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2012东南大学校庆研究生学术报告会槽式太阳能集热发电研究现状及发展趋势xxx1，xxx1，xxx2（1.东南大学能源与环境学院，南京，210000）摘 要：本文简要介绍了太阳能槽式集热发电系统结构、原理和分类，分析了常规槽式集热发电的工作过程和DSG技术的三种实现方式。简单介绍了国内外研究应用现状和国内研发应用的重要性，并通过DSG系统和双回路系统的对比，分析了槽式集热发电系统中直接产蒸汽系统（DSG技术）的优缺点以及大力发展的可行性。通过对国外已有实验结果的仔细研究，根据自己的实验经验提出了一些合理化的建议。关键词：太阳能；槽式集热；DSG技术；发电系统Present Research Situation And Development Trend Of Groove Solar Power Generationxxxx1, xxxxx 1, xxxxx 1(1. School of Mechanical Engineering, Southeast University, Nanjing, 210000;)Abstract: This paper briefly introduces the solar groove collection hot power generation system structure, principle and classification, analyzes the working process of conventional groove collection hot power generation and three implementation ways of DSG technology. Introduced the domestic and foreign research application situation and the importance of domestic research application, by the contrast of DSG system and double loop system, this paper analyzes the advantages and disadvantages of the steam system incluted in the groove collection hot power generation system and the feasibility of vigorously developing. On the foreign existing experimental results of careful research, according to own experiment experience puts forward some reasonable Suggestions.Key words: Solar power; Groove collection hot; DSG Technology; Power generation system2012东南大学校庆研究生学术报告会我国能源危机日益严重，能源与环境的矛盾日渐突出，应大力发展无污染的可再生能源，其中太阳能的商业化开发和应用成为当前的一个发展趋势。而太阳能的聚光集热发电是当前研究的重点课题，包括槽式、塔式和蝶式发电三种形式，其中槽式集热发电系统的装容规模最大、效率较高，已具商业化规模且技术要求相对较低，是一种比较理想的发电技术。槽式发电的实际应用以美国Luz公司1985-1991年在加州建立的9座太阳能热发电系统1较为著名，系统总装机容量354MW，其中新装置的发电效率达30%，至今机组运行良好。这证明了对槽集热发电进行大规模商业开发和应作者简介：xxx，（1987-），女，硕士研究生，E-mail: ；xxx，（1962-），男，教授，E-mail: ；xxx，（1987-）男，硕士研究生，E-mail: .