浅析太阳能热发电技术.doc

山西大学工程学院毕业设计论文 山西大学工程学院 毕业设计（论文）题 目 浅析太阳能热发电技术 系 别 动力工程系 专 业 热能与动力工程 班 级 动本0924班 姓 名 张心怡 指导教师 靳智平 下达日期 2013年 3 月 4 日设计时间自2013年3月4日 至2013年5月31日 毕业设计（论文）任务书一、设计题目：1、题目名称 太阳能热发电技术 2、题目来源 自拟 二、目的和意义我国能源需要快速增长，需要增加新的能源来源，缓解能源供需矛盾。化石能源的大量消耗导致环境问题日益严峻，需要发展清洁能源。近年来风电项目得到凶猛发展，但由于风能具有间歇性、随机性、不可控、不可调等特点，对电网的稳定运行有所冲击，导致风电在能源结构中的作用受到很大限制。太阳能发电是理想的可再生能源，它具有无噪声、无污染、能量大、无地域限制等特点。中国拥有适合于发展大规模太阳能发电的沙漠、沙化和潜在沙化的土地约占国土面积的25%。所以，太阳能发电的开发空间十分广阔。与太阳能光伏发电相比，太阳能热发电技术有光电转化效率高、寿命长、使用荒漠不占用农田，还可通过一体化太阳能联合循环系统克服光伏发电调度性差的特点。为了实现经济的可持续发展，必须保证电力生产的可持续发展，要想达到这一目标，必须走电力生产与环境保护相协调的发展道路，积极发展高效清洁的发电技术必将对人类社会的可持续发展做出重要的贡献。因此日趋完善的太阳能热发电技术具有广阔的应用前景。为此，有必要对太阳能热发电技术的发展现状、关键技术、应用前景和政策支持等进行研究，以其进一步的顺利发展。三、原始资料2013年以前各类科技期刊上发表的科技论文、当前各类网站上发表的相关论文和信息；其他太阳能发电技术资料。四、设计说明书应包括的内容1、太阳能光热发电技术的进展和现状；2、太阳能资源分析以及建厂条件；3、太阳能热发电方式选择；4、太阳能光热发电关键技术；5、太阳能热发电技术的关键设备以及选型；6、太阳能热发电系统集成及设计；7、我国对太阳能热发电的政策支持。五、设计应完成的图纸无六、主要参考资料2013年以前各类科技期刊上发表的科技论文、当前各类网站上发表的相关论文和信息；太阳能热发电技术资料。七、进度要求1、实习阶段 第 15 周（ 6 月 3 日 ）至第 17 周（ 6 月 21日）共 3周2、设计阶段 第 2 周（ 3 月 4 日 ）至第 14 周（5 月31日）3、答辩日期 第 14周（ 2013年 5 月27-5月31日） 八、其它要求浅析太阳能热发电技术摘要 太阳能热发电是解决当前能源、资源和环境等问题的一直有效的途径和方法，太阳能热发电技术也在不断完善和发展，随着我国国民经济的发展、可持续发展规划的实施和环境保护的日益重视，中国也将进入一个利用太阳能热发电的发展时期。太阳能热发电研究体现了当前乃至未来几十年世界能源科学发展的重要前沿方向和重大基础性问题，对太阳能热发电的大规模利用、可持续发展战略的顺利实施具有重要意义。本文分析了当前世界太阳能热发电技术研究现状，根据热力学定律对槽式太阳能双工质回路热发电系统建立了平衡方程；根据SEGS-VI的设计参数数据计算得到系统的热效率，并揭示了系统的热损，分析结果将为槽式热发电系统的改进、效率的进一步提高提供依据。关键词太阳能光热发电；应用；槽式系统；塔式系统；碟式系统AbstractSolar power gcncration is an effective way for solving the problem of current energy, resource and enviroment. Solar power generation technology is being imporved and developed more and more, along with the delvelopment of our national economy, implement of sustainable development planning and more importance is