，由聚光器與集熱管組成的裝置稱為DSG槽式太陽能聚光集熱器（DSG槽式集熱器），是槽式DSG系統的核心部件。與工質為導熱油的槽式系統相比，槽式DSG系統同樣由聚光集熱子系統、發電子系統、蓄熱子系統、輔助能源子系統構成，但由于利用水工質代替了導熱油工質，因此沒有換熱環節。槽式DSG系統具有以下優勢：①用水替代導熱油，消除了環境污染風險；②省略了油或蒸汽換熱器及其附件等，電站投資大幅下降；③簡化了系統結構，大幅降低了電站投資和運營成本；④具有更高的蒸汽溫度，電站發電效率較高。

3.槽式DSG系統運行模式

Dagan和Lippke提出槽式DSG系統的運行模式有直通模式、注入模式和再循環模式3種，如圖1.6所示。

在直通模式槽式DSG系統中，給水從集熱器入口至集熱器出口，依次經過預熱、蒸發、過熱，直至蒸汽達到系統參數，進入汽輪機組發電。注入模式槽式DSG系統與直通模式槽式DSG系統類似，區別在于注入模式槽式DSG系統中集熱器沿線均有減溫水注入。而再循環模式槽式DSG系統最為復雜，該系統在集熱器蒸發區結束位置裝有汽水分離器。3種模式中，直通模式是最簡單、最經濟的運行模式，再循環模式是目前最保守、最安全的運行模式，而由于在試驗中發現注入模式的測量系統不能正常工作，因此一般認為注入模式是不可行的。由于槽式DSG系統運行中集熱器內存在水-水蒸氣兩相流轉化過程，因此其控制問題比導熱油工質槽式系統更加復雜。