国际主要槽式太阳能热发电站介绍.pdf

国际主要槽式太阳能热发电站介绍河海大学 南京中材天成新能源有限公司 .安翠翠 张耀明 王军 刘德有 郭苏摘 要 :本文对国际上槽式太阳能热发电系统进行了归纳 ;介绍了几座具有代表性的系统，详细说明了其参数、现状 ;并跟踪了正在建设的几座槽式系统。关键词 :太阳能 ;槽式 ;热发电虽然世界各国研究太阳能热发电技术已有很多年， 但目前只有槽式太阳热电站实现了商业化示范运行， 本文较为详细地介绍了世界各国槽式太阳能热发电的发展情况。一、槽式太阳能热电系统简介槽式太阳能热发电系统的工作原理是 : 采用只向一个方向弯曲的抛物面槽形镜面集热器将太阳光聚焦到位于焦线的中心管上，使管内的传热工质 ( 油或水 )加热至 350~390 ℃，然后被加热的传热介质经热交换器产生过热蒸汽，过热蒸汽推动常规汽轮发电机发电。从 20 世纪 80 年代初开始各国就积极发展槽式太阳能热发电技术，美国、西欧、以色列、日本发展较快，表 1 列出了已建、在建的槽式太阳能热电站。二、实践应用1 SEGS系统20 世纪 80 年代早期，美国由于能源危机致使石油价格猛涨，开始寻找替代能源， 美国鲁兹 (LUZ) 公司在 1985~1991年的短短七年间， 投资 12 亿美元， 共建造了 9 座槽式太阳热发电系统 (SEGS I-SEGSIX ) ，总装机容量达 354MWe，至今仍在运行。 9 座电站到 2003 年年发电总量见图 1。太阳能集热装置是槽式太阳能热发电系统的重要组成部分， LUZ公司分别开发了 3 种太阳能集热装置 LS-I , LS-2 和 LS-3，并在 SEGS I-SEGS IX上应用，从而大大降低了电站的运行费用。 LS-I 和 LS-2 集热器，由带铬黑表面的不锈钢管和抽真空的玻璃外套构成，铬黑表面的吸收率为 0.94 ，在 300℃时反射率为0.240 。 LS-3 采用的是不锈钢管外表面涂覆有光谱选择性吸收涂层，太阳光吸收率为 0.96 ，在 350℃时的反射率为 0.19 。三种太阳能集热装置的参数及应用情况详见表 2。2005 年，除 SEGS I 和 SEGS II 外，其余 7 座电站均被 FPL能源公司及 SOLEL接手。 SEGS III-SEGS IX 七座电站采用天然气混合电站形式，其中天然气贡献25%电量，在夜间能工作较长时间，在阴天也能满足电网需求。 FPL 也开始应用上述混合系统，其名下电站发电量成为美国电站之最。 SEGS所发电量均卖给了加利福尼亚南部电网公司，该协议从 20 世纪 80 年代起就由 LUZ公司签订。电站的很多改进工作也在进行中 : ①由于集热器装配所花费的费用占系统总费用的很大一部分， 所以改进系统支撑结构已受到很大关注。 目前已建造了一种使用铝制骨架的新型支架结构，该支架质量轻，制造简单，抗腐蚀性好，安装容易且费用低。 该技术的关键在于设计结构时考虑了极限公差和结构承载力， 从而保障了镜面的精确对焦， 另外抗大风性能也是该结构的一个重要考虑方面 ( 图 2);②集热器方面也在尝试新的技术，一种由 SCHOTT公司生产的新型集热管将应用于 SEGS电站 ; ③太阳能技术商业化公司开发了一套集热器系统用于监测集热器装置的反射性能，结果显示该系统重量轻，花费低，且集热性能非常好 ; ④反射部分包括单独的集热装置和用来支撑镜面的钢结构， 改进该部分的目的是减小镜面厚度，提高玻璃与金属封接的可靠性 ; 在镜面上加涂层的目的是为改善镜面性能，开发一种新型的质量较轻的复合集热装置 ; ⑤除此以外，用球形阀取代金属软管可使热油管中的压力降减少 50%， 在可以减少电能损失的同时提高系统安全性。随着技术的不断改进，电站建造费用不断降低，由原来的 SEGS I 的 4500 美元 /kW降低到 SEGSⅧ的 2650 美元 /kW , SEGS 电站未来发展规划具体见表 3。2 DISS 系统DISS系统是一项完全用于研发的工程， 目的是发展一种新的槽式太阳能热发电系统，并将在该新型系统中应用改进的抛物线形槽式集热器单元和 DSG技术，从而提高效率，减少工程投资。 DISS项目 ( 图 3) 共分为两个阶段， 1996~1998年11 月为第一阶段， 1998 年 12 月 ~2001年 8 月是第二阶段。