太陽(yáng)能熱發(fā)之槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電

太陽(yáng)能熱發(fā)電通常叫做聚光式太陽(yáng)能發(fā)電，與傳統發(fā)電站不一樣的是，它們是通過(guò)聚集太陽(yáng)輻射獲得熱能，將熱能轉化成高溫蒸汽驅動(dòng)蒸汽輪機來(lái)發(fā)電的。當前太陽(yáng)能熱發(fā)電按照太陽(yáng)能采集方式可劃分為（1）太陽(yáng)能槽式發(fā)電；（2）太陽(yáng)能塔式熱發(fā)電；（3）太陽(yáng)能碟式熱發(fā)電。

槽式系統是利用拋物柱面槽式反射鏡將陽(yáng)光聚焦到管狀的接收器上，并將管內的傳熱工質(zhì)加熱產(chǎn)生蒸汽，推動(dòng)常規汽輪機發(fā)電；塔式系統是利用眾多的定日鏡，將太陽(yáng)熱輻射反射到置于高塔頂部的高溫集熱器(太陽(yáng)鍋爐)上，加熱工質(zhì)產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽，或直接加熱集熱器中的水產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽，驅動(dòng)汽輪機發(fā)電機組發(fā)電；碟式系統利用曲面聚光反射鏡，將入射陽(yáng)光聚集在焦點(diǎn)處，在焦點(diǎn)處直接放置斯特林發(fā)動(dòng)機發(fā)電。這三種太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)都有其自身的特點(diǎn)，優(yōu)勢和缺點(diǎn)，其中一些列在表2-1。

表2-1 三種聚光式太陽(yáng)能電站的發(fā)展狀況及其優(yōu)缺點(diǎn)

在這三種系統中，目前只有槽式發(fā)電系統實(shí)現了商業(yè)化。從1981年至1991年的10年間，相繼在美國加州的Mojave沙漠相繼建成了9座槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電站，總裝機容量353.8MW（最小的一座裝機14MW，最大的一座裝機80MW），總投資額10億美元，年發(fā)電總量為8億KWh。太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)同其它太陽(yáng)能技術(shù)一樣，在不斷完善和發(fā)展，但其商業(yè)化程度還未達到熱水器和光伏發(fā)電的水平。太陽(yáng)能熱發(fā)電正處在商業(yè)化前夕，專(zhuān)家預計2020年前，太陽(yáng)能熱發(fā)電將在發(fā)達國家實(shí)現商業(yè)化，并逐步向發(fā)展中國家擴展。

槽式發(fā)電是最早實(shí)現商業(yè)化的太陽(yáng)能熱發(fā)電系統。右圖為一個(gè)槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統。它采用大面積的槽式拋物面反射鏡將太陽(yáng)光聚焦反射到線(xiàn)形接收器（集熱管）上，通過(guò)管內熱載體將水加熱成蒸汽，同時(shí)在熱轉換設備中產(chǎn)生高壓、過(guò)熱蒸汽，然后送入常規的蒸氣渦輪發(fā)電機內進(jìn)行發(fā)電。槽式拋物面太陽(yáng)能發(fā)電站的功率為10~1000 MW，是目前所有太陽(yáng)能熱發(fā)電站中功率最大的。通常接收太陽(yáng)光的采光板采用模塊化布局，許多采光板通過(guò)串并聯(lián)的方式，均勻的分布在南北軸線(xiàn)方向。為了保證發(fā)電的穩定性，通常在發(fā)電系統中加入化石燃料發(fā)電機。當太陽(yáng)光不穩定的時(shí)候，化石燃料發(fā)電機補充發(fā)電，來(lái)保證發(fā)電的穩定性和實(shí)用性。一些國家已經(jīng)建立起示范裝置，對槽式發(fā)電技術(shù)進(jìn)行深入的研究。