atatched to environmental protection, here in China will enter a developing period of using solar power generation. The research of solar power generation reflects the important leading field and basic problem of current, even future few decades world energy science development. Also it means a lot to the large-scale using of solar power generation and successful implement of sustainable development strategy. At last, this paper proposes a te5ting platform scheme for parabolic trough solar thermal collector which is used to test the collector heat performance, and then comparing the different collectors performance, optimize the design of the collector; Key Words concerntrating solar power, application，parabolic troughs,towers,parabolic dishes目 录摘要3Abstract4前 言7第1章 绪论81.1 研究背景81.2 国家相关政策8第2章 太阳能光热发电主要方式92.1 太阳能发电方式及历史92.2 中国太阳能光热发电进展102.3 槽式太阳能光热发电102.4 塔式太阳能光热发电112.5 线性菲涅尔式太阳能光热发电13第3章 关键技术163.1 储热材料163.1.1 熔盐163.1.2 高温混凝土193.1.3 相变储热203.2 聚光器223.3 吸收器223.4 跟踪技术233.5 定日镜233.6 太阳能混合发电技术253.6.1 太阳能燃气蒸汽联合循环技术（ISCC）253.6.2 光煤互补联合循环技术(SACPG)253.6.3 常规循环和ORC循环联合发电循环253.6.4 热电光电复合发电系统263.7 太阳能光热发电用玻璃技术263.8 热管技术27第4章 关键设备284.1 真空集热管294.2 定日镜314.3 跟踪设备32第5章 结论33参考文献34附 录35前 言我国能源需要快速增长，需要增加新的能源来源，缓解能源供需矛盾。化石能源的大量消耗导致环境问题日益严峻，需要发展清洁能源。近年来风电项目得到凶猛发展，但由于风能具有间歇性、随机性、不可控、不可调等特点，对电网的稳定运行有所冲击，导致风电在能源结构中的作用受到很大限制。太阳能发电是理想的可再生能源，它具有无噪声、无污染、能量大、无地域限制等特点。中国拥有适合于发展大规模太阳能发电的沙漠、沙化和潜在沙化的土地约占国土面积的25%。所以，太阳能发电的开发空间十分广阔。与太阳能光伏发电相比，太阳能热发电技术有光电转化效率高、寿命长、使用荒漠不占用农田，还可通过一体化太阳能联合循环系统克服光伏发电调度性差的特点。为了实现经济的可持续发展，必须保证电力生产的可持续发展，要想达到这一目标，必须走电力生产与环境保护相协调的发展道路，积极发展高效清洁的发电技术必将对人类社会的可持续发展做出重要的贡献。因此日趋完善的太阳能热发电技术具有广阔的应用前景。为此，有必要对太阳能热发电技术的发展现状、关键技术、应用前景和政策支持等进行研究，以其进一步的顺利发展。第1章 绪论 1.1 研究背景 随着经济社会的不断发展，能源需求与日俱增，化石能源存在污染日益严重且不可再生的问题，发展清洁的可再生能源势在必行。