用的可行性，只是槽式太阳能集热发电系统发电效率相对较低，一般只有百分之十几，且成本较高，系统较为复杂，这些都是制约槽式集热发电的重要因素。槽式发电分为单回路系统和双回路系统2两种形式，单回路直接加热水产生蒸汽带动汽轮机发电，双回路系统采用导热油通过换热设备将热量传递给汽轮机系统，前者为直接产蒸汽系统，简称DSG技术。相比而言，单回路系统结构简单，投资少，并且省去了导热油而直接加热蒸汽，提高了系统发电效率，也减轻了环境污染，是槽式发电的新方向。只是DSG系统由于直接产生蒸汽，过程控制较为复杂，且蒸汽过热段管壁容易超温，造成集热管损坏，这是当前应研究和解决的问题。DSG发电系统典型的试验项目有西班牙PSA的DISS项目和西班牙-德国能源合资公司投资的INDITEP电站项目，这两个项目的运行证明了DSG技术可使槽式太阳能热电站的经济效益大大提高。1 槽式集热发电系统结构原理及分类1.1 系统结构槽式集热发电系统主要包括：槽形抛物面聚光集热器及其单轴或双轴跟踪系统、（导热油热载体及其循环系统、油水换热系统）、汽轮机发电系统以及储热和辅助锅炉系统3。系统结构如图1所示。槽式太阳能热发电系统中的聚光器是具有高精度和高反射率的抛物面，用于收集太阳能并将其聚焦到吸收器上。吸收器通常采用玻璃-金属太阳能真空集热管。这种集热管是一种高效、耐用的太阳能吸收器，其生产制造技术主要掌握在德国和以色列等国的个别公司的手中，目前在中国还处于开发阶段。槽式太阳能热发电系统中，聚光器只能收集直射光线，必须利用跟踪装置和相应的控制系统来调节聚光器和入射光线的角度，以使系统在光照期间充分获得太阳辐射能量。集热器轴线与焦线平行呈南北向布置，通过控制系统设置跟踪太阳辐射。图1 槽式集热发电单回路和双回路系统1.2 系统工作原理槽式太阳能热发电系统主要是借助槽形抛物面聚光器将太阳光聚焦反射到集热管上，通过管内热载体将水加热成蒸汽，推动汽轮机发电。吸收器（真空集热管）、聚光镜和跟踪装置组成了槽式集热发电系统的集热装置，如图2所示。通过抛物面槽式聚光镜面将太阳光束汇聚在焦线上，在焦线上安装真空集热管吸收聚焦后的太阳辐射能。真空集热管内管为不锈钢管，外罩玻璃罩，环形空间抽真空，以降低热量的流失，真空集热管结构如图3所示。集热管内管外壁敷设光谱选择吸收涂层，目前应用较多的是黑铬涂层和金属陶瓷涂层，其吸收比在0.9以上，将光能转化成热能传递给管内工质。对于槽式发电目前应用较多的是采用导热油作为热载体，油在集热管内吸收热量，通过换热设备将热量传递给水和水蒸气，或者储存起来。水受热蒸发并过热，之后导入汽轮机发电。槽式集热发电的跟踪系统一般分为单轴跟踪和双轴跟踪4，一般的太阳能发电站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较小夹角。以便在任何情况下都能有效的反射太阳光。一般槽式发电系统都配置有储热装置和辅助锅炉，以供夜间使用，不间断且稳定的对外供电。图2 太阳能槽式发电集热装置图3 太阳能槽式发电真空集热管1.3 槽式集热发电系统的分类槽式发电系统包括两种形式：双回路系统和单回路系统，如图1所示，目前应用较多的是双回路，但单回路系统已成为新的发展方向。和双回路相比，单回路系统减少了导热油循环系统及油水换热系统，系统结构大大简化，既节约了成本，又提高了系统发电效率。只是单回路直接产生蒸汽，过程控制复杂。双回路系统中真空集热管管内的导热油被加热后，流经换热器加热水产生蒸汽，借助于蒸汽动力循环来发电。由于太阳能的间歇性和不稳定性，在太阳能热电系统中配置蓄热装置或者辅助锅炉，以实现电厂的持续发电或提高功率输出的平稳性。上述的槽式太阳能热发电系统存在着三个回路：导热油回路；蒸汽回路；冷却水回路。在槽式太阳能热发电系统中， 汽轮机蒸汽循环发电系统是比较常规的技术，而聚光器、吸收器以及跟踪系统代替了锅炉，是槽式太阳能热发电系统的关键性技术。单回路系统中没有导热油循环系统和换热设备，真空集热管内直接通入水加热产生蒸汽并过热，水蒸气带动汽轮机发电，称为直接蒸汽发生技术（简称DSG技术）。