西班牙50MW槽式熱發(fā)電站

早在1973年石油危機的前幾百年就開(kāi)始了利用太陽(yáng)光開(kāi)發(fā)可再生能源的研究工作了，石油危機的爆發(fā)觸發(fā)了可再生能源的近代發(fā)展。最早的試驗是19世紀60年代，Auguste Mouchout的以太陽(yáng)能為動(dòng)力的第一輛汽車(chē)，在一玻璃封閉的鐵釜內生產(chǎn)蒸汽來(lái)驅動(dòng)汽車(chē)。19世紀80年代，美國人John Ericsson采用槽式拋物面太陽(yáng)能集熱裝置驅動(dòng)了一臺熱風(fēng)機。接著(zhù)在20世紀初，AubreyEneas的第一輛商業(yè)化的太陽(yáng)能汽車(chē)出現了。1907年，德國阿倫的Wilhelm Meier 博士和斯圖加特的Adolf Remshardt，申報了一項用槽式拋物面太陽(yáng)能集熱裝置生產(chǎn)蒸汽的專(zhuān)利，他們采用拋物槽式接受器吸收太陽(yáng)輻射，直接產(chǎn)生蒸汽來(lái)發(fā)電。1912年Shumann和Boys在這個(gè)專(zhuān)利的基礎上設計了一臺用槽式拋物面太陽(yáng)能集熱裝置生產(chǎn)蒸汽驅動(dòng)45kW的蒸汽馬達泵，集熱裝置長(cháng)62m，光線(xiàn)總通徑寬度4m，總通徑面積1200 m。1916年德國議會(huì )還批準撥款20萬(wàn)馬克，在西南非洲領(lǐng)地進(jìn)行槽式拋物面太陽(yáng)能集熱裝置示范試驗，遺憾的是由于第一次世界大戰的爆發(fā)和近東地區石油的發(fā)現，阻礙了這項計劃的實(shí)現。

1977年發(fā)生石油危機以后，對槽式拋物面太陽(yáng)能集熱裝置的興趣被重新激起。在這期間，美國能源部（DOE）和聯(lián)邦德國研究和技術(shù)部都在資助裝有槽式拋物面太陽(yáng)能集熱器的加熱裝置和水泵系統的發(fā)展。國際能源機構(IEM)的9個(gè)成員國共同參與了一項總功率為500kW示范試驗，該示范試驗項目于1981年投入運營(yíng)；Acurex公司的10000m系統也于1977年至1982 年在美國的一臺示范裝置上裝機使用?！?991年加利福尼亞的槽式拋物面太陽(yáng)能熱利用發(fā)電站的運營(yíng)成功，促進(jìn)了南歐和其他擁有豐富太陽(yáng)輻射的發(fā)展中國家太陽(yáng)能熱利用計劃的開(kāi)展。1998年以來(lái)，由歐盟支持的DISS (Direct Solar Steam)計劃和Euro Trough 計劃，以及西班牙和摩洛哥研究計劃，啟動(dòng)了歐洲槽式拋物面太陽(yáng)能技術(shù)的發(fā)展。2000年德國聯(lián)邦議會(huì )決定，為太陽(yáng)能發(fā)電實(shí)施一項3年投資計劃，計劃資金的三分之二用于槽式拋物面太陽(yáng)能熱發(fā)電項目。

隨著(zhù)制造工藝的不斷改進(jìn)，建造費用由5976美元/KW降低到3011美元/kW，發(fā)電成本由26.3美分/KWh降低到了12美分/kWh。當發(fā)電成本降到8美分/KWh時(shí)，太陽(yáng)能熱發(fā)電可與常規礦物能源發(fā)電相媲美。隨著(zhù)熱能存儲設備的加入，可使槽式發(fā)電的效率比最初提高7%，可使一個(gè)80MW的發(fā)電站的光電轉換效率達到13.8%。熱能存儲設備可以存儲剩余的熱量，保證發(fā)電的平穩，同時(shí)它也為獨立的太陽(yáng)能發(fā)電提供了保障。

當前正在發(fā)展的技術(shù)方向為直接蒸汽（DSG）技術(shù)。典型的PTC發(fā)電廠(chǎng)動(dòng)力范圍30-150MW，工作溫度約為400°C。如圖所示為目前世界上太陽(yáng)能槽式發(fā)電站列表。