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背景世界急迫能源是现代社会存在和发展的基石随着全球经济社会的不断发展,能源消费也相应的持续增长。跟据美国能源情报署的预测,2001年至2025年间,全球能...

背景世界急迫能源是现代社会存在和发展的基石随着全球经济社会的不断发展,能源消费也相应的持续增长。跟据美国能源情报署的预测,2001年至2025年间,全球能源消费总量将从102.4亿吨油当量增加到162亿吨油当量,增幅达54%。目前,化石能源(石油、煤炭、天然气等)是全球能源消费的主要组成部分,其消费总量逐年攀升。但是,化石能源是不可再生的,且储量有限,其产量的萎缩不可避免。根据《BP世界能源统计2006》的统计数据,全球石油探明储量可供生产40多年,天然气和煤炭分别可以供应65年和155年。随着时间的推移,化石能源的稀缺性越来越突显,且这种稀缺性也逛渐在能源商品的价格上反应出来。在化石能源供应日趋紧张的背景下,世界各国均努力寻求稳定充足的能源供应,其中大规模的开发和利用可再生能源已成为未来各国能源战略中的重要组成部分。从世界可再生能源的利用与发展趋势看,风能、太阳能和生物质能发展速度最快,产业前景最好,其开发利用增长率远高于常规能源。什么是太阳能发电太阳能热发电 也叫聚焦型太阳能热发电(Concentrating Solar Power，简称CSP)，通过大量反射镜以聚焦的方式将太阳能直射光聚集起来，加热工质，产生高温高压的蒸汽，蒸汽驱动汽轮机发电太阳能热发电分类及优缺点目前应用最广泛的抛物面槽式，效率提升与成本下降潜力最大的集热塔式，适合以低造价构建小型系统的线性非涅尔式，效率最高、便于模块化部署的抛物面碟式聚光类（一）聚光类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。优点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: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，2013年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。（二）槽式太阳能热发电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。西班牙50MW槽式热发电站世界槽式太阳能热发电站列表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2013年世界上太阳能槽式发电站列表。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（三）塔式太阳能热发电塔式太阳能热发电是采用大量的定向反射镜(定日镜)将太阳光聚集到一个装在塔顶的中央热交换器(接受器)上，接受器一般可以收集100MW的辐射功率，产生1100°C的高温。西班牙PS10塔式电站1950年，原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1952年，法国国家研究中心在比利牛斯山东部建成一座功率为1MW的太阳炉1980年美国在加州建成太阳I号塔式太阳能热发电站，装机容量10MW经过一段时间试验运行后，在此基础上又建造了太阳II号塔式太阳能热发电站，并于1996年1月投入试验运行。塔式太阳能热发电技术最初用蒸汽，它可以直接推动汽轮机发电但是由于太阳能随气候变化不定，因此蒸汽参数很难控制，而且热量损失大。上世纪90年代初，美国发明了一种盐塔式太阳能热发电装置，它改用盐熔液作为热载体并建立了一个10MW实验电站，所用的盐熔体由硝酸钾、硝酸钠和氯化钠的混合物构成，价格低廉、热传导性良好，可以在常压下储存在大型容器里;但是由于熔盐有相对高的凝固点(120°C~140°C)所流经的管路在系统启动时要进行预热。上世纪80年代后期，还有人提出采用空气作为热载体;空气的热传导性虽然不好，但它的工作温度范围大、操作简单、无毒性，不仅能和蒸汽驱动的汽轮机相连，还可以直接利用高温空气驱动燃气轮机，效率更高;在这种方案中，聚焦的光线被投射到一种透气材料(例如一种金属丝编织物)，空气从这种被加热的材料中通过，由于空气和这种集热材料的接触面很大，故传热很快，效率很高，而且可以把空气加热到700°C的高温。世界塔式太阳能热发电站（四）碟式太阳能热发电碟式(又称盘式)太阳能热发电系统是世界上最早出现的太阳能动力系统，是目前太阳能发电效率最高的太阳能发电系统，最高可达到29.4%。碟式系统的主要特征是采用碟(盘)状抛物面镜聚光集热器，该集热器是一种点聚焦集热器，可使传热工质加热到750℃左右，驱动发动机进行发电。这种系统可以独立运行，作为无电边远地区的小型电源，一般功率为10~25Kw，聚光镜直径约10~15m;也可用于较大的用户，把数台至十台装置并联起来，组成小型太阳能热发电站。