该系统共有 4 组抛物面型槽式模块，每个抛物面镜的开口为 5.76m，长度为 12m;有 11 个太阳能集热器单元， 总长度为 550m， 太阳光跟踪装置为南 - 北放置， 跟踪轴倾斜角分别为 0° , 2° , 4 ° , 6 ° , 8 °，集热管内外直径分别为 50mm, 70mm，一次通过单元内的水流量为 1 kg/s ，最大进出口温度 400℃、压力 10MPa。DISS 系统在运行和维护方面的情况如下 : 系统管道总长大于 2400m， 钢结构总重大于 26 吨 ; 系统使用开环太阳跟踪系统，跟踪误差非常小（ <4mrad） ; 绝热及集热管布置形式的改变使得电站启动时间减少了 50%。至 2005 年， DISS系统的模块在 lOMPa, 6MPa, 3MPa情况下过热蒸汽温度均为 390℃， DISS系统已证明 DSG技术在真实光照情况下运行和应用于商业电站的可行性， 该电站也证明了集热管水平放置时 DSG技术的可行性。3 Andasol 一 1 和 Andasol-2 系统于 2006 年 6 月 19 日在西班牙南部 KramerJunctiong 省开工， 该地辐射量为 2201kWh/m2· a，太阳能场面积为 510.12m2，装机容量均为 50MW，储热介质为熔融盐，所储热能可提供 9 小时满负荷工作，净发电量均为 179.1 GWh/a，每年产生的热能为 594312MWh/a,蒸汽轮机的效率为 38%，满负荷工作为 3630h/a ，两座电站总投资 5.2 亿欧元。该系统中所应用的集热管是 SKAL-ET150，其焦距为 1.71m， 焦点之间的平均距离为 2.12m， 集热元件 (HCE)吸收装置半径为 3.5cm, HCE长度为 4m， 口径宽度为 5.77m, 面积为 817.5m2， 集热器长度为 148.5m， 聚光集热单元 (SCE)数量为 12 个，集热管数量为 36 根，总的光学效率为 78%，集热器单元排与排之间距离为 17.2m。由于该电站所在地光照情况很好， Andasol 电站每年可以工作 1900 ~ 4400 小时，根据所选择的太阳能场面积和储热能力，每年可以向电网提供94~210GWh的电量。工程现场图见图 4~7。4 SOLAER-ONE 2007年美国将在内达华州建造一座装机容量为 64MW的槽式太阳能热发电站SOLAER-ONE， 该电站将采纳其它电站的技术优势来提高效率和可靠性。 通过改善装置电站只需 2%的天然气作为辅助能源，而 SEGS中却使用了 25%的辅助能源 ;电站中用于支撑抛物线形镜面的支架换成了质量较轻的铝质， 这种结构节省了建造费用，而且也更容易装配。该电站占地面积 357.2m2, 30 分钟储热，无热存储装置，年发电量可以满足 4 万户居民用电。在 SOLAER-ONE电站中共用了 19300 根 SHOTT公司生产的新型集热管PTR70(图 8).SHOTT 公司对这种集热管进行了如下改革 : ①重新设计了集热管的波纹管和封接方式，使管子的有效面积提高到 96%;②采用新型吸收涂层，吸收率达到 95%，发射率小于 14%;③改善玻璃 - 金属封接方式，不会因管内外膨胀系数不同而导致管子失效 ; ④采用与金属具有同样膨胀系数的玻璃，适应内华达州巨大的昼夜温差， 减少了维护和部件更换次数。 试验表明 PTR70的效率较以往类型提高了 2%. 太阳能热利用专家认为，该电站的发电成本将在 9~15 美分 /kWh之间。一份由世界可再生能源实验室发出的报告称 : 槽式太阳能热发电系统的发电成本到2020 年将降至 4.3~6.2美分 /kWh，完全有能力与传统能源相抗衡。5 THESEUS 1997 年在希腊克里达岛建造了欧洲第一座大装机容量的槽式太阳能电站， 从电站设计到真正运行经历了四年的时间。 电站装机容量 50MW， 占地面积 30 万 m2。电站采用液化石油气作为辅助能源， 发电部分采用了传统的朗肯循环。 汽轮机可在太阳能单独工作、 辅助能源单独或混合三种情况下发电。 该电站使用的是曾经应用于 80MW SEGS电站上的 LS-3 集热器，并在后几年进行了很大改造。电站工作系统图见图 9. 三、槽式太阳能热电系统发展情况槽式太阳能电站具有广阔的发展前景，世界各地都在开发建设该类型的电站，目前在建及计划建设的电站见表 4. 