太阳能储量丰富，是一种环保清洁的可再生能源，具有资源丰富、分布广泛、安全、清洁等优点。另据估算，地球表面每年接收的太阳辐射量高达5.4*1024J，相当于1.8*1014t标准煤。若将其中的0.1% 按效率5%转换为电能，则每年的发电量可达5600TWh，相当于目前全世界能耗的约40倍。因此，利用太阳能进行发电对今后的能源发展有着十分重要的意义。现在世界以来的能源以如石油、煤炭等化石燃料为主，然而这些储量有限且开发利用时污染严重，不可持续。寻找无污染的可再生新能源是发展的迫切需要。各种可再生能源，如太阳能、生物质能、风能、海洋能、水能等，太阳能是其中最重要的基本能源，广义地说，太阳能包括以上各种再生能源。太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。相比于其他能源，太阳能具有以下特点：首先，太阳能使用时没有废物排出。不会污染环境；其次，分布广泛；第三，不需要开采加工和运输；第四，能量巨大，取之不竭，用之不尽。然而太阳能受昼夜、气候变化影响较大，具有间歇性，需要有储能的装备，并需要有较大采光装置，能量密度低，因地而异，因时而变。对于我国来说，由于工业和电力的需要，而我国近四分之三的电力来自火力发电厂。我国太阳能资源丰富，2/3以上国土面积可利用太阳能，全年日照时数在22003300小时，年总辐射量超过1670KWh/。1.2 国家相关政策2006年1月1日，中国的可再生能源法正式实施，其中第1条：“国家鼓励单位和个人安装和使用太阳能热水系统、太阳能供热采暖和制冷系统、太阳能光伏发电系统等太阳能利用系统”。之后，有关部门出台一些相关规章，如2006年9月4日财政部、住建部联合发布的可再生能源建筑应用专项资金管理暂行办法、可再生能源建筑应用示范项目评审办法，2009年3月23日财政部。住房城乡建设部颁布实施的关于加快推进太阳能光电建筑应用的实施意见、太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法。2005年12月5日，建设部和国家质量监督检验检疫总局发布民用建筑太阳能热水系统应用技术规程。2008年3月在国家“十一五”可再生能源发展规划中明确提出：“在内蒙古鄂尔多斯高地沿黄河平坦荒漠、甘肃西走廊平坦荒漠、新疆哈密地区、西藏拉萨或北京周边选择适宜地区，开展太阳能热发电试点，总装机容量约5万千瓦”。2008年10月24日，中国太阳能标准化技术委员会在北京成立。第2章 太阳能光热发电主要方式2.1 太阳能发电方式及历史 太阳能发电主要包括光伏发电和光热发电两种基本方式。光伏发电所需晶体硅在加工时存在高成本和高污染的问题，而采用太阳能热发电技术则可有效的避免这些问题。20世纪80年代以来，美国、以色列、西班牙等国相继建立了不同形式的太阳能热发电示范装置及电站。在“十一五”期间，我国对太阳能热发电技术研发的投资也是不断加大，重点技术领域取得了突破性进展。太阳能热发电可分非聚光和聚光两大类。聚光式太阳能热发电技术是指通过聚光产生高温热能进而发电，较之非聚光式，该技术效率高，更具应用前景。目前全世界聚光式太阳能热发电容量约为560MW，在建电站容量达到984MW，其中大部分在美国和西班牙。太阳能光发电包括光伏发电、光化学发电、光感应发电和光生物发电，光化学发电中有电化学光伏电池、光电解电池和光催化电池。太阳能热发电是将太阳辐射能聚集起来产生高温热能加热工作介质来驱动发电机发电。包括两大类型：一是利用太阳能直接发电，如金属材料或半导体的温差发电。真空器件中的热电子和热离子发电、碱金属热发电转换和磁流体发电等，其特点是发电装置本体没有活动部件，发电量小，有的方法尚处于原理性试验阶段；另一类是利用太阳能通过热机带动发电机发电，基本组成与常规发电设备类似。1878年，法国国家研究中心在巴黎建成了小型点聚焦太阳能热动力系统，盘式抛物面发射镜将阳光聚焦到位于焦点处的蒸汽锅炉，产生的蒸汽驱动一个很小交互式蒸汽机运行。1901年美国工程师在美国加州安装7350W的太阳能蒸汽机实验运行，采用70太阳能集热器。