胡葉廣， 張 成， 周超英， 杜建軍， 姚英學(xué)

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(深圳)機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院， 深圳 518055)

太陽(yáng)能作為一種分布普遍、清潔無(wú)污染的新能源，隨著能源危機(jī)、環(huán)境污染等問(wèn)題的日益突出而受到人類越來(lái)越多的關(guān)注[1]。中國(guó)蘊(yùn)含著十分豐富的太陽(yáng)能輻射資源，陸地上平均每年能接受約50×1018kJ的太陽(yáng)能輻射，其中，甘肅、寧夏、新疆和青藏高原等地區(qū)的太陽(yáng)能輻射總量最大，一年中的日照時(shí)長(zhǎng)為3 200～3 300 h，相當(dāng)于225～285 kg標(biāo)準(zhǔn)煤燃燒所發(fā)出的熱量，在《中華人民共和國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要》中，太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)與利用被列為重點(diǎn)發(fā)展方向之一[2]。

由于太陽(yáng)能分布具有稀疏性、間歇性等特點(diǎn)，聚光型光熱發(fā)電成為對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行高效利用的有效途徑之一，現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能光熱發(fā)電在聚光集熱方面的發(fā)展現(xiàn)狀及前景進(jìn)行重點(diǎn)分析。

1 聚光型太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)

近年來(lái)，太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展備受矚目，該技術(shù)采用集熱系統(tǒng)采集匯聚太陽(yáng)光，并利用吸熱器將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能，再通過(guò)蒸汽動(dòng)力循環(huán)的熱功轉(zhuǎn)化過(guò)程發(fā)電[3]，如圖1所示。目前該技術(shù)發(fā)展非常迅速，成為可再生能源開(kāi)發(fā)利用領(lǐng)域的優(yōu)先發(fā)展主題，國(guó)家能源局也為推動(dòng)太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，組織實(shí)施了一批示范電站的建設(shè)[4]。

圖1 太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統(tǒng)的工作原理Fig.1 Operational principle of solar thermal power system

2 太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)

根據(jù)聚光集熱方式的不同，太陽(yáng)能光熱發(fā)電集熱系統(tǒng)主要有4種類型：槽式集熱系統(tǒng)、塔式集熱系統(tǒng)、碟式集熱系統(tǒng)以及線性菲涅爾式集熱系統(tǒng)[5]。

2.1 槽式集熱系統(tǒng)

槽式集熱系統(tǒng)主要由槽式拋物面聚光鏡與真空吸熱管等結(jié)構(gòu)構(gòu)成，如圖2所示。位于拋物面聚光鏡焦線處的真空集熱管接收槽式拋物面聚光鏡的聚焦能流，傳熱工質(zhì)(通常采用導(dǎo)熱油)在真空集熱管的吸熱管中流動(dòng)并吸收熱量，吸熱管表面鍍有選擇性涂層，以最大化吸收輻射能流、減少熱損失。槽式集熱系統(tǒng)在跟蹤方式上通常采用東西向單軸跟蹤，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝維護(hù)方便，而且相比于其他集熱系統(tǒng)，具有最佳的土地利用率。然而聚光器的線聚焦方式?jīng)Q定了其聚光比較低，通常在50～90，系統(tǒng)的運(yùn)行溫度最高也只有400 ℃左右，導(dǎo)致太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化效率受限，適用于太陽(yáng)能中低溫利用[6]。