1.4 DSG技术的实现方式及工作原理DSG技术有三种实现方式：一次通过方式、逐次注入方式和再次循环方式5，如图4所示。一次通过方式的运行过程是：集热管中的工质水由泵加压从入口处进入，连续经过预热、蒸发、过热三个阶段，逐步产生过热蒸汽。如图4（a）所示，水变成过热蒸汽是一个逐步而连续的过程。采用一次通过方式的优点是结构简单、性能优越、投资少。但集热管中的水和蒸汽两相流的流动状态不确定，流动的稳定性较差，瞬态流动蒸汽温度的变化较大，增加了系统的控制难度6。逐次注人方式的聚光集热镜场分为许多不同的集热器单元，每个集热器单元拥有测量装置。工质水在集热器单元的入口处注入到单元的集热管中产生过热蒸汽，如图4（b）所示。采用逐次注人方式的优点是集热管内气、液两相流体流动较稳定，控制难度不大。但系统复杂，系统中增加了许多控制阀、测量设备等装置，因而投资成本加大。采用再次循环方式的系统包括预热部分、蒸发部分和过热部分。工质水在预热、蒸发部分的末端转变为湿蒸汽，经汽一水分离器分离后，未蒸发的水回到预热、蒸发部分的始端重新循环使用；分离出的饱和水蒸汽进入系统的过热部分进一步加热，变成过热蒸汽后进入汽轮发电系统，如图4（c）所示。采用再次循环方式的优点是集热管内气、液两相流体流动较稳定。但也存在系统复杂、投资成本高的问题。但就目前而言，再次循环系统过程容易控制，系统比逐次注入的方式简单，因而有较大的发展优势，是当前DSG系统中最具竞争力的运行方式。而直通模式因其系统结构最简单，也具有一定的发展潜力，随着计算机科学技术和控制技术的不断发展，必将取得各国广泛的关注和应用。除以上三种方式以外，直接蒸汽发生系统又分为饱和蒸汽发电和过热蒸汽发电。DSG技术中产生的蒸汽通常指过热蒸汽，而M.Eck和EZarza提出在小装机容量时，DSG技术采用饱和蒸汽发电更有优势，与过热蒸汽发电相比，饱和蒸汽发电具有聚光集热镜场的建造简单、聚光集热镜场运行安全可靠、集热器热效率高等优点。M.Eck等人研究表明：一定规模的饱和蒸汽发电站要比过热蒸汽初期投资高出5%，维护费用较高，但利用饱和蒸汽发电可以使电站的年净发电量提高4%；该发电方式最大的优点是使用简单的集热器依然可以在260-300之间达到很高的效率7。图4 DSG技术的三种实现方式2 国内外槽式集热发电研究现状2.1 国外槽式集热电站发展概况从 20 世纪 80 年代初各国就开始积极发展槽式太阳能热发电技术，美国、西欧、以色列、日本发展较快8，如表1所示。国际权威机构的统计显示，截止 2009 年，全世界运行的槽式光热发电站占整个光热发电站的 88%，占在建项目的 97. 5%，可见槽式太阳能热发电技术已取得了大规模商业化生产的能力。表1 槽式太阳能热电站项目地点年份装机容量（MW）循环类型西班牙阿尔梅里亚19810.5蒸汽循环日本四国香川县19811蒸汽循环美国加州莫罕夫沙漠1985-1991354蒸汽循环西班牙DISS1996-19992DSG希腊克里达岛199750蒸汽循环埃及2000120-140ISCCS以色列2001100蒸汽循环印度2002144蒸汽循环摩洛哥230ISCCS西班牙-德国20045DSG美国南部2006250蒸汽循环6小时储热美国内达华州200664蒸汽循环无储热西班牙Andsol-200750蒸汽循环西班牙Andsol-50蒸汽循环美国 Luz 公司于1985-1991年间在加州莫哈维沙漠陆续建成了9座槽式聚光集热发电站( SEGSSEGS)，功率分别为14 MW、630 MW 和 280 MW，总装机容量为 35.4万kW，年发电总量108亿 kWh。系统效率由1号电站的9.3%提高到9号电站的13.6%。太阳辐射能转化至电能的最高瞬时效率可达24%，年平均效率最高为15%。SEGS电厂的建造和成功运行，从技术性和经济性两个方面证明了槽式太阳热发电系统的可行性，并为后来的槽式太阳能热发电厂在技术研发、工程设计、设备选型、施工和运行维护等方面提供了宝贵的经验。