1950年，前苏联设计了世界第一座塔式太阳能热发电站的小型实验装置，第一次对太阳能热发电技术进行了基础性的、广发的探索和研究，开始了太阳能热发电新的一页。此后，1952年，法国国家研究中心在比利牛斯山东部建成了功率为1MW的太阳炉。1973年，世界性的石油危机爆发，化石燃料的不可再生性激发了人们对太阳能发电技术的研究和开发。相对于借个高昂、效率较低的太阳电池，太阳能热发电效率较高、技术较成熟，因此太阳能热发电成为许多国家研究开发的重点。19811991年间，全球建造了20余座兆瓦级太阳能热发电试验电站，主要为塔式电站，最大发电功率80MW。但单位容量投资过大且降低造价困难，太阳能热发电站的建设主见减少。 20世纪80年代初期，以色列和美国联合组建了LUZ太阳能热发电国际有限公司，集中力量研究开发槽式抛物面聚光镜太阳能热发电系统。1985年1991年间，该公司在美国加州沙漠相继建成了9座槽式太阳能热发电站，总装机容量353.8MW，并投入并网运行。经过努力，电站的初次投资由1号电站的4490美元/kW降到8号电站的2650美元/kW,发电成本从24美分/KWh降到8美分/kWh。该公司计划到2000年，在加州建成总装机容量达800MW的槽式太阳能热电站，发电成本降至56美分/kWh。由于1991年LUZ公司宣告破产，该计划停止。 碟式太阳能热发电系统是世界上最早出现的太阳能动力系统。近年来，盘式太阳能热发电系统主要开发单位功率质量更小的空间电源。盘式太阳能热发电系统应用于空间，与光伏发电系统相比，具有气动阻力低、发射质量小和运行费用低等优点。太阳池太阳能热发电最早是在以色列进行研究开发的。20世纪70年代，以色列在死海沿岸先后建造了3座太阳池太阳能热电站，以提供全国1/3的用电量。美国也曾计划将加州南部萨尔顿海的一部分建成太阳池，用以建造8006000MW太阳池太阳能热电站。后来，以色列和美国均对其太阳池热发电计划作了改变。1983年，西班牙建成一座太阳热气流（即太阳烟囱）太阳能热发电站，发电功率50kW ，用于进行探索性试验研究。以上5种为主要的太阳能热发电方式。此外，以色列和美国还曾计划建造太阳能磁流体热发电装置。还有一些国家开展了太阳能海水温差发电、太阳能热离子发电等研究。国际能源署（IEA）和以美国、俄国、德国、以色列、澳大利亚、瑞士、西班牙七国作为执行委员会的太阳能热动力和太阳化学能系统计划（Solar PACES Program ），首先就是发展太阳能热发电系统。2.2 中国太阳能光热发电进展 在国内，随着太阳能利用技术的迅速发展，从20世纪70年代中期开始，中国一些高等院校和中科院电工研究所等单位和机构，也对太阳能热发电技术做了不少应用性基础实验研究，并在天津建造了一套功率为1kW的塔式太阳能热发电模拟实验装置，在上海建造了一套功率为1kW的平板式低沸点工质太阳能热发电模拟实验装置。在北京，中科院电工研究所对槽式抛物面反射镜太阳能热发电用的槽式抛物面聚光集热器也作了不少单元性试验研究。目前中科院电工研究所建立了一套1kW碟式太阳能热发电系统，正在进行实验研究。此外，80年代初，湖南湘潭电机厂与美国公司合作，设计并研制出功率为5kW 的盘式太阳能热发电装置样机。2005年11月我国首座70kW塔式太阳能热发电系统在南京市江宁建成并成功发电。这对我国太阳能热发电开发应用有着重要的意义。我国太阳能热发电技术的研究开发工作开始于70年代末，但由于工艺、材料、部件及相关技术未能得到根本性的解决，加上经费不足，热发电项目先后停止和下马。国家“ 八五”计划安排了小型部件和材料的攻关项目，带有技术储备性质，与国外差距很大。近年来，国外太阳能热发电技术发展很快，我国也应加大对太阳能热发电技术的投入，加快太阳能热发电技术的研制与开发。这对我国在太阳能领域的应用开发中缩短与国外的差距有着重要的意义。2.3 槽式太阳能光热发电 太阳能热发电系统，单机容量从千瓦级发展到兆瓦级。按集热器类型的不同，聚光式太阳能热发电系统可分为槽式系统、塔式系统和碟式系统。 槽式太阳能热发电系统结构紧凑，其太阳能热辐射收集装置占地面积比塔式和碟式系统的要小且槽形抛物面集热装置的制造所需的构件形式不多，容易实现标准化，适合批量生产。