圖2 槽式集熱系統(tǒng)Fig.2 Solar parabolic trough heat collecting system

槽式聚光器的聚光效率主要受幾何效應(yīng)和光學(xué)效應(yīng)兩種因素影響，其中幾何效應(yīng)包含入射角修正系數(shù)、遮擋系數(shù)、集熱器端部系數(shù)、余弦損失系數(shù)等因子，而光學(xué)效應(yīng)則包含吸熱管吸收率、聚光器鏡面反射率、聚光器攔截因子、鏡面玻璃及吸熱管玻璃穿透率等因子[7]。針對(duì)如何提高槽式集熱系統(tǒng)的聚光效率，中外研究人員開(kāi)展了相關(guān)的研究工作。Jeter[8]建立了槽式拋物面聚光器的能流密度分布模型，并計(jì)算得到了LS-2型槽式集熱系統(tǒng)的聚光比分布規(guī)律。Carcia-Cortes等[9]對(duì)槽式聚光器的表面精度進(jìn)行光學(xué)檢測(cè)，進(jìn)而獲得聚光器的聚光效率，并提出聚光器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。王金平[10]對(duì)槽式聚光鏡陣列的布置與跟蹤方式進(jìn)行了分析，結(jié)果表明南北布置東西跟蹤年均聚光效率要高于東西布置南北跟蹤的聚光器。

槽式真空集熱管傳熱形式主要包括對(duì)流傳熱、熱傳導(dǎo)以及輻射傳熱[11]。對(duì)流傳熱主要發(fā)生在3個(gè)位置：吸熱管內(nèi)表面與傳熱工質(zhì)之間、吸熱管外表面與玻璃管之間、玻璃管與外界大氣之間。熱傳導(dǎo)主要發(fā)生在4個(gè)位置：吸熱管壁、玻璃管壁、真空層以及集熱管支架。輻射傳熱主要發(fā)生在兩個(gè)位置：吸熱管與玻璃管之間、玻璃管與環(huán)境之間。Garcia-Valladares等[12]根據(jù)玻璃管、吸熱管以及傳熱工質(zhì)之間的熱平衡方程，得到了槽式真空集熱管的傳熱傳質(zhì)特性。Rolim等[13]分析了非均勻能流密度分布對(duì)集熱管傳熱特性的影響，為槽式集熱管傳熱性能的精確分析提供了依據(jù)?？讉?qiáng)等[14]建立了真空管吸熱器的整體動(dòng)態(tài)能量平衡模型，并提出了吸熱器的動(dòng)態(tài)測(cè)試方法，結(jié)果表明，該方法能夠得到穩(wěn)定的測(cè)試結(jié)果。此外，中外研究人員針對(duì)真空集熱管結(jié)構(gòu)開(kāi)展了大量的優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，以強(qiáng)化工質(zhì)傳熱、提高集熱管熱效率[15-19]。

目前槽式集熱技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，美國(guó)與以色列組建的Luz公司早在1985年就建設(shè)了全球首座商業(yè)化SEGS槽式光熱電站，總裝機(jī)容量達(dá)到354 MW[20]。此后，大批槽式電站相繼建成，包括西班牙的Andsol電站、南非的KaXu Solar One電站、美國(guó)的Solana電站等[21]。中國(guó)在2018年也建成了國(guó)內(nèi)首個(gè)大型商業(yè)化槽式光熱發(fā)電項(xiàng)目——中廣核德令哈50 MW槽式電站。

2.2 塔式集熱系統(tǒng)

塔式集熱系統(tǒng)主要由定日鏡聚光鏡場(chǎng)、吸熱塔以及位于塔頂?shù)闹醒胛鼰崞鞯炔糠謽?gòu)成，其通過(guò)定日鏡場(chǎng)采集匯聚太陽(yáng)能到中央吸熱器，再通過(guò)傳熱工質(zhì)(通常采用熔融鹽、水或空氣)吸收能量進(jìn)行光熱轉(zhuǎn)化，如圖3所示。定日鏡鏡面具有一定曲率可以將太陽(yáng)光聚焦到吸熱器，由于塔式集熱技術(shù)采用點(diǎn)聚焦方式，定日鏡陣列需采用雙軸跟蹤，結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。相比于其他幾種集熱技術(shù)，塔式集熱系統(tǒng)對(duì)鏡場(chǎng)的跟蹤聚光性能要求高，且占地面積更大，因此塔式集熱系統(tǒng)的建設(shè)成本高、運(yùn)行維護(hù)難度大。然而塔式集熱系統(tǒng)在規(guī)?；瘧?yīng)用中(50～100 MW)經(jīng)濟(jì)效益更高，而且系統(tǒng)具有更高的聚光比(600～1 000)和集熱溫度(可達(dá)1 000 ℃)，因而太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化效率的提升潛力更大[22-23]。