西班牙Andasol-1是典型的槽式太阳能热发电站，于2008年11月并网发电，装机容量为50MW，真空集热器分别由以色列Solel公司提供50%和德国schott公司提供50%，以导热油为传热工质，进出口温度为293/393。汽轮机效率为38.1%，年平均发电效率为16%，发电成本为0.158/KWh。2.2 国外槽式集热技术研究现状槽式太阳能集热发电系统的快速发展带动了相关方面的技术开发与实验研究。虽然槽式太阳能热发电已具备了大规模投产的条件，然而其核心部件高温真空管仍存在技术缺陷，涂层技术还有待改进，因而加强核心部件的技术研发、工艺改进将是今后提高槽式太阳能热发电效率、降低成本的关键，因此世界各国均展开了这方面的技术开发和实验研究，并取得了不小的成就，这些成为了推动槽式太阳能发展的重要动力。对于核心部件真空集热管国外进行了大量的研究，目前使用较多的两种结构的代表产品分别是以色列Solel公司生产的外膨胀真空集热管和德国Schott公司生产的内膨胀真空集热管。这两种集热管长度4m，有效长度分别为0.95和0.96，真空度前者0.013Pa，后者0.1Pa，吸收率在0.95以上，发射率前者在350摄氏度时小于0.19，后者在400摄氏度时小于0.14。为了适应槽式太阳能电站的发展要求，德国Schott公司和以色列Solel公司均在研发新型真空集热管，即Sehott公司生产的PTR70及Solel公司生产的第6号集热管UVAC，前者管长为4m，采用新型的吸收涂层，工作温度有望达到500，吸收率大于95%，400时的发射率小于13%；后者为4.06m，工作温度可达到400，吸收率大于96%，同时在400时发射率小于10%，由于采用了新型的吸气装置，集热管可在长时间内保持很高真空度，进而延长了管子的使用寿命。光谱选择性涂层当前使用较多的是黑铬涂层和金属陶瓷涂层，相比而言，金属陶瓷吸收比更大而发射率小，能在更高的温度下保持性能稳定。以色列太阳能公司Solel研制了以Al2O3为基体、结合改良减反射涂层的新型陶瓷抗发射涂层的新型全真空集热器，其涂层在400时吸收率达到0.96，发射率为0.1，/=9.6，且在高温的热湿空气下比较稳定。美国NREL采用模拟的方法，研制出在400时吸收率为0.959、发射率为0.061的高温金属陶瓷吸收涂层(/=15.72)，并得出通过添加电介质制成的抗反射涂层可以有效提高涂层的吸收率的结论。为了研制性能更加优越的产品，已有不少学者对槽式集热装置真空集热管的集热性能进行了大量的实验研究。1994年Veron E.Dudley等9对槽式太阳能发电系统的集热器进行了实验研究和数值模拟，针对三种集热器结构和两种选择性涂层进行了集热器效率和热损失的测试。结果表明：集热器结构对传热性能的影响非常明显，真空管的效率最高，裸露管的效率最低；在相同的条件下，金属陶瓷涂层比黑铬涂层的性能更好，能够在更高的温度下运行。针对三种结构的集热器分别获得了关于集热器性能和散热损失的关联式，考虑了风速、入射角、辐射强度和运行温度等影响因素。Markus Eck等10在2004年对25米长的直接蒸汽发生器进行了实验研究，通过在管壁周围敷设热电偶测得周向温度分布，并研究了倾斜管子对管壁温度的影响。实验结果表明：管子周向温度分布与管内流体流态和蒸汽干度有较大关系，对于液相和气液两相环流，管壁周向温差较小（最大温差为10摄氏度）；当气液两相处于分层流时，周向温差增大（最大温差为20摄氏度），而当管内传热处于过热蒸汽段时，周向温差迅速增大（过热度为1.05，周向温差就高达近50摄氏度）。2.3 国内槽式集热发电研究现状中国对太阳能热发电技术的研究起步较晚，目前，对太这方面的研究给予了相当大的重视。近年来，随着一些有研究开发实力的工程技术公司的加入，中国在太阳能热发电领域的研究取得了可喜的进展。北京康拓科技、德州华园新能源、东莞康达机电等都正在加紧研发具有自主知识产权的关键技术。另外，我国在2010年建一座5万千瓦的槽式太阳能热发电站，于2010年6月进行项目招标，落户内蒙古鄂尔多斯市巴拉贡创业区，占地一百多公顷。