用于聚焦太阳光的抛物面聚光器加工简单，制造成本较低，抛物面场每平方米阳光通径面积仅需18kg钢和11Kg玻璃，耗材最少。：槽式太阳能热发电系统的装容规模最大、效率较高，已具商业化规模且技术要求相对较低，是一种比较理想的发电技术。LUZ公司1980年开始开发此类热发电系统，5年后实现了商业化运行。美国加利福尼亚从1991年开始运行的由9个槽式系统组成的太阳能热发电站总装机容量达354MW，年发电10TWh，收入1.5亿美元。随着制造工艺的不断改进，槽式系统的发电效率已由11.5%提高到13.6%；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。有专家预测，当发电成本降到8美分/KWh 时，太阳能热发电将可与常规矿物能源发电相媲美。槽式太阳能热发电主要是借助槽形抛物面聚光器将太阳光聚焦反射到接收聚热管上，通过管内热载体将水加热成蒸汽，推动汽轮机发电。基于槽式系统的太阳能热电站主要包括：大面积槽形抛物面聚光器、跟踪装置、热载体、蒸汽产生器、蓄热系统和常规朗肯循环蒸气发电系统。在太阳能热电系统中配置高温蓄热装置是为解决太阳能的间歇不稳定性而设计的，它可以在太阳光充裕的时候把热能存储下来，当太阳光不足时再放出热能，实现电厂的持续发电。吸收器、聚光器以及跟踪系统构成槽式太阳能热发电系统的集热装置。 吸收器一般采用双层管结构，被置于抛物面聚光器焦线上，内侧为热载体，外侧为真空，以防热流失。热载体可以是水蒸气、热油或熔盐。温度一般在400左右，属于太阳热能的中低温利用。聚光镜是一种表面上涂有聚光材料的抛物镜面，它的作用是将分散的低密度太阳光聚焦到吸收器上以产生高温，聚光镜性能的好坏除了与自身的制造精度有关外，还与跟踪装置的好坏有关。一般的太阳能发电站都采用单轴跟踪方式使抛物面对称平面围绕南北方向的纵轴转动。与太阳照射方向始终保持0.04夹角。以便在任何情况下都能有效的反射太阳光。然而，近年来人们正在研制一种由多个小型平面反射镜组成的环带太阳能集热器系统，这种技术可以大大降低反射镜的制造难度，但其可靠性和经济性还需作进一步验证。由多个抛物面聚光器组成的太阳能场将太阳光聚焦到吸收器将冷管中的熔盐热载体加热到385并储存到蓄热器中，当系统发热完毕后，热的熔盐载体被送往传热液体加热器，与来自动力系统热管的熔盐热载体进行换热。热管中的热载体一般为水，水被加热至300以上后再送回动力系统，同时冷管中的熔盐也再次被送回太阳场以吸收热能。槽式太阳能热发电系统工作原理2.4 塔式太阳能光热发电塔式太阳能热发电系统的基本形式是利用独立跟踪太阳的定日镜群, 将阳光聚集到固定在塔顶部的接收器上产生高温, 加热工质产生过热蒸汽或高温气体, 驱动汽轮机发电机组或燃气轮机发电机组发电, 从而将太阳能转换为电能。 塔式太阳能热发电系统, 也称集中型太阳能热发电系统, 主要由定日镜阵列、高塔、吸热器、传热介质、换热器、蓄热系统、控制系统及汽轮发电机组等部分组成, 基本原理是利用太阳能集热装置将太阳热能转换并储存在传热介质中, 再利用高温介质加热水产生蒸汽, 驱动汽轮发电机组发电。 塔式太阳能热发电系统中, 吸热器位于高塔上, 定日镜群以高塔为中心, 呈圆周状分布, 将太阳光聚焦到吸热器上, 集中加热吸热器中的传热介质, 介质温度上升, 存入高温蓄热罐, 然后用泵送入蒸汽发生器加热水产生蒸汽, 利用蒸汽驱动汽轮机组发电, 汽轮机乏汽经冷凝器冷凝后送入蒸汽发生器循环使用。在蒸汽发生器中放出热量的传热介质重新回到低温蓄热罐中, 再送回吸热器加热。 塔式太阳能热发电系统的设计思想是20世纪50年代由前苏联提出的。1950年, 前苏联设计了世界上第一座塔式太阳能热发电站的小型实验装置, 对太阳能热发电技术进行了广泛的、基础性的探索和研究。据不完全统计,19811991年间, 全世界建造了兆瓦级太阳能热发电试验电站20余座, 其中主要形式是塔式电站, 最大发电功率为80MW。 