圖3 塔式集熱系統(tǒng)Fig.3 Solar tower heat collecting system

塔式鏡場(chǎng)由定日鏡陣列構(gòu)成，其聚光效率主要受到余弦效應(yīng)、陰影遮擋效應(yīng)、鏡面反射率、大氣衰減效應(yīng)、吸熱器溢出效應(yīng)等因素的影響[24]。針對(duì)如何提高塔式集熱系統(tǒng)的聚光效率，中外研究人員開(kāi)展了相關(guān)的研究工作。加拿大ATS公司于1980年代研發(fā)出總反射面積為148 m2的ATS150定日鏡，其由多面面積為1.22 m2的球形子反射鏡拼接而成，經(jīng)過(guò)Sandia實(shí)驗(yàn)室測(cè)試，該定日鏡性能穩(wěn)定，具有較高的聚光精度，為后續(xù)的定日鏡方案設(shè)計(jì)提供了參考[25]。中科院電工所的Guo等[26-27]、Zang等[28]設(shè)計(jì)制造出一種4 m×4 m的輪胎面定日鏡，通過(guò)考慮定日鏡的偏心問(wèn)題，對(duì)跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行誤差補(bǔ)償并得到定日鏡的精確跟蹤數(shù)學(xué)模型，實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明定日鏡跟蹤精度在2.5×10-6m以內(nèi)。由于塔式鏡場(chǎng)包含了數(shù)量眾多的定日鏡，這些定日鏡系統(tǒng)在鏡場(chǎng)中如何進(jìn)行排列放置成為塔式太陽(yáng)能發(fā)電的研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)，因?yàn)殓R場(chǎng)布置的好壞會(huì)直接影響到整個(gè)鏡場(chǎng)的聚光效率，因而研究人員對(duì)塔式定日鏡場(chǎng)的布置優(yōu)化開(kāi)展了相關(guān)的研究工作[29-31]。美國(guó)桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的Kistler[32]在20世紀(jì)80年代開(kāi)發(fā)出DELSOL鏡場(chǎng)布置優(yōu)化工具，能夠?qū)︾R場(chǎng)進(jìn)行徑向交錯(cuò)式的初始化設(shè)計(jì)，并能夠基于經(jīng)濟(jì)效益對(duì)塔高、吸熱器尺寸、鏡場(chǎng)邊界以及鏡場(chǎng)的布置進(jìn)行優(yōu)化，適特別用于大型塔式聚光鏡場(chǎng)的初始設(shè)計(jì)。Noone等[33]提出一種仿生鏡場(chǎng)布置(螺旋葉序列)，優(yōu)化后鏡場(chǎng)的效率相比于傳統(tǒng)徑向交錯(cuò)式鏡場(chǎng)提高了0.36%，同時(shí)可減少占地面積15.8%。中科院長(zhǎng)春光機(jī)所的魏秀東等[34]為了實(shí)現(xiàn)對(duì)塔式電站鏡場(chǎng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高設(shè)計(jì)響應(yīng)速度，提出了利用腔式吸熱器幾何特性和定日鏡效率因子相結(jié)合的鏡場(chǎng)邊界限制方法，并開(kāi)發(fā)出鏡場(chǎng)優(yōu)化工具HFLD，研究人員利用該工具實(shí)現(xiàn)了對(duì)北京延慶塔式鏡場(chǎng)的高效布置優(yōu)化。丁婷婷等[35]則通過(guò)考慮鏡場(chǎng)的陰影遮擋損失，對(duì)鏡場(chǎng)進(jìn)行布置優(yōu)化，得到了圓形聚光鏡場(chǎng)，并且對(duì)該鏡場(chǎng)的余弦效率進(jìn)行了重點(diǎn)仿真和分析，進(jìn)而重新定義了定日鏡的鏡場(chǎng)布置方案。

