1.3 槽式太陽能熱發(fā)電技術發(fā)展現狀及發(fā)展方向

由于槽式DSG系統由導熱油槽式系統發(fā)展而來，而目前槽式DSG系統剛剛處于起步階段，研究槽式DSG系統的建模和控制問題可以借鑒導熱油槽式系統的相關問題研究，因此在論述槽式集熱器、槽式太陽能熱發(fā)電技術的發(fā)展現狀和研究現狀時，將其分為導熱油槽式系統和槽式DSG系統兩部分進行。

1.3.1 槽式太陽能熱發(fā)電系統發(fā)展現狀

槽式太陽能熱發(fā)電系統作為唯一商業(yè)化的太陽能熱發(fā)電系統，從1980年美國與以色列聯合組建的LUZ公司研制開發(fā)槽式線聚焦系統開始，至今已經發(fā)展了30多年。

1.導熱油槽式系統發(fā)展現狀

（1）1985年，LUZ公司在美國加利福尼亞州南部的Mojave沙漠地區(qū)建立了第一座槽式太陽能熱發(fā)電站SEGSⅠ，實現了槽式太陽能熱發(fā)電技術的商業(yè)化運行。在隨后的6年里，LUZ公司又在SEGSⅠ電站附近建設了8座大型槽式太陽能熱發(fā)電站（SEGSⅡ～Ⅸ），這9座電站的裝機容量均為14～80MW，總容量達到354MW，總的占地面積已超過7km²，全年并網的發(fā)電量在8億kW·h以上，發(fā)出的電力可供50萬人使用，其光電轉化效率已達到15%，至今運行良好（圖1.7）。表1.1中是美國9座槽式太陽能熱發(fā)電系統技術參數及運行性能。SEGS電站槽式集熱器采用不銹鋼管作為集熱管，并涂有黑鉻選擇性吸收涂層或低熱發(fā)射率的金屬陶瓷涂層。集熱管外套有抽真空的玻璃封管，玻璃封管內外均涂有減反射膜。集熱管內的傳熱工質為導熱油Therminol VP-1，導熱油在集熱管中被太陽輻射加熱至設定溫度，進入換熱器作為熱源，加熱水至水蒸氣推動汽輪機做功。

SEGS Ⅰ～Ⅸ槽式太陽能熱發(fā)電站已經成為了世界許多國家研究槽式太陽能熱發(fā)電技術的模型和樣例，是槽式太陽能熱發(fā)電技術具有里程碑意義的代表作，最具深遠的影響力。

（2）2007年6月，Nevada Solar One電站正式并網運行。該電站是16年內美國境內建設的第二座太陽能熱發(fā)電站，也是1991年以來世界上最大的一座太陽能熱發(fā)電站。Nevada Solar One電站坐落在內華達州，由西班牙Acciona Energia公司建設，額定容量為64MW，最大容量為75MW，年產電量為1.34億kW·h。該電站總占地面積1214058m²，擁有760臺槽式集熱器，共計182000面聚光鏡和18240根4m長的集熱管。采用導熱油作為工質，集熱管出口工質溫度為391℃，經過熱交換器加熱水產生蒸汽，驅動西門子SST-700汽輪機組發(fā)電。Nevada Solar One電站項目總投資達到了2.66億美元。

（3）2009年3月，Andasol-1電站并網發(fā)電（圖1.8）。該電站是歐洲第一座拋物線槽式太陽能熱發(fā)電站，位于西班牙安達盧西亞的格拉納達。Andasol-1電站裝機容量為50MW，年產電力180GW·h，占地面積2km²，總集熱面積達510120m²。Andasol-1電站太陽場進出口工質溫度為293/393℃。

該電站帶有大型蓄熱裝置，兩個蓄熱罐每個高14m，直徑36m，蓄熱介質為熔融鹽（NaNO₃占60%，KNO₃占40%），共計28500t，蓄熱總量為1010MW·h，可使汽輪發(fā)電機組滿載發(fā)電7.5h。集熱管采用ET-150型集熱管，每根4m，共計22464根，由以色列Solel公司和德國Schott公司提供。209664塊反射鏡由德國Flabeg公司提供。集熱管以導熱油為傳熱工質，工質為Diphenyl/Diphenyl oxide。汽輪機采用西門子50MW再熱式汽輪機，循環(huán)效率為38.1%。電站總投資26.5億歐元，發(fā)電成本為0.158歐元/（kW·h）。

Andasol-1電站流程如圖1.9所示。

（4）Archimede槽式太陽能熱發(fā)電站位于意大利西西里島的Priolo Gargallo，于2010年7月建成。該電站裝機容量為5MW，集熱器出口工質溫度達到550℃，鏡場面積為30000m²，使用了世界上較為先進的ENEA太陽能聚光器。Archimede電站是第一座采用熔融鹽為傳熱、儲熱工質的燃氣聯合循環(huán)電站。

