關(guān)于太陽能熱發(fā)電聚光系統(tǒng)的分析

康文濤

(三峽新能源酒泉朝陽新能源發(fā)電有限公司，甘肅 酒泉 730050)

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關(guān)于太陽能熱發(fā)電聚光系統(tǒng)的分析

康文濤

(三峽新能源酒泉朝陽新能源發(fā)電有限公司，甘肅 酒泉 730050)

本文對太陽能熱發(fā)電聚光系統(tǒng)進(jìn)行分析與探討，基于太陽能熱發(fā)電研究狀況，對太陽能聚光系統(tǒng)的四種應(yīng)用形式進(jìn)行了分析，并對太陽能聚光系統(tǒng)的應(yīng)用進(jìn)行了展望。

太陽能；熱發(fā)電；聚光系統(tǒng)；分析

我國能源消費總量連續(xù)多年位居世界前列，但新能源的利用率僅約為10%。大力發(fā)展太陽能等清潔型能源是世界能源市場趨勢。

美國和歐盟國家最早對太陽能熱發(fā)電進(jìn)行研究，技術(shù)處于世界領(lǐng)先地位。美國對可再生能源開發(fā)利用十分重視，在政府的幫助下，太陽能發(fā)電已經(jīng)步入商業(yè)化模式。我國近年來開始引進(jìn)和自主研發(fā)太陽能熱發(fā)電技術(shù)，2010年建成1 MW的塔式太陽能發(fā)電站，現(xiàn)正在逐步加快對太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的研究和建設(shè)。

1 太陽能聚光系統(tǒng)分析

1.1 拋物槽式聚光系統(tǒng)

該系統(tǒng)的聚光設(shè)備為拋物柱面聚光鏡，水平放置，多和吸熱管平行，采用繞單軸旋轉(zhuǎn)跟蹤太陽光的方式，以保證太陽光線的直射方向始終與旋轉(zhuǎn)軸垂直。為了保證聚光效果，拋物面會將太陽光會聚在聚焦線處的吸熱管上。系統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)中的主要幾何參數(shù)有:聚光鏡的口徑、焦距以及邊緣角，因此在設(shè)計過程中應(yīng)當(dāng)重點考慮聚光比和光斑的溢出損失。拋物槽式聚光發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 拋物槽式聚光發(fā)電系統(tǒng)Fig.1 Parabolic-trough type concentrating power generation system

在設(shè)計時，主要利用光學(xué)軟件對系統(tǒng)進(jìn)行建模，并利用相關(guān)工具對蒙特卡羅光纖追蹤，在分析系統(tǒng)光學(xué)性能之后，可以確定其聚光結(jié)構(gòu)。在制作時，重點是真空集熱管和拋物柱面反光鏡的加工。真空集熱管要選擇能夠在高溫環(huán)境下具有高吸熱效率、不易脫落、使用時間長的涂層材料，反光鏡關(guān)鍵是鏡面面形的精度要很高。當(dāng)前該系統(tǒng)已實現(xiàn)商業(yè)化的生產(chǎn)建設(shè)且加工技術(shù)較為成熟，在實際應(yīng)用中，電站的規(guī)模能夠達(dá)到100 MW，年光電轉(zhuǎn)化效率約為14%。下一步研究方向主要是降低聚光鏡的加工成本，并提高聚光效率。

1.2 碟式聚光系統(tǒng)

該系統(tǒng)目前有單碟式和多碟式兩種。其中，單個旋轉(zhuǎn)拋物面反光鏡和斯特林發(fā)動機組成單碟式系統(tǒng)，多個碟形反光鏡和斯特林發(fā)動機組成多碟式系統(tǒng)。該系統(tǒng)圍繞雙軸旋轉(zhuǎn)對太陽光進(jìn)行三維跟蹤，為了保證聚光效果，光軸方向和入射方向始終保持一致。其原理是利用旋轉(zhuǎn)拋物面對于平行光有理想的會聚特性。碟式聚光發(fā)電系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 碟式聚光發(fā)電系統(tǒng)Fig.2 Disc-type concentrating power generation system

該系統(tǒng)設(shè)計理念基本和槽式聚光系統(tǒng)相同。技術(shù)難點是關(guān)于斯特林發(fā)動機和旋轉(zhuǎn)拋物面反光鏡的加工制作。斯特林發(fā)動機要求外燃系統(tǒng)的溫度要高于封閉循環(huán)系統(tǒng)的工質(zhì)溫度，目前歐美部分發(fā)達(dá)國家已經(jīng)可以對此發(fā)動機進(jìn)行生產(chǎn)。拋物面反光鏡加工要求面形精度高，目前可以使用小尺寸的曲面鏡進(jìn)行拼接，還可以通過在基材料上粘貼薄的鍍銀玻璃反射鏡制作而成。在實際應(yīng)用中，最高年光電轉(zhuǎn)化效率能夠達(dá)到29.4%，最大裝機容量為25 kW，適用于沙漠等干旱地區(qū)，但其工件的加工成本較高，因此，為了實現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)要降低聚光發(fā)電的成本。

1.3 塔式聚光系統(tǒng)