下表为世界太阳能碟式热发电站列表。名称地点发电功率(kW)采光口面积(㎡)反射镜类型工作介质Vanguard美国2591平面玻璃镜氢NcDonnel美国2591平面玻璃镜氢SBP沙特52.5227镀银玻璃与钢板结合，张膜结合氢SBP西班牙德国944.2镀银玻璃与钢板结合，张膜结合氢Cummins CPG美国7.541.5镀铝塑料与钢板结合，张膜结合氢Aisin/Miyako日本8.544镀铝塑料与钢板结合，张膜结合氢STM-PCS美国25氢就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度在2013年不如抛物面槽式热发电系统而配以斯特林发电机的抛物面盘式热发电系统虽然有比较优良的性能指标但2013年主要还是用于边远地区的小型独立供电，大规模应用成熟度则稍逊一筹应该指出，槽式、塔式和盘式太阳能热发电技术同样受到世界各国的重视，并正在积极开展工作。美国政府的太阳能热电发展计划并列塔式、槽式和盘式三种热发电技术，目的在于满足不同高层应用的需求。与国外对槽式太阳能热发电技术在材料、设计、工艺及理论方面进行了长达20多年的研究相比，我国太阳能热发电起步较晚。在太阳能热发电领域中，涉及槽式太阳能热发电中的关键技术是聚光集热装置，其中聚光镜片、跟踪驱动装置、线聚焦集热管是实现槽式太阳能顺利发电的三项核心技术。在我国，大力发展槽式太阳能热发电是当前阶段比较符合国内产业发展的方向。我国是世界上最大的低温热水器生产大国，在真空管的技术上已经掌握了国际领先技术，玻璃热弯与镀银技术处于世界先进水平。槽式热发电的产业基础已经存在，上下游产品供应也可以得到保障。其中由德州华园新能源应用技术研究所掌握核心技术参与的，包括国内外数个热发电站依照规格合计可达900MW，这些国内外项目的成功实施，也必将为我国其它地区实施太阳能热发电站提供经验，为我国更多更快建设太阳能热发电站作出贡献。优点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4太阳能储热技术太阳能是一种清洁可再生能源为了避免能流密度低、受昼夜、季节、阴晴云雨等因素制约，而将太阳能以热量的形式直接储存的技术，称为太阳能热储存技术。太阳能储存有三层含义，一是将白天接收到的太阳能储存到晚间使用，二是将晴天接收 到的太阳能储存到阴雨天气使用，三是将夏天接收到的太阳能储存到冬天使用国内外研究太阳能的储存方法主要有两大类第一类是将太阳能直接储存，即太阳能热储存，主要 分为三种类型显热储存、相变储存和化学反应储存第二类是把太阳能先转换成其他能量 形式, 然后再储存, 如先转变为电能和机械能折叠显热储存显热储存是利用储热材料的热容量，通过升高或降低材料的温度而实现热量的储存或释 放的过程。显热储存原理简单，材料来源丰富，成本低廉，是研究最早，利用最广泛，技术 最成熟的太阳能热储存方式。低温范围内，水、土壤、砂石及岩石是最为常见的显热储热材料。德国汉堡生态村的设计中，采用了一个容量为 4500 的大储水罐作为储存一年四季中所采集的太阳能的储存设备。Kreetz 提出了在太阳能烟囱电站集热棚内布置水管作为储能系统的构想。太阳能显热储存有向地下发展的趋势。太阳能的地下显热储存比较适合于长期储存， 而且成本低，占地少，因此是一种很有发展前途的储热方式。美国华盛顿地区利用地下土壤 储存太阳能用于供暖和提供生活热水，在夏季结束时，土壤温度可以上升至 80℃，而在供 暖季节结束时，温度降至 40℃。此外，地下岩石储存太阳能和地下含水层储存太阳能都得 到了广泛的研究。然而，由于显热储存材料是依靠储热材料温度变化来进行热量的储存，放 热过程不能恒温，储热密度小，使得储热装置体积庞大，而且与周围环境存在温度差，造成 热量损失，热量不能长期储存，不适合长时间、大容量储存热量，限制了显热储存技术的进 一步发展。（一）发展前景与制约因素太阳能热储存技术是一项复杂的技术，无论从技术层面和投资成本来看，太阳能热储存 技术都是太阳能利用中的关键环节。从现有的研究来看，显热储存研究比较成熟，已经发展到商业开发水平，但由于显热储能密度低，储热装置体积庞大，有一定局限性。化学反应储 热虽然具有很多优点，但化学反应过程复杂、有时需催化剂、有一定的安全性要求、一次性 投资较大及整体效率仍较低等困难， 只处于小规模实验阶段， 在大规模应用之前仍有许多问题需要解决。相变储存凭借其优越性吸引着人们对其进行大量的研究，发展势头强劲。然而常规相变 材料在实际应用过程中存在的种种问题， 诸如无机相变材料的过冷和相分离现象以及有机相变材料的导热率低等问题，严重制约了相变储存技术在太阳能热储存中的应用。此外，降低 相变储热的应用成本亦是将相变储存技术大规模应用太阳能热储存前必须解决的一个现实 问题。值得高兴的是，近年来，随着纳米复合相变储热材料、定形相变材料和功能热流体等 新型相变材料的出现，上述问题有望得到解决。新型相变材料的出现，必将在很大程度上推 动相变储存技术在太阳能热储存中的应用。