（5）2013年10月，目前全球最大的槽式電站Solana光熱電站正式實現投運。該電站裝機容量達到280MW，是美國首個配置熔鹽儲熱系統的太陽能電站，儲熱時長6h。Solana光熱電站位于美國亞利桑那州鳳凰城西南的Gila Bend附近，年發(fā)電量高達9.44億kW·h，可滿足7萬家庭的日常用電需求，電站總投資額高達20億美元。Solana光熱電站參數見表1.2。

2.槽式DSG系統發(fā)展現狀

工質為導熱油的槽式太陽能熱發(fā)電技術已經較為完善，但導熱油工質由于其自身特性使整個發(fā)電系統有無法彌補的缺陷。因此，各國專家在建設工質為導熱油的槽式太陽能熱發(fā)電站的同時，也在尋求工質為水的DSG槽式太陽能熱發(fā)電站的研究和發(fā)展。

（1）1996年，在歐盟的經濟支持下，CIEMAT公司聯合DLR公司、ENDESA公司等八家公司在CIEMAT-PSA實驗中心共同研發(fā)了一個槽式太陽能直接蒸汽發(fā)電實驗項目DISS（Direct Solar Steam）。DISS項目的目的是研發(fā)DSG槽式太陽能熱發(fā)電站，并測試其可行性。DISS項目（圖1.10）總裝機容量為1.2MW。DISS項目分兩個階段：第一階段是從1996年1月至1998年11月，主要是在CIEMAT-PSA實驗中心設計并建設完成一個與實際電站一樣大小的實驗系統；第二階段從1998年12月至2001年8月，這個階段主要是利用該實驗系統在真實太陽輻射條件下研究槽式DSG系統的三種基本運行方式，即直通模式、再循環(huán)模式和注入模式，找出最適合于商業(yè)電站的運行模式，并為未來DSG槽式電站的設計積累經驗。DISS項目工質為水，出口工質流量為0.8kg/s，工質溫度約為400℃，壓力為10MPa。

DISS項目由兩個子系統組成，分別是擁有拋物線槽式聚光器（PTCs）的集熱場和輔助設備（Balance of Plant，BOP）,如圖1.11所示。集熱場把直射太陽輻射能轉換為過熱蒸汽的熱能，BOP負責凝結過熱蒸汽并送回到集熱場入口。集熱場是一個單獨的南北放置的槽式集熱器組，該集熱器組串聯了11個改進的LS-3拋物線槽式集熱器，長度為500m，開口寬度5.76m，反射鏡面積3000m²，集熱管的內、外徑分別為50mm和70mm。其中9個槽式集熱器長50m，由4個拋物線槽式反射模塊組成；另外兩個槽式集熱器長25m，由兩個拋物線槽式反射模塊組成。整個集熱場由三部分組成，即預熱區(qū)、蒸發(fā)區(qū)和過熱區(qū)。蒸發(fā)區(qū)末端設有再循環(huán)泵和汽水分離器，這是進行再循環(huán)式槽式DSG系統實驗時用的。給水在集熱場中經過預熱、蒸發(fā)和過熱3個階段被加熱成過熱蒸汽，通過輔助設備降溫后再次作為給水參與循環(huán)。由于利用汽輪機組發(fā)電并無任何技術問題，因此DISS項目考慮投資等因素并未設置發(fā)電設備。

DISS項目實驗系統有3個運行模式，其集熱場入口和出口運行參數見表1.3。

DISS項目的運行結果表明，槽式DSG技術是完全可行的，并且證明在回熱蘭金循環(huán)下，汽輪機入口工質溫度為450℃時，DISS項目太陽能轉化電能的轉化率為22.6%。而工質為導熱油的槽式系統，汽輪機入口工質溫度為375℃（這一溫度由導熱油的穩(wěn)定極限溫度限制）時，太陽能轉化電能的轉化率僅為21.3%。

（2）2006年，Zarza等人提出了世界上第一座準商業(yè)化DSG槽式太陽能熱發(fā)電站INDITEP電站的設計方案（圖1.12）。設計方案指出，INDITEP電站是一座再循環(huán)模式的DSG槽式電站，由歐盟提供經濟支持，德國與西班牙合作建設。INDITEP電站是DISS項目的延續(xù)，依據DISS項目開發(fā)的設計和仿真工具均被應用到INDITEP電站中。建設INDITEP電站的目的是通過實際電站運行驗證DSG槽式太陽能熱發(fā)電技術的可行性，并逐步提高該技術在運行中的靈活性和可靠性，因此采用魯棒性較高的KKK過熱汽輪發(fā)電機組。該電站裝機容量為5MW，采用過熱蒸汽蘭金動力循環(huán)，選用ET-100型槽式集熱器南北向排列，共70臺槽式集熱器，每排由10臺槽式集熱器組成，其中3臺用于預熱工質，5臺用于蒸發(fā)，兩臺用于產生過熱蒸汽，蒸發(fā)區(qū)與過熱區(qū)之間由汽水分離器連接。集熱場入口水工質的溫度和壓力為115℃、8MPa，給水流量為1.42kg/s，出口產生流量為1.17kg/s、溫度和壓力為410℃、7MPa的過熱蒸汽。集熱場設計點為太陽時6月21日12：00。