塔式集熱系統(tǒng)采用中央集熱結(jié)構(gòu)，吸熱器位于吸熱塔頂部用于接收鏡場(chǎng)聚焦的太陽(yáng)輻射能，吸熱器由多個(gè)吸熱板構(gòu)成，每個(gè)吸熱板又由多根吸熱管并聯(lián)相接，中央吸熱器的傳熱形式同樣包括對(duì)流傳熱、熱傳導(dǎo)以及輻射傳熱[36-38]。對(duì)流傳熱主要發(fā)生在吸熱管與傳熱工質(zhì)之間以及吸熱板與外界大氣之間。熱傳導(dǎo)主要發(fā)生在吸熱管壁以及吸熱器支架。輻射傳熱主要發(fā)生在吸熱板與外界環(huán)境之間。Lata等[39]分析了吸熱器尺寸對(duì)傳熱特性及散熱損失的影響，并對(duì)吸熱器管徑及壁厚等參數(shù)進(jìn)行了最優(yōu)化設(shè)計(jì)。楊小平等[40-41]、Yang等[42]建立了非均勻能流密度下的吸熱器傳熱模型，通過(guò)模擬得到工質(zhì)流量對(duì)吸熱器溫度分布特性以及努塞爾數(shù)的影響，為綜合評(píng)價(jià)吸熱器傳熱性能提供了依據(jù)。中科院電工所的張強(qiáng)強(qiáng)等[43]分析了太陽(yáng)輻射度變化時(shí)吸熱器出口溫度的響應(yīng)特性，得到了多云天氣對(duì)吸熱器熱效率的影響規(guī)律。

目前塔式集熱技術(shù)發(fā)展非常迅速，美國(guó)、西班牙等已建設(shè)了多個(gè)塔式光熱電站。美國(guó)于1982年建成Solar One電站，額定功率為10 MW，Solar One電站的建成與成功運(yùn)行驗(yàn)證了塔式光熱發(fā)電的技術(shù)可行性，隨后又相繼建立了模塊化電站Sierra Sun Tower和世界上最大的塔式電站Ivanpah等[23]；西班牙在2007年建設(shè)了歐洲第一座商業(yè)化塔式熱電站PS10，設(shè)計(jì)功率為11 MW，隨后又相繼建設(shè)了PS20與Gemasolar等塔式電站[5]。近年來(lái)，中國(guó)的塔式熱發(fā)電技術(shù)得到了大力發(fā)展，中國(guó)科學(xué)院于2012年在北京八達(dá)嶺建成了國(guó)內(nèi)第一座塔式熱發(fā)電示范電站，此后，德令哈電站、敦煌電站等一批塔式熱電站正積極建設(shè)中。

2.3 碟式集熱系統(tǒng)

碟式集熱系統(tǒng)主要由碟式拋物面聚光鏡與斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)等構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。碟式聚光器在跟蹤過(guò)程中始終指向太陽(yáng)并將太陽(yáng)光聚焦到位于焦點(diǎn)的斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)中。碟式聚光器采用雙軸跟蹤方式，聚光器在不同姿態(tài)下都需維持較高的鏡面精度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。碟式吸熱器內(nèi)部的傳熱工質(zhì)吸收太陽(yáng)輻射能，并直接作為斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)的做功工質(zhì)[44]。碟式集熱屬于點(diǎn)聚焦，聚光比最高可以達(dá)到3 000，集熱溫度可達(dá)到1 000 ℃，能量轉(zhuǎn)化效率高，但碟式集熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、儲(chǔ)熱困難，更適用于分布式太陽(yáng)能發(fā)電[45]。