这是目前国内规模最大的太阳能热发电项目。在槽式太阳能发电领域，我国已在太阳光方位传感器、自动跟踪系统、抛物面反射镜、接收器方面取得了突破性进展，并且拥有具有完全自主知识产权的100kW槽式太阳能热发电试验装置。总体而言，中国槽式太阳能市场尚处于起步阶段，除技术问题需要解决外，配套政策还不够明朗，这些因素都将影响到太阳能热发电技术和项目在中国的发展进程。考虑到我国目前的技术现状，可以优先开发槽式太阳能热发电系统，或将太阳能发电与小水电联合、太阳能发电与风力发电联合，组成各种联合系统，也可以采用一些储能设备以减少对气候条件的依赖。我国对于真空集热管的研究开发也做了较大努力。张耀明院士等人成功开发了新型直通式金属-玻璃槽式太阳能真空集热管。具体参数是：总长2m，金属内管直径在60mm-70mm之间，玻璃管直径在100mm-110mm之间，采用熔封技术解决了金属与玻璃之间的封接问题；采用薄壁膨胀节解决了金属与玻璃之间线膨胀系数不一致的问题；采用保护罩保护金属与玻璃之间的接口。拉伸试验表明真空集热管的金属与玻璃之间的联接是可靠的；疲劳试验表明真空集热管的膨胀节、金属与玻璃的接口能够达到设计寿命。样管经一年多耐候性试验，结果表明整管设计科学、合理。不少国内学者对槽式集热进行了实验模拟，清华大学梁征等采用数值模拟方法，分析了以水/水蒸气为工质的DGS槽式集热器的动态流动与传热特性。首先建立了管内流体的一维多相流动与传热模型，并利用差分法对该模型进行求解，分析了稳态条件下，集热器出口工质参数受太阳辐射强度、流体质量流量、入口温度和压力的影响规律。虽然热惯性存在，但短期的辐射强度波动对出口温度仍有较大影响，但对出口压力的影响较小。辐射波动将对一次通过系统出口温度产生很大波动。山东大学赖艳华等11采用稳态传热平衡原理，分析了玻璃真空套管一金属管复合太阳能接收器的集热过程，建立了稳态传热模型。利用该模型系统地研究了接收器在不同工况下的集热性能.。模拟结果表明：这种结构的接收器受外界环境影响很小，真空套管和金属吸热管之间环形空间的辐射换热是系统热损失的主要环节，提高表面选择性吸收徐层的性能以减小系统发射率是接收器优化设计的重要方向；集热效率随太阳辐照度和聚光比的增加而增大；接收器长度和进口温度的增大有助于提高工质出口温度，玻璃真空套管一金属管复合接收器有着良好的集热性能。3 直接蒸汽发生系统（DSG技术）3.1 DSG发电系统的试验研究为了解DSG技术在经济及技术方面的可行性，不少国家对此作了试验研究。目前典型的试验项目有西班牙PSA的DISS项目和西班牙-德国能源合资公司投资的INDITEP电站12。DISS项目建在西班牙PSA，该项目于1995年立项，于1998年根据电脑仿真结果进行建设，目的是为了提高电站运行的灵活性，使电站具有更好的运行效率。DISS项目在大气条件下经过了4500多小时安全运行，证实了该项目的可行性，证明了DSG技术可使槽式太阳能热电站的经济效益大大提高。DISS项目中，11个集热器组成的阵列长550米，其中9-11过热蒸汽段长150米，轴线南北放置，如图5所示。集热器开口宽度5.76米，镜子总面积2760m2，镜面光学效率73%，吸热管内外径分别为50mm和70mm。蒸汽最大出口温度为400，最大出口压力为10MP，最大蒸汽产量为0.85kg/s。图5 DISS实验装置布局图图6 INDITEP实验装置布局图INDITEP项目(图6)建设的电站是第一个准商业化的电站，目的是为了得到DSG技术应用于商业化前的详细资料。为了节约投资、降低投资风险，电站装机容量只有5.472MW，净容量5.175MW。该电站共使用70个ET-100聚光集热器，聚光集热器南北向放置。INDITEP项目中，进口水温115，进口水压8Mpa，蒸汽出口温度为410，出口压力为7Mpa，总效率为26.34%，净效率为24.9%。INDITEP项目中的某些部分采用了更先进的技术以便使DSG技术更具有竞争力，例如使用更便宜的汽一水分离装置以及缓冲储存装置。