該系統(tǒng)目前有單塔式和多塔式聚光陣列兩種。單塔式系統(tǒng)的組成部分有:鏡場、單塔、塔頂吸熱器，其中鏡場主要由定日鏡組成。多塔式系統(tǒng)由鏡場和多個塔頂組成，可以滿足大規(guī)模發(fā)電需求。系統(tǒng)定日鏡會繞雙軸旋轉(zhuǎn)對太陽光進(jìn)行三維跟蹤，將太陽光反射到塔頂后，塔頂?shù)奈鼰崞髟賹⒌兔芏鹊奶栞椛鋾垡黄疝D(zhuǎn)化為熱能，并通過傳熱工質(zhì)傳輸?shù)降孛鎸崿F(xiàn)發(fā)電。塔式聚光發(fā)電系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 塔式聚光發(fā)電系統(tǒng)Fig.3 Tower-type concentrating power generation system

在設(shè)計時，主要考慮定日鏡和鏡場，可以利用光學(xué)軟件設(shè)計鏡面，采用輪胎面聚光鏡的光斑變化，使其容易被吸熱器接收。鏡場的結(jié)構(gòu)參數(shù)和地理位置等也需要在設(shè)計中考慮。在制作中，平面定日鏡的成本較低，尺寸較小，但是對光線無會聚作用，只適用于小型鏡場。曲面定日鏡的成本較高，加工難度也較大，但是聚光性能較為理想，可以做成大型鏡場。但在實際制作中，由于小尺寸定日鏡的數(shù)量巨大，大尺寸的鏡場難以控制，因此要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。目前該系統(tǒng)的年光電轉(zhuǎn)化效率為15%，設(shè)計規(guī)?？梢赃_(dá)到20 MW。

1.4 菲涅耳聚光系統(tǒng)

該系統(tǒng)由主聚光鏡、次聚光鏡以及吸熱管組成，主聚光鏡由可以繞水平軸旋轉(zhuǎn)的條形平面反射鏡組成，是基于拋物槽式聚光系統(tǒng)改進(jìn)而成。其原理是主聚光鏡跟蹤太陽光，并將光線會聚在鏡場上方的吸熱管，通過吸熱管上方的次聚光鏡二次聚光，達(dá)到更優(yōu)的聚光性能。菲涅耳聚光發(fā)電系統(tǒng)如圖4所示。

圖4 菲涅耳聚光發(fā)電系統(tǒng)Fig.4 Fresnel concentrating power generation system

在設(shè)計時主要考慮其二次聚光方式下，主聚光和次聚光鏡場的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以利用光學(xué)設(shè)計軟件進(jìn)行模擬分析。在制作中，主、次聚光鏡的生產(chǎn)工藝已經(jīng)成熟。該系統(tǒng)目前正處于商業(yè)化演示階段，年光電轉(zhuǎn)化效率可以高達(dá)37%，具有良好的發(fā)展前景。

拋物槽式聚光技術(shù)成熟，目前該種電站規(guī)模大，年光電轉(zhuǎn)化率較為經(jīng)濟，已大量投入生產(chǎn)建設(shè)，如果可以降低聚光鏡加工成本，提高聚光效率，該技術(shù)將得到更大的發(fā)展；碟式聚光式電站年光電轉(zhuǎn)化率高，普遍適用于沙漠等干旱地區(qū)，但由于其技術(shù)復(fù)雜，設(shè)備昂貴，難以在其他地區(qū)獲得發(fā)展；曲面定日鏡技術(shù)同樣有成本較高、加工難度較大的缺點，該種聚光系統(tǒng)應(yīng)著重發(fā)展大型日鏡，才會有更高的經(jīng)濟效益；菲涅耳聚光電站技術(shù)難點較少，成本較低，具有較好的發(fā)展前景，是未來太陽能發(fā)電的發(fā)展和研究方向。

2 太陽能熱發(fā)電技術(shù)展望

我國逐步增大了對太陽能發(fā)電技術(shù)和資金投入，并取得了良好的進(jìn)展，但距商業(yè)化大規(guī)模太陽能發(fā)電仍有一定距離。充分結(jié)合當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境條件，積極更新先進(jìn)發(fā)電技術(shù)，采用科學(xué)合理太陽能熱發(fā)電方式。還可以考慮整合太陽能發(fā)電和常規(guī)發(fā)電優(yōu)缺點，完善發(fā)電站發(fā)電系統(tǒng)，在保證環(huán)境的前提下，提高供電輸出的穩(wěn)定性。將成熟發(fā)電技術(shù)合理利用到太陽能發(fā)電技術(shù)中，積極研發(fā)新興技術(shù)，完善發(fā)電工藝，對發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行整合提高，提高熱能轉(zhuǎn)化率，解決現(xiàn)有太陽能發(fā)電問題，保證發(fā)電站的經(jīng)濟效益。

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Analysis of solar thermal power generation concentrating system

KANG Wen-tao

(Three Gorges New Energy Jiuquan Chaoyang New Energy Power Generation Co., Ltd., Jiuquan 730050)

In this paper, the solar thermal power generation system is analyzed and discussed. Based on the research status of solar thermal power generation, four applications of solar concentrating system are analyzed, and the application of solar concentrating system is prospected.

Solar energy; Thermal power generation; Concentrating system; Analysis

2017-02-19

康文濤(1986-)，男，工學(xué)學(xué)士，助理工程師。

TK514

B

1674-8646(2017)08-0102-02