圖4 碟式集熱系統(tǒng)Fig.4 Solar dish heat collecting system

Truscello[46]提出聚光鏡表面精度、鏡面反射率以及跟蹤誤差等光學(xué)效應(yīng)對(duì)碟式聚光器的聚光精度具有重要影響，并認(rèn)為聚光器、跟蹤系統(tǒng)以及吸熱器等組件成本是碟式集熱系統(tǒng)成本的主要組成部分。Harris等[47]研究了碟式吸熱器的傳熱性能，分析了吸熱器傾角以及幾何形狀對(duì)吸熱器傳熱效率的影響規(guī)律，為碟式吸熱器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。Flesch等[48]分析了風(fēng)速和吸熱器傾角對(duì)吸熱器對(duì)流散熱損失的影響，結(jié)果表明，呈一定傾角吸熱器的對(duì)流熱損失會(huì)隨著風(fēng)速增大而顯著增加。Seo等[49]對(duì)比分析了圓錐形、半球形、圓柱形以及圓柱半球形等4種類型碟式吸熱器的傳熱性能，結(jié)果表明，圓柱半球形吸熱器具有最優(yōu)的傳熱性能。

碟式熱發(fā)電由于技術(shù)難度大仍處于試驗(yàn)示范階段，目前已有多個(gè)碟式示范系統(tǒng)建成并運(yùn)行，包括美國(guó)的SunCatcher、SunDish以及PowerDish系統(tǒng)，西班牙的EuroDish系統(tǒng)，澳大利亞的Big Dish系統(tǒng)等。中國(guó)的碟式熱發(fā)電技術(shù)也取得了一定的進(jìn)展，由中航工業(yè)西航投資開(kāi)發(fā)的國(guó)內(nèi)最大的兆瓦級(jí)碟式熱電站已經(jīng)開(kāi)工建設(shè)[50]。

2.4 線性菲涅爾式集熱系統(tǒng)

線性菲涅爾式集熱系統(tǒng)與槽式系統(tǒng)類似，采用線聚焦方式，主要由條形反射鏡陣列、柱型拋物面鏡以及吸熱器等構(gòu)成，如圖5所示。條形反射鏡陣列通過(guò)太陽(yáng)跟蹤將太陽(yáng)光反射到柱型拋物面鏡表面，鏡面將太陽(yáng)光再次反射聚焦到位于焦線的長(zhǎng)管形吸熱器中[51-52]。線性菲涅爾式系統(tǒng)建設(shè)成本低，安裝維護(hù)方便，然而太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化效率較低[53]。

圖5 線性菲涅爾式集熱系統(tǒng)Fig.5 Solar linear Fresnel heat collecting system

Mills等[54]提出了反射鏡陣列的交替式聚焦方式，不僅有效降低了線性菲涅爾式集熱系統(tǒng)的占地面積，而且能夠提高系統(tǒng)的聚光效率。杜春旭等[55-56]對(duì)線性菲涅爾式鏡場(chǎng)進(jìn)行了無(wú)遮擋設(shè)計(jì)，通過(guò)分析相鄰鏡元距離給出了無(wú)遮擋鏡場(chǎng)布置條件。Natarajan等[57]建立了碟式吸熱器傳熱的數(shù)值仿真模型，分析了吸熱器形狀、傾角等參數(shù)對(duì)散熱損失的影響。

目前，線性菲涅爾式技術(shù)仍以示范為主，但近年來(lái)也建成了少量的商業(yè)化電站。西班牙在2012年建成了世界最大的線性菲涅耳式電站Puerto Errado，裝機(jī)容量達(dá)到30 MW，運(yùn)行溫度達(dá)到 270 ℃。中國(guó)也于2020年建成了國(guó)內(nèi)首座商業(yè)化線性菲涅爾式光熱電站——50 MW敦煌電站[58]。