（3）2012年1月，TSE-1電站并網發(fā)電，這是世界上首座商業(yè)化DSG槽式太陽能熱發(fā)電站。TSE-1電站位于泰國Kanchanaburi省，裝機容量為5MW，運行溫度和壓力為330℃、3MPa，集熱場占地面積為11萬m²，聚光鏡面積為45萬m²，年產電量為9GW·h，由Solarlite公司提供技術支持。

與國外相比較，我國槽式太陽能熱發(fā)電技術起步較晚。導熱油工質槽式系統方面，中國科學院工程熱物理所搭建了導熱油工質真空集熱管測試平臺，驗證了太陽輻照度、流體溫度與流量對集熱性能的影響。2013年8月，龍騰太陽能槽式光熱試驗項目在內蒙古烏拉特中旗巴音哈太正式投入使用，試驗期限為兩年。該項目將為未來華電集團在烏拉特中旗開發(fā)50MW太陽能光熱發(fā)電項目提供設備及安裝服務奠定堅實的基礎。槽式DSG系統方面，河海大學搭建了DSG槽式集熱器測試平臺，但還處于平臺測試階段。

1.3.2 槽式太陽能聚光集熱器發(fā)展現狀

目前，世界上已經使用過的槽式太陽能聚光集熱器（簡稱“槽式集熱器”）共有7種，分別是Acurex3001型、M.A.N.M480型、LS-1型、LS-2型、LS-3型、ET-100/150型、DS-1型。

LUZ公司研發(fā)生產了四種型號的槽式集熱器，即LS-1型，LS-2型，LS-3型，LS-4型（公司原因，未真正使用）。其中，LS-4型槽式集熱器直接以水作為工質，開口寬度為10.5m，長度為49m，面積為504m²。而另三種型號的槽式集熱器都在SEGS電站中得以應用，在SEGSⅠ和SEGSⅡ上使用的是LS-1及LS-2兩種集熱裝置，LS-2應用于SEGSⅢ、SEGSⅣ、SEGSⅤ、SEGSⅥ上，SEGSⅦ上使用的是LS-2及LS-3兩種，而SEGSⅧ和SEGSⅨ上應用的是LS-3。

圖1.13所示為LUZ公司的LS-3型槽式集熱器組件（Solar Collector Assembly,SCA）。LS-3型槽式集熱器的反射鏡是由熱成型制鏡玻璃板制成，并用桁架系統支撐，以確保SCA的結構穩(wěn)定。拋物線反射鏡的開口寬度為5.76m，整個SCA的長度為95.2m（凈鏡長）。反射鏡由透射比為98%的低鐵浮法玻璃制成，背面鍍銀，并覆蓋有多層保護涂層。在特制爐內的精確拋物線模具上加熱反射鏡，以獲得拋物線形。在鏡面與集熱管支架之間用陶瓷墊片連接，并用特制黏著劑黏合。LS-3的鏡面可使97%的反射光入射到線形集熱管上。

ET型槽式集熱器與LS-2型槽式集熱器的熱損失基本一樣，但ET型槽式集熱器具有30°的傾角，因而效率較LS-2型提高了很多。并且ET型槽式集熱器具有更大的風力承載能力。由于ET型槽式集熱器要應用于DSG太陽能熱電站中，所以較LS系列具有耐高壓、耐高溫的性能，而且鏡子重量也降低了50%，費用也因技術的發(fā)展而大大降低。表1.4是上述槽式集熱器性能參數比較。

槽式集熱器的總體發(fā)展趨勢是制造具有更高聚光比（槽式集熱器開口寬度與集熱管直徑之比）的大型槽式集熱器，以保證工質具有較高出口工質溫度時槽式集熱器具有較高的熱效率。

1.3.3 槽式太陽能熱發(fā)電技術發(fā)展方向

槽式太陽能熱發(fā)電技術作為最成熟、最完善的太陽能熱發(fā)電技術，已經成功進行了近30年的商業(yè)運營，目前世界上槽式太陽能熱發(fā)電的發(fā)展方向是完善工質為水的DSG槽式太陽能熱發(fā)電技術。德國航空航天中心（DLR）太陽能研究所的項目總監(jiān)Fabian Feldhoff給出了如下具體的研究方向。

（1）產業(yè)方面。提高系統運行參數（達到11MPa/500℃）；優(yōu)化集熱管參數，使其承受更高壓力和溫度的同時降低其成本；改進電站結構，降低發(fā)電費用。

（2）研發(fā)技術方面。優(yōu)化再循環(huán)模式和直通模式的集熱場性能；優(yōu)化電站啟動過程，提高運行控制的穩(wěn)定性；降低儲能成本，提高儲能性能；實現槽式DSG電站與其他形式電站的聯合運行，達到優(yōu)勢互補的目的。