20世纪80年代末, 安装在意大利西西里岛的,由法国、原联邦德国和意大利等欧洲9国联合建造的, 世界上第一座塔式太阳能热电站并网运行。电站塔高50米, 占地2万 , 额定功率为1MW, 蓄热器由硝酸盐组成,采用了50定日镜70个、23定日镜112个。1981年, 美国在加利福尼亚州南部Barstow沙漠地区附近建成塔式太阳能热发电站,1982年投入运行, 总耗资1.42亿美元, 共有定日镜1818台, 每台定日镜面积40。中央接收器位于80m高的塔顶, 产生516的高温蒸汽, 装机容量10MW,是当时世界上最大的塔式阳能热发电站。传热介质为水, 蓄热介质为导热油和石块, 所储存的热量可保证4h的7MW电能输出,保证了在恶劣的气候条件下及夜间正常运行。 经过一段时间试验运行后,在SofarOne的基础上又建造了Sola Two塔式太阳能热发电站,并于1996年6月投入运行。Solar Two的参数如下: 1926块定日镜, 其中40定日镜1818台,95定日镜108台,镜面总面积82980。采用熔盐蓄热系统, 有2个储热罐,一个储存565的高温熔盐,另一个储存28的低温熔盐。熔盐可有效蓄热, 日落后SolarTwo能够向一万个家庭供电3个小时。Solar Two由于增加了蓄热系统,使太阳塔输送电能的负载因子高达65%。Solar Two塔式试验电站蓄热系统从1996年一直运行到1999年结束, 是目前最成熟的熔盐蓄热系统。Solar Two验证了采用熔盐技术可以使电站具有较好的技术和经济性, 极大地推进了塔式太阳能热发电站的商业化进程。1983年西班牙工业部和能源部开始投资兴建CESA一1,采用了面积为39.6的定日镜300个,定日镜双轴跟踪误差1.5mard,反射率92%。塔身为钢混结构,高80m ,载荷能力为IO0t。目前该装置作为实验平台用于试验塔式接收系统的不同部件, 如定日镜、接收器、储热器以及控制部分的性能。法国的THEMIS电站建于上世纪80年代,发电功率为2.5MW, 使用熔盐作为吸热器和储热器的介质, 塔高100m,单面定日镜面积为45。该项目是为确立总体设计和部件的技术可行性, 并评价出口潜力。该电站在1983一1986年成功运行, 为未来电站的建设提供了大量的资料。现已停运多年,目前定日镜已有30%以上的玻璃无法满足设计要求, 因此40%的定日镜被法国电力公司收购并改造成为跟踪光伏发电场, 其余60%左右定日镜被重新改造,用于1.5MW燃气发电试验电站。建于西班牙Seville的PS10发电厂于2007年3月发电,发电功率lMW。该项目初期论证过采用空气吸热器加燃气轮机的BRAYTON循环技术,最后由于成本高和技术风险大, 转而采用直接产生蒸汽的方式。PS10塔高90m ,有981面12l的定日镜, PS10电站每年向电网提供19.2GWh的电力,年平均发电效率可达10.5%。塔式太阳能电站系统流程示意2.5 线性菲涅尔式太阳能光热发电线性菲涅尔式太阳能热发电技术，尤其是在需要大面积镜场安装时，具有结构简单，制作、运行成本低和抗风性能优良等特点。线性菲涅尔反射镜聚焦太阳能于集热器，直接加热工质水。反射镜和集热器合称聚光系统，在电站中，该聚光系统一般布置为三个功能区：预热区、蒸发区和过热区。工质水依次经过这三个区后形成高温高压的蒸汽，推动汽轮机发电。线性菲涅尔聚光系统由抛物槽式聚光系统演化而来，可设想是将槽式抛物反射镜线性分段离散化。与槽式反射技术不同，线性菲涅尔镜面布置无需保持抛物面形状，离散镜面可处在同一水平面上。为提高聚光比，维持高温时的运行效率，在集热管的顶部安装有二次反射镜，二次反射镜和集热管组成集热器。线性菲涅尔式聚光系统的一次反射镜，也称主反射镜，是由一系列可绕水平轴旋转的条形平面反射镜组成，跟踪太阳并汇聚阳光于主镜场上方的集热器，经过二次反射镜后再次聚光于集热管。二次反射镜的镜面形状可优化设计成一个二维复合抛物面。随着电站规模的增大，达到兆瓦级时，电站需要配备多套聚光集热单元。为避免相邻单元的主镜场边缘反射镜存在相互遮挡的情况，需要抬高集热器的支撑结构，相邻单元间的距离也需增大，土地利用率较低，于是，研究者们提出了紧凑型线性菲涅尔式反射聚光系统的概念。