四、结语在三种太阳能热利用系统中， 槽式太阳能热发电系统是唯一可以实现商业化运作的系统， 投资成本相对较低， 可以在白天用电高峰期提供很稳定的电能， 而且在该系统中应用 DSG技术的可行性也已得到证实。 槽式太阳能热发电系统的发展必将具有十分广阔的前景。参考文献(1)王长贵，崔容强，周草 .新能源发电技术 .北京 :中国电力出版社， 2003,150~152 (2)罗运俊， 何梓年， 王长贵 .太阳能利用技术 .北京 :化学工业出版社， 2005,263~265 (3) Eduardo Zaraza,Loreto Valenzuela, Javier Leon.The DISSproject:Direct steam generation in parabolic troughs Operation andMaintenance experience. Update on project status. Solar Forum 2001,Solar Energy. (4) Paul Nava/FLAGSOL. Two Times SOMWe in Southern Spain-The Andasol projects.Solar 2004-Portland/Oregon. (5)Alex Marker.Nevada s Huge Solar Plant. ENERGYBIZMAGAZINE, 2006 May/June;68. (6) Greenpeace.SOLAR THERMAL POWER 2020-Exploring theheat from the sun to combat climate change. ( 7 ) Appendix E:Solar Thermal-Concentrated Solar power. Poten-tial for Renewable Energy in the San Diego Region August 2005. (8)AboutParabolicTroughSolat.http://thefraserdomain.trpepad.com/energy/2005/09/about parabolic.html (9) Solar parabolic trough.http://www.solarpaces.org/solar_trough.pdf (10) Eduardo Zarza, Loreto Valenzuela, Javier Leon. Direct steamgeneration in parabolic troughs: Final results and conclusions of theDISS project. Energy, 2004(29),635~644 (12) RainerAringhoff, Michael Geyer, Ulf Hermann. AndasolSOMW Solar Plants with 9 Hour Storage for Southern Spain.http://www.solarpaces.org/AndaSolPaperZurich2002-04-01.pdf (13 ) 2 * 50MW Andasol Power Plant Project in Spain. http://www. (14) Improved SCHOreceiver technology will reduce mainte-nance costs and enable new solar thermal power plant to capturemore energy from sun. http://www.us.schott.com/english/news/press.html?NID=150 (15)Parabolic Trough Power Plant “Nevada Solar One“ Facts andData. www.solargenix.com (16)Project Development Activities Outside of the US. http://www.eere.energy.gov/troughnet/pdfs/rainer_aringhoff_projdevel.pdfsolarpaces.org