太阳能热发电的分析与思考

李 斌，李安定

中国科学院电工研究所，北京100080

摘要：太阳能热发电的研究开发在我国属于起步阶段，文章分析了目前世界上的主要几种 太阳能热发电技术的特点，并对我国发展太阳热发电技术提出几点思考。
关键词：太阳热发电;塔式发电;槽式聚光;碟式聚光;太阳池;太阳烟囱

0 概述

　　目前，许多发达国家都已投入了大量的人力和物力开展太阳能热发电的研究和试验工作。从几千瓦的独立系统到近百兆瓦的并网系统都已成功运行，许多已积累了十余年 的运行经验。美国加利福尼亚州的槽式抛物面太阳能热发电系统，总容量已达354MW，十余年 已向电网供应了50亿度电，其系统效率己达到15%。碟式抛物面斯特林发电系统适宜独立运行，特别适合急需电力补充的发展中国家的需要，其单机容量为几十千瓦至百千瓦级，其系统 效率已达29.4%，大大超过了目前太阳能光电的发电水平。显示了该项技术目前发展的规模，也说明了太阳能热发电进入广泛的商业应用己为期不远了。
　　决定采用哪一种太阳热发电方式，首先要调查气象条件，年太阳辐射大于1900kWh/m²的地区才适合采用太阳热发电技术。第二个需要了解的是土地资源是否紧张，譬如，在我国的西藏和新疆地域辽阔，土地资源丰富，农（牧）民居住分散，建立大规模大容量集中式的太阳热电站，采取远距离输变电的方式是不经济的。第三个需要考虑的是建热电站的财政投入问题。

1 太阳热发电技术分析

　（1）塔式电站。其特点是:采用高温熔融盐来蓄热储能，聚光比高，容易达到较高的工 作温度，接收器散热面积相对较小，可以得到较高的光热转换效率，这种电站的运行参数与高温高压的常规热电站基本一致，因而不仅有较高的热机效率，而且容易获得配套设备。
　　电站的建设费用十分昂贵，特别是定日镜场的投资，由于其跟踪系统复杂，占了整个投资的一半以上。美国在塔式太阳热发电技术方面，除了太阳二号电站以外，还开发了一种新型廉价的张膜 式定日镜，它的反射镜由镀银聚合物薄膜覆盖于薄金属箔上制成，然后张紧到金属构架上，对太阳光的平均反射率约为0.92。这种薄膜定日镜的制造成本不到玻璃反射镜的1/3。美国和欧洲还在进行接收器的改进研究，与过去介质在管内流动吸收的设计不同，改进后的新型接收器采用直接吸收概念，让太阳幅射直接被吸收，从而降低热损，提高接收器的效率，采用这种直接吸收接收器和薄膜定日镜的太 阳热电系统的发电成本有望降至5美分/kWh以下。
　　（2）槽式太阳热电站。该技术比较成熟，其集热器是一种线聚焦集热器，其聚光比要比塔式聚光低得多，且吸热器散热面积较大，故集热器所能达到的介质工作温度一般不超过400℃，属于太阳能中温热发电系统，这种系统容量可大可小，不像塔式电站那样只有在大容量 的情况下才有较好的经济效益。集热器等设备都是分布在地面上，安装维修比较方便。最大 的优点是多聚光器集热器可以同步跟踪，故跟踪控制代价大为降低。缺点是:能量在集中过程中依赖管道和泵，管道系统比塔式电站要复杂得多，热量及阻力损失均较大，降低了系统的净输出功率和效率。
　　（3）碟群—汽轮机太阳热发电系统。优点是:聚光比高，可以达到很高的温度，对于大功率的80MW的电站，需要配备3000～4000个直径14m的抛物面镜，每个抛物面聚光器都需安装 高温吸热器，数千个高温吸热器中的工质汇集起来，系统复杂，管路及绝热材料的费用很高 。该技术路线因为其局限性，没有得到发展。
　　（4）独立蝶式—斯特林太阳热发电系统。特点:①发电容量范围5～50kW，可以为偏远山村或小社区供电，初投资少，建设周期短，不需要敷设长距离输电线。②聚光比高，有望获得高的光电转换效率。③热机目前采用斯特林发动机。④在阳光辐照度太低，不足以提供足够的能量使热机正常运转时，可以采用燃气燃烧来为热机提供热量，使其正常发电。⑤斯特林发动机冷却采用空冷方式，系统耗水量低，非常适合于沙漠地区建立大面积、大容量的蝶式斯特林太阳热发电站。
　　碟式太阳热发电具有特殊的优势，比如说，碟式太阳热发电系统正适应了农业灌溉的要 求，因为灌溉一般发生在白天，且雨季不需要灌溉，尤其是碟式系统并网发电被采用后，随着关键技术的突破和生产批量的增加，碟式系统的成本会大幅下降，系统投资成本有望得到下降。
　　（5）太阳烟囱。特点:①出现云遮日时，屋顶可以利用包括漫射辐射的能量。②地表是 天然的储热介质，保证电厂以一相对恒定速率运行到深夜或彻夜运行，如果附设储热水管， 可以实现24h连续供电。③除涡轮机和发电机外，没用其他运动部件，甚至不需要冷却机械部 件的水，维修工作量少。④技术、设计及材料（玻璃、水泥和钢材）简单易得，适宜不发达 国家使用，安装容易，总体成本低。⑤适宜沙漠地带发展。缺点:①这种太阳热发电厂占地面 积很大，比如，30MW的电厂需占地400万 m²;当日照度为1000W/m²时，达到最大输出（30 ）200MW，如果烟囱高度为（750）1500m，则顶棚直径要求（2200）4000m才行;24h连续运行 200MW的太阳烟囱电厂，地表附近布置储热水管，顶棚直径要求7200m，这样的电厂在日照资 源2300kW/m²的条件下，年发电1500GWh^［1］。②发电效率很低只有1%，这些都限制了它的发展^［2］。
　　（6）太阳池热发电。对于发展中国家，有些地区日照条件很好，并且盐资源也比较丰富，在大规模全国性电网未建成以前，在相当长的时期内还需要一些小型的动力供给，尤其在偏远地区更是如此。在这样的条件下，装有500～5000kW机组的太阳池电站就可与柴油机发电相竞争。
　　太阳池热发电系统因其结构系统简单、成本低，引起各国家的广泛注意，并正在积极发 展中。但是，太阳池的应用有一定的局限性，主要表现在下列几个方面:①在高纬度地区，只能水平设置的太阳池对于接受太阳辐射显然非常不利。②由于决定太阳池成本的最主要因素是盐的价格（常占总造价的1/3～1/2），所以在缺盐地区建造太阳池可能会得不偿失。③在某些有地下流动含水层的地区不能建造太阳池，因为万一太阳池发生泄露事故，就会造成水源污染，并且地下含水层的流动将会带走大量热量，从而造成严重的热损失。④大型太阳池只能建造在土壤贫瘠又无矿藏的地区，以免占用耕地和影响开矿;此外，大型太阳池还可能会引起生态环境和地球物理方面的变化。⑤占地面积大，效率太低，约1.3%以下。⑥有许多技术问题需要解决，比如:盐水梯度稳定性，池内藻类处理以及管路系统的腐蚀等问题^［3］。
　　前面已介绍了几种太阳能热发电方式，最前两种和最后两种都属于大规模发电，只有做成几十兆瓦级乃至于百兆瓦级，成本才能降下来。建成这样大的规模需要十几亿乃至几十亿人民 币的投资，显然就我国的财力是不允许的。特别是后两种发电方式，除了巨额投资外，还要占有大面积的平地或湖泊，同时其发电效率又低，虽然技术较为简单，易于实现，但总体看来在我国也是不可取的。几种形式的太阳热发电系统相比较而言，塔式热发电系统的成熟程度目前不如抛物面槽式热发电系统，抛物面碟式斯特林热发电系统有比较优良指标。槽式抛物面镜集热器分散布置式电站虽然是利用线聚焦，聚光比不高，为中温太阳能热发电，但其 跟踪比较简单，跟踪控制的代价最小，且吸收器为管状，使得工作介质加热流动的同时，也是能量集中的过程，故其总体代价相对最小，经济效益最高，这正是它最先实现商业化的原因所在。