相邻的主反射镜之间可相互重叠，消减相互遮挡的状况，提高了土地利用率，也避免了因抬高集热器支撑结构所带来的成本增加。 采用直接蒸汽式工质加热系统，即集热管内即为做功工质，避免了采用中间传热工质的各种技术问题，但该技术在蒸发段处存在两相流的问题。在两相流的区域，集热管中的温度分布不均匀，同一根管子上会出现较大的温度梯度。参考直接蒸汽的槽式发电系统，直接蒸汽的菲涅尔式聚光集热系统也可存在三个基本加热模式：一次通过模式、注入模式以及循环模式。三种模式各有优缺点：一次通过模式结构简单，但两相流问题难以控制；注入模式理论上可对两相流进行调节，但结构复杂，需要额外增加多个阀门和管道，控制也较为复杂；循环模式采用气液分离器，可较为有效的控制两相流的问题，可谓最为传统的一种方式，系统的稳定性最好，但成本也最高。目前，直接蒸汽模式的一些组件设计较为灵活，以上三种模式可结合使用。根据上述特点，从系统稳定性和可靠性的角度出发，循环模式实属优选，但需要考虑降低其成本。表1 太阳能光热发电方式对比槽式塔式碟式理想电站规模100MW以上100MW以上100KW（单台）目前电站最大规模80MW10MW50KW（单台）聚光比103050030005006000接收器空腔式、真空管式空腔式、外露式空腔式运行温度（）200400100015008001000工质油/水、水熔盐/水、水、空气油/甲苯、氦气跟踪方式单轴双轴双轴可否蓄能有限制可以蓄电池可否有辅助能源可以可以可以可否全天候工作有限制有限制可以目前最高效率（%）282829.4年平均效率（%）11167201225现有电站最低发电成本（美分/min）8聚光方式抛物面发射镜平面、凹面反射镜旋转对称反射镜光热转换效率（%）706085峰值效率（%）202329单位面积造价（美元/平方米）2756302004753203100单位瓦数造价（美元/W）2.54.42.74.01.312.6发展状态可商业化试验示范阶段试验示范阶段开发风险低中高应用前景可并网可并网可独立可并网优点1. 可商业化，投资成本低2. 占地最少3. 可混合发电4. 可中温储能1. 较高转化效率，有很好开发前景2. 可混合发电3. 可高温储能4. 可改进定日镜和蓄热方式降低成本1. 最高转换效率2. 可模式化3. 可混合发电缺点1. 只能产生中等温度的蒸汽2. 真空管技术有待提高1. 聚光场合吸热场的优化配合还需研究2. 初次投资和运营费用高，商业化程度不够1. 造价高，无与之配套的商业化斯特林热机2. 可靠性有待加强，大规模生产还需研究第3章 关键技术3.1 储热材料 自20世纪80年代以来,美国、法国、西班牙、以色列、澳大利亚等国相继建立起各种不同类型的试验示范装置和商业化聚光太阳能热发电站(Concent rating solar power ,CSP),促进了CSP 技术的发展和商业化进程。据不完全统计, 19811991年全世界共建成了500kW以上的CSP系统20多座。20世纪90年代CSP的研究进入了相对的低谷。但自进入21世纪以来,由于能源的紧张,各国又进入研究CSP系统的热潮。我国于20 世纪70 年代末开始太阳能热发电的研究。天津建造了一套功率为1kW的塔式太阳能热发电模拟实验装置,上海建造了一套功率为1kW的平板式低沸点工质太阳能热发电模拟实验装置, 湖南湘潭电机厂与美国公司合作设计并研制出功率为5kW 的盘式( 蹀式)太阳能热发电装置样机。从2004 年到2007年在张耀明院士主持下, 南京春辉科技实业有限公司、河海大学等开展了塔式太阳能热发电系统的研究和开发, 建成了国内首座塔式70kW 太阳能热发电系统, 并通过了鉴定验收。科技部“十一五”更大力支持我国的太阳能热发电的研究, 中国科学院电工所制定了塔式太阳能热发电技术发展行动计划, 在2010年北京延庆将要建成一座1MW以水/水蒸气为工质的塔式电站。 由于储热材料可在电力调峰和工业及民用节能领域实现能量在时间和空间上大容量转移的特性, 正好能补偿太阳能因阴雨多云等天气或晚上而出现的间歇性缺点, 因此储热技术在太阳能热发电中起着十分重要的作用。