目前电站的详细设计已经完成，并且对安装在DISS项目上的集热管进行了详细的分析研究。3.2 DSG系统的优缺点由前面的内容可知，采用导热油的双回路系统太阳能发电站由于导热油温的限制，发电效率都比较低。美国加州SEGS电站最高年平均发电效率只有15%；而2008年建成并网发电的西班牙Andasol-1电站，导热油出口温度为393，这就限制了汽轮机蒸汽入口温度只能低于该温度，因此年平均发电效率也就只有16%。而西班牙德国合资的INDITEP电站项目中，集热管直接产生蒸汽，汽轮机蒸汽入口温度达到410，而且没有了油水换热系统，系统发电净效率达到24.9%。由此可见，DSG发电系统比传统的导热油系统发电效率有很大的提高。直接产生蒸汽技术具有降低成本、提高效率等诸多优点，因而引起许多学者的关注，并做了大量的研究和实践。由前面提到的实验研究结论可知：在集热管中的气、液两相流增加了系统的不稳定性，过热段传热恶化，容易管壁超温等，因而此项技术仍处于试验阶段。虽然直接蒸汽发生技术面临许多技术难题，但它是最有前景解决成本问题的技术，是当前槽式集热发电的研究方向和发展趋势。与使用导热油的双回路系统相比直接产蒸汽系统的优点是：（1）省去了导热油循环系统和换热设备，简化了整体系统结构，降低了投资成本；（2）由于集热管内直接通入水产生蒸汽后导入汽轮机发电，不再需要中间的换热，减少了系统回路，从而提高了系统整体发电效率；（3）不再使用有污染且存在危险的导热油，减轻了环境污染，提高了系统安全系数。（4）可以方便的加入蓄热和辅助锅炉设备而不会增加过多的管道设备。DSG技术虽然有很大的发展优势，但当前制约DSG技术发展的因素有很多，还有待解决。直接产生蒸汽存在的问题是：（1）为了应对直接产生蒸汽系统所产生的高压以及低流速问题，需要对系统做出很大的调整；（2）控制系统会十分复杂，且在电站布置以及集热器倾斜角度方面也会很复杂，而且储存热能会比较困难；（3）当沸水流入接收管时，或者集热管的倾斜率到达边界状态时两相流产生的层流现象发生的机率便会增加，管子会由于压力问题发生变形并会引起永久性变形或者造成玻璃管破裂；（4）蒸汽过热段换热恶化，管壁容易超温而损坏真空集热管且降低集热效率。（5）投资成本相对仍然较高，而发电效率较低。4 对直接蒸汽发生系统的一些建议对于直接蒸汽发生系统，投资成本相对常规能源发电仍然较高，受资金和技术限制，不能实现大规模发电。从前文中提到的前人所做的实验研究结论中可以得知：在真空集热管内，液相水和气液两相时的管内传热系数相对较高，管壁温度只略高于工质温度；然而在过热蒸汽段，由于水蒸气和管壁之间传热系数降低，传热恶化，管壁温度飞升，降低了集热器效率。同时，由于管壁温度的升高，涂层和管子的使用寿命降低，涂层的发射率也随之增大，增加了热损失。而且当系统集热温度高于400后，峰值集热效率急剧下降13，这可能就是因为涂层发射率升高的缘故。因此对于DSG技术，当前的主要问题是如何强化过热段换热，提高过热段换热系数，抑制管壁温度而尽量提高蒸汽出口参数，从而提高系统发电效率。对于当前DSG技术存在的问题，本文提出了一些合理化的建议：（1）提高系统中关键部件的性能，比如真空集热管和聚光反射镜，降低系统故障率减少维修以降低投资成本；（2）设法加强真空集热管管内流体扰动以增强换热，例如采用内螺纹管代替光管，在管内加翅片等，用以强化换热，降低壁温，提高效率；（3）加强研制耐高温的高效选择性吸收涂层，尽可能提高集热管蒸汽出口参数；（4）将太阳能与常规的能源系统进行合理的互补，提高发电系统的灵活性和对外供电的连续平稳性；（5）调试出更加精准细致的控制系统，以适应DSG系统复杂的流体流动过程。参考文献1 王长贵, 崔容强. 新能源发电技术M. 北京: 中国电力出版社, 2003.2 宿建峰, 李和平, 贠小银等. 太阳能热发电技术的发展现状及主要问题J. 华电技术, 2009, 31(4): 78-82.3 陈超聂, 志刚, 那小桃. 槽式太阳能集热发电系统发展状况J. 工程研究, 2009, 1(4): 314-318.4 张先勇, 舒