2 关于我国发展太阳热发电技术的几点思考

　　（1）常规化石能源是有限的。根据国际 能源总署1994年展望，全球能源的需求平均每年增加2.1%，到2010年世界总能源的需求将由 1991年7854百万t当量油增加至2010年的11560百万t当量油。而常规能源是有限的，据专家分 析，按现有资源储量，则五六十年后石油资源将枯竭;天然气只可供开采六七十年，储量丰富 的煤预计也只有300年左右的开采寿命。这种迅速增长的对电能和能源的需求，要尽可能多地 靠可再生能源来解决。因此研究太阳能热发电就具有更重要的战略意义。
　　（2）对环境忧虑不断增长。常规化石能源发电将对环境产生严重的影响，国际能源总署 估计到2010年，CO 2 的生成量将为1991年的128%。科学家们估计，由于使用常规能源，产生 的大气变化可能使全球平均温度上升导致冰川溶化，海面上升，使沿海地区变为海洋;由于气 候的改变还将破坏农业，使防洪能力失去控制，许多动植物也将无法生存。因此各国政府出 于对环境和生态考虑，都增大了太阳能利用的研究经费。
　　（3）社会的发展对电力的需求量日益增长。在20世纪90年代初美国能源部预计，本世纪末全世界对电的需求将增加6亿kWh。
　　能源和电力问题一直是我国国民经济中举足轻重的重大问题之一。我们在努力开发常规 能源的同时，必须积极发展可再生能源。而电能是高品位的能源，社会越发展对电能的需要 越迫切。因此我们必须研究发展太阳能热发电技术，以解决可再生能源规模性供电问题。
　　
3 参考文献

　　［1］ Jorg Schlaich.Tension structure for solar electricity generation.Engineering structure，1999（21）:658～668.
　　［2］ S.Beerbaum.Solar thermal power generation in India-a technoeconomic analysis.Renewable Energy，21（2000）:153～174.
　　［3］ 李申生.太阳池的应用.太阳能， 1999（4）:22～23.
　　

收稿日期：2003-11-28
作者简介：李斌（1969-），男，博士后，副研究员，从事太阳热发电技术研究。