2.5 4種集熱系統(tǒng)技術(shù)對(duì)比

對(duì)以上4種典型的集熱系統(tǒng)進(jìn)行綜合對(duì)比，結(jié)果如表1所示。從表1可以發(fā)現(xiàn)，4種集熱系統(tǒng)都有各自獨(dú)特的技術(shù)特點(diǎn)：槽式集熱采用線聚焦方式，聚光比和工作溫度較其他3種方式低，但技術(shù)最成熟；塔式集熱技術(shù)能量轉(zhuǎn)化效率高、蓄熱能力強(qiáng)，有利于降低儲(chǔ)熱與發(fā)電成本，發(fā)展前景最廣闊；碟式集熱系統(tǒng)單機(jī)容量小、效率高，但蓄能難度大，適用于分布式太陽(yáng)能發(fā)電；線性菲涅爾式集熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、建設(shè)成本低，但能量轉(zhuǎn)化效率低，應(yīng)用較少。在當(dāng)前的光熱發(fā)電技術(shù)體系中，槽式與塔式集熱系統(tǒng)的發(fā)展前景與開(kāi)發(fā)價(jià)值最高，是最主要的兩種集熱技術(shù)路線[59-61]。

表1 4種典型的集熱系統(tǒng)技術(shù)特點(diǎn)[23]

3 太陽(yáng)能集熱技術(shù)發(fā)展前景分析

槽式和塔式作為目前最為主流的兩種集熱技術(shù)路線，各自都存在著優(yōu)勢(shì)與缺點(diǎn)：槽式集熱技術(shù)成熟，成本低，但真空吸熱管以及傳熱工質(zhì)導(dǎo)熱油不耐高溫，系統(tǒng)的工作溫度通常小于400 ℃，動(dòng)力循環(huán)效率因此受到限制；塔式集熱系統(tǒng)聚光比高、運(yùn)行溫度高，但系統(tǒng)占地面積大、投資成本高，而且鏡場(chǎng)規(guī)模過(guò)大將導(dǎo)致聚光效率下降[62]。

圖6 槽塔聯(lián)合集熱基本原理圖Fig.6 Basic principle of trough-tower combined heat collection

槽塔太陽(yáng)能聯(lián)合集熱發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、影響因素眾多，根據(jù)太陽(yáng)能熱電站的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)行溫度、運(yùn)行壓力(汽輪機(jī)入口蒸汽溫度、壓力)是影響系統(tǒng)運(yùn)行性能的兩個(gè)最重要參數(shù)，而考慮槽塔聯(lián)合集熱發(fā)電系統(tǒng)的雙集熱場(chǎng)結(jié)構(gòu)，槽塔鏡場(chǎng)容量比例即槽式鏡場(chǎng)容量與塔式鏡場(chǎng)容量之比也將是系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵影響參數(shù)。因此，研究運(yùn)行溫度、運(yùn)行壓力以及槽塔鏡場(chǎng)容量比例對(duì)槽塔聯(lián)合集熱系統(tǒng)發(fā)電性能的影響規(guī)律，據(jù)此開(kāi)展參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，以建立最優(yōu)的槽塔聯(lián)合集熱發(fā)電系統(tǒng)，將是槽塔聯(lián)合集熱發(fā)電系統(tǒng)的研究重點(diǎn)。

4 結(jié)論

目前太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統(tǒng)存在的主要問(wèn)題是經(jīng)濟(jì)性不足，其發(fā)電成本是常規(guī)能源發(fā)電成本的3～5倍，主要原因有：①受聚光效率、動(dòng)力循環(huán)效率等因子的影響，光熱發(fā)電效率不高；②太陽(yáng)能集熱場(chǎng)建設(shè)成本高，集熱場(chǎng)成本占到電站總投資成本的40%。由此可知，集熱系統(tǒng)對(duì)于光熱發(fā)電性能具有重要的影響，槽塔聯(lián)合集熱能夠提高純槽式系統(tǒng)的集熱溫度，又能降低純塔式系統(tǒng)的集熱成本，同時(shí)綜合了槽式成本低、塔式運(yùn)行溫度高的優(yōu)勢(shì)，有利于實(shí)現(xiàn)高效、低成本光熱發(fā)電，發(fā)展前景十分可期。