太阳能热发之槽式太阳能热发电

　　太阳能热发电通常叫做聚光式太阳能发电，与传统发电站不一样的是，它们是通过聚集太阳辐射获得热能，将热能转化成高温蒸汽驱动蒸汽轮机来发电的。当前太阳能热发电按照太阳能采集方式可划分为（1）太阳能槽式发电；（2）太阳能塔式热发电；（3）太阳能碟式热发电。

　　槽式系统是利用抛物柱面槽式反射镜将阳光聚焦到管状的接收器上，并将管内的传热工质加热产生蒸汽，推动常规汽轮机发电；塔式系统是利用众多的定日镜，将太阳热辐射反射到置于高塔顶部的高温集热器(太阳锅炉)上，加热工质产生过热蒸汽，或直接加热集热器中的水产生过热蒸汽，驱动汽轮机发电机组发电；碟式系统利用曲面聚光反射镜，将入射阳光聚集在焦点处，在焦点处直接放置斯特林发动机发电。这三种太阳能热发电技术都有其自身的特点，优势和缺点，其中一些列在表2-1。

　　表2-1 三种聚光式太阳能电站的发展状况及其优缺点
　　

	槽式	塔式	碟式
发展状况	中、高温过程热，联网发电运运行（最高的单元容量为80MW），总的装机容量为354 MW。	高温过程热，联网运行（最高的单元容量为10MW，另一个10MW的电站正在建设）。	独立的小型发电系统构成大型的联网电站（最高的单元容量为25 kW，目前设计的单元容量为10 kW）。
优点	1.具有商业运行的经验（1.2×10 kWh），潜在的运行温度可达500°C(商业化运行的温度已达到400°C)。 2.商业化的年净效率14 %。 3.最低的材料要求。 4.可以模块化或联合运行 可以采用蓄热降低成本。	1.从中期来看具有高的转化效率和潜在的运行温度超过1000 °C（56 5°C在10MW的电站中实现）。 2.可高温蓄热。 3.可联合运行。	1.非常高的转化效率，峰值效率30 %。 2.可模块化或联合运行。 3.处于实验示范阶段。
缺点	导热油传热工质的使用限制了运行温度只能达到400 °C，只能停留在中温阶段。	处于实验示范阶段，商业化的投资和运行成本需要证实。	商业化的可行性需要证实。大规模生产的预计成本目标需要证实

　　在这三种系统中，目前只有槽式发电系统实现了商业化。从1981年至1991年的10年间，相继在美国加州的Mojave沙漠相继建成了9座槽式太阳能热发电站，总装机容量353.8MW（最小的一座装机14MW，最大的一座装机80MW），总投资额10亿美元，年发电总量为8亿KWh。太阳能热发电技术同其它太阳能技术一样，在不断完善和发展，但其商业化程度还未达到热水器和光伏发电的水平。太阳能热发电正处在商业化前夕，专家预计2020年前，太阳能热发电将在发达国家实现商业化，并逐步向发展中国家扩展。

　　槽式发电是最早实现商业化的太阳能热发电系统。右图为一个槽式太阳能热发电系统。它采用大面积的槽式抛物面反射镜将太阳光聚焦反射到线形接收器（集热管）上，通过管内热载体将水加热成蒸汽，同时在热转换设备中产生高压、过热蒸汽，然后送入常规的蒸气涡轮发电机内进行发电。槽式抛物面太阳能发电站的功率为10~1000 MW，是目前所有太阳能热发电站中功率最大的。通常接收太阳光的采光板采用模块化布局，许多采光板通过串并联的方式，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。一些国家已经建立起示范装置，对槽式发电技术进行深入的研究。

　　早在1973年石油危机的前几百年就开始了利用太阳光开发可再生能源的研究工作了，石油危机的爆发触发了可再生能源的近代发展。最早的试验是19世纪60年代，Auguste Mouchout的以太阳能为动力的第一辆汽车，在一玻璃封闭的铁釜内生产蒸汽来驱动汽车。19世纪80年代，美国人John Ericsson采用槽式抛物面太阳能集热装置驱动了一台热风机。接着在20世纪初，AubreyEneas的第一辆商业化的太阳能汽车出现了。1907年，德国阿伦的Wilhelm Meier 博士和斯图加特的Adolf Remshardt，申报了一项用槽式抛物面太阳能集热装置生产蒸汽的专利，他们采用抛物槽式接受器吸收太阳辐射，直接产生蒸汽来发电。1912年Shumann和Boys在这个专利的基础上设计了一台用槽式抛物面太阳能集热装置生产蒸汽驱动45kW的蒸汽马达泵，集热装置长62m，光线总通径宽度4m，总通径面积1200 m。1916年德国议会还批准拨款20万马克，在西南非洲领地进行槽式抛物面太阳能集热装置示范试验，遗憾的是由于第一次世界大战的爆发和近东地区石油的发现，阻碍了这项计划的实现。
 
　　1977年发生石油危机以后，对槽式抛物面太阳能集热装置的兴趣被重新激起。在这期间，美国能源部（DOE）和联邦德国研究和技术部都在资助装有槽式抛物面太阳能集热器的加热装置和水泵系统的发展。国际能源机构(IEM)的9个成员国共同参与了一项总功率为500kW示范试验，该示范试验项目于1981年投入运营；Acurex公司的10000m系统也于1977年至1982 年在美国的一台示范装置上装机使用。　1991年加利福尼亚的槽式抛物面太阳能热利用发电站的运营成功，促进了南欧和其他拥有丰富太阳辐射的发展中国家太阳能热利用计划的开展。1998年以来，由欧盟支持的DISS (Direct Solar Steam)计划和Euro Trough 计划，以及西班牙和摩洛哥研究计划，启动了欧洲槽式抛物面太阳能技术的发展。2000年德国联邦议会决定，为太阳能发电实施一项3年投资计划，计划资金的三分之二用于槽式抛物面太阳能热发电项目。
 
　　随着制造工艺的不断改进，建造费用由5976美元/KW降低到3011美元/kW，发电成本由26.3美分/KWh降低到了12美分/kWh。当发电成本降到8美分/KWh时，太阳能热发电可与常规矿物能源发电相媲美。随着热能存储设备的加入，可使槽式发电的效率比最初提高7%，可使一个80MW的发电站的光电转换效率达到13.8%。热能存储设备可以存储剩余的热量，保证发电的平稳，同时它也为独立的太阳能发电提供了保障。
 
　　当前正在发展的技术方向为直接蒸汽（DSG）技术。典型的PTC发电厂动力范围30-150MW，工作温度约为400°C。如图所示为目前世界上太阳能槽式发电站列表。