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9专家论述范兵陈步亮(北京天瑞星真空技术开发有限公司，北京100029)收稿日期:2010-02-10中图分类号:TM65文献标识码:B文章编号:029-273(200)04-0009-06摘要:本文简述了太阳能槽式热发电技术发展回顾，并对该技术进行了详细描述，对电站建设的影响因素进行了分析，也对太阳能槽式热发电技术的发展做了一些展望。关键词:槽式；太阳能；热发电；中高温太阳能集热管FANBing,CHENBuliang(CAST,Beijing100029,China)Abstract:Thispapersummarizesthedevelopmentofparabolictroughsolarthermalpowertechnologies,anddescribesthesetechnologiesindetail.Also,itanalyzesthefactorsthatinfluencethepowerplantconstruction.Furthermore,thefuturedevelopmenttrendoftheparabolictroughsolarthermalpowertechnologiesispredictedinthisarticle.Keywords:SPT;SolarThermalPowerTechnology;SolarTube0序言国外对太阳能利用研究起步较早，可以追溯到19世纪80年代，20世纪初已开始在工业中应用。目前，美国、以色列、澳大利亚、德国等国家是太阳能利用大国，也是槽式太阳能热发电技术的强国。以色列鲁兹(LUZ)公司是槽式太阳能热发电技术应用的典范，在1985～1991年间，美国在南加州先后建成9座槽式太阳能热发电站，总装机容量354MW，年发电总量10.8亿度，发出的电力可供50万人使用。随着技术不断发展，系统效率由起初的11.5％提高到13.6％。每千瓦电能装机容量的投资已由6000美元降至2000多美元；电费由每度24美分降至7.5～8.5美分。目前是世界上规模最大、成效最高的太阳能发电工程。大多数电站已在商业模式下运行超过20年。2005年，在美国内华达州利用太阳能槽式热发电技术兴建了“内华达太阳能一号”太阳能电站，该电站采用了德国肖特公司生产的总长为72千米的中高温太阳能真空集热管，装机容量64MW，电站发电足以满足40000户家庭的生活用电，是继南加州9个354MW太阳能槽式热发电站之后又一所新电站。加利福尼亚州的太阳能热发电站，在过去的二十几年里已经输出了几十亿千瓦时的发电量，“内华达太阳能一号”电站，将应用新技术从太阳获取更多的能源。TheOverviewofParabolicTroughSolarPowerTechnologiesPOWERSUPