太阳能热发电技术是利用自身的太阳能资源进行发电的技术,其中一种技术是使用曲面反射镜聚焦太阳射线驱动一个斯特林发动机或者进行蒸发依次驱动一个传统蒸汽涡轮发生装置。现今,在多兆瓦特的设备里太阳能聚集(CSP)有利于提供低成本太阳能发电。太阳能发电成本依靠许多因素,包括了垂直照射(DNI)的标准,设备的容量,方案的所有权,方案的有效性和构造等等。成本可以接近于10cents/kWh。近年来,更多的太阳能聚集(CSP)的设备被安装,因此,太阳能发电成本不断地减少。成本的减少主要来自于设备的增加与技术的发展提高了发电的效力。

通常有三种太阳能热发电(STE)系统:抛物面槽式太阳能发电系统(parabolic trough)、碟式太阳能发电系统(dish-engine)和中央接收器太阳能发电系统(central receiver/power tower)。至于其他的STE技术,比如紧凑型线性菲涅耳反射器(CLFR)和太阳能烟囱(solar chimney)也在本文进行讨论。由于抛物面槽式太阳发电系统(parabolictrough)、碟式太阳能发电系统(dish-engine)和中央接收器太阳能发电系统(central receiver/power tower)都包含产生热量的结构,它们可以很容易与石化燃料混合使用,并且在某些情况下被用于热量存储。混合使用和热量存储的好处是在没有光照的情况下进行能量的调配。因此,混合使用和热量存储能提升电力的经济价值。
 

图2 美国加州的槽式太阳采集区。图中处于反射器焦点的接收管道用于传递热量。(来源:NREL)

抛物面技术的成本比塔式和盘式统低,这是由于塔式系统在聚光的时候需要较大的部件而使得较低的温度和效率。然而,经过20年的技术发展以及OEM成本的降低,槽式系统已经成为目前最为低廉、可靠的太阳能系统,同时它适宜于短期部署。

抛物面槽式太阳能发电系统

抛物面槽式太阳能发电系统使用一排横截面为抛物线的槽型镜子组成,它们将阳光聚集在高级吸收能力的管道上,在这些管理内包含了热交换液体,见图2。这种液体通常为人工合成液体,它们被加热并且在一系列热交换器中传输以产生过热蒸汽,然后使用这些热蒸汽给涡轮发电机提供能量产生电力。在20世纪80年代末就已经能构造出九个槽式太阳能系统,它在加利福尼亚南部产生354MW的电力。槽式发电是最早实现商业化的太阳能热发电系统。它采用大面积的单轴槽式太阳能追踪采光板,通过对太阳光的聚焦,把太阳光聚集到安装在抛物线形反光镜焦点上的线形接收器上,并加热流过接收器的热传导液,使热传导液汽化,同时在能量区的热转换设备中产生高压、过热的蒸汽,然后送入常规的蒸汽涡轮发电机内进行发电。通常接收太阳光的采光板采用模组化布局,许多采光板通过串并联的放置,均匀的分布在南北轴线方向。为了保证发电的稳定性,通常在发电系统中加入化石燃料发电机。当太阳光不稳定的时候,化石燃料发电机补充发电,来保证发电的稳定性和实用性。

在几年的低迷发展之后,人们又重新燃起对抛物面槽式系统的兴趣。在美国和其他国家都有新型的专案在进行当中,包括64MW的Nevada solar1发电站在2007年授权使用,并且在Spain西班牙建立两个50-MW的AndaSol抛物面槽式设备。
 

图3 两个中央接收器同时操作的太阳能发电站,塔底左边两个油箱是用于贮藏热量和进行冷却

美国LUZ公司采用大量抛物面槽式聚光器收集太阳直射光并将其转换成热能。每个集热器由槽式抛物面聚光镜及位于其焦线的集热元件组成,每只集热元件是一支真空集热管,长4m,每24个集热器串联成一条长99m的集热组合体,80MW系统需要850条集热组合体。每条组合体都是南北水平向放置,有专门的感测器以及电脑控制跟踪系统,传热介质为导热油,它在真空集热管中受热后,通过一组换热器使水变成高温高压蒸汽,去驱动蒸汽轮机发电。该系统需要抛物面接收器的面积为470265m2(680m×680m),导热油在集热器受热后的出口温度为391℃,进入汽轮机的蒸汽压力为100个大气压,Rankine再热回圈的热效率为38.4%,由太阳辐射能至电能的最高暂态效率为24%,由太阳辐射能至电能的年平均效率为14%,由于太阳能是随机的,在工质的回路中增设一个使用常规燃料(通常为天然气)的辅助锅炉,以备急需。LUZ发电系统的核心部件是高精度槽式抛物型聚光镜和真空管集热器件。由于金属管壁的温度在400℃以上,故选择涂层的性能稳定性、真空度的保持及玻璃与金属管的封接等都是工艺上较难的问题。集热元件的吸热管表面采用了耐高温的溅射选择性涂层,具有良好的稳定性。