研究储热材料, 特别是高温储热材料, 对提高太阳能热电发电效率、优化系统管道的设计和降低成本具有重要意义。储热材料的腐蚀性、不稳定性等严重影响着其在CSP 系统的应用。国内外大量研究人员正在研究可应用于CSP系统的高温储热材料, 主要集中在高温储热材料的研制及其腐蚀性、稳定性、热物性能、系统设计等方面。目前, 正在或探索中可以应用于CSP系统的高温储热材料一般有熔盐、高温混凝土、金属合金等。储热材料及储热系统在CSP 系统中起着很重要的作用。研究稳定可靠和高效低成本的储热材料及储热系统一直是该领域的研究方向和目标。储热材料在CSP系统中的应用有空气、水/水蒸气、油/岩石、金属Na、导热油、熔盐、陶瓷、混凝土。同时很多系统中, 储热材料不单起到储热的作用还充当热量输送和传递的介质热流体(HTF)的作用。 3.1.1 熔盐熔融盐(简称为熔盐)是盐的熔融态液体，通常说的熔盐是指无机盐的熔融体，但现已包括氧化物熔体和熔融有机物。常用的高温蓄热材料可分为显热式和潜热式。显热式高温蓄热材料具有性能稳定、价格便宜等优点，但其蓄热密度低，蓄热装置体积庞大；潜热式高温蓄热材料虽然存在着高温腐蚀、价格较高等问题，但其蓄热密度高，蓄热装置结构紧凑，而且吸热放热过程近似等温，易于运行控制和管理。高温熔盐作为潜热蓄热相变材料的一种，同时又能形成离子液体，具有许多低温蓄热材料所没有的特点，因而引起人们极大的关注。 形成熔融态盐类的固体大部分为离子晶体，在高温熔化后形成离子熔体，离子熔体在应用中有许多不同于水溶液的性质，熔融盐的特性主要表现在以下几个方面：(1)离子熔体。熔融盐的液体通常由阳离子和阴离子组成，因此熔融盐具有良好的导电性能，其导电率比电解质溶液高一个数量级；(2)具有广泛的使用温度范围。通常的熔融盐使用温度在3001000之间，且具有相对的热稳定性；(3)低的蒸汽压。熔融盐具有较低的蒸汽压，特别是混合熔融盐，蒸汽压更低；(4)热容量大；(5)对物质有较高的溶解能力；(6)较低的粘度；(7)具有化学稳定性。由于以上这些特征，熔融盐被广泛用作热介质、化学反应介质以及核反应介质。 熔盐在能源领域中被广泛应用，涉及原子能、太阳能、化学电能、氢能、碳能等等，尤其重要的是熔盐在原子能、太阳能中的应用。在原子能工业中，均相反应堆用熔盐混合物为燃料溶剂和传热介质有许多优点，它的操作温度有可变的范围，燃料的加入比较容易，核裂变的产物可以连续地移出，使热能化学能电能的相互转换有效地实现。在核工业中使用最多的是LiF-BeF2熔盐体系。而在航天领域中，大量的仪器设备需要电能来维持驱动，特别是当运行到太阳阴影区时，就需要储存的热能来维持。以前用到的主要是太阳能光伏电池，但是其运行的寿命短，需经常更新，这样增加了运行期间的总成本，而熔盐式太阳能热动力发电具有能量转换效率高、质量和迎风面积小的优点，并且很容易地扩充至兆瓦级，因此，逐步得到广泛应用。现在，高温熔盐已由空间发电发展到地面太阳能电站发电。研究表明，运用高温硝酸熔盐发电可以使太阳能电站操作温度提高到450500，这样就使得蒸汽汽轮机发电效率提高到40%。此外，运用熔融盐也可以使储热效率提高2.5倍，从而减小蓄热容器的体积。它也与阀、管、泵等相容性较好，Sandia研究中心(NSTTF)采用60% NaNO3、40% KNO3(solar salt)与硅石(silica sand)、石英石(quartzite rock)相结合进行研究，研究表明在290400之间，经过553次循环试验后没有出现填料腐蚀性问题。后来，该研究中心又用44% Ca(NO3)2、12% NaNO3、44%KNO3(Hitec XL)作试验，结果表明，在450500之间，经过10000次循环试验后，填料与熔融盐相容性仍很好，因而得到了大量使用。硝酸盐的密度、粘度和热容几乎相同，Solar Salt是太阳能熔盐发电的最佳选择，因为它有最高的上限温度(600)，这样可以保持蒸汽汽轮机在最高效率下运作。此外，它还是最便宜硝酸熔盐之一。但是Solar Salt的凝固点太高(220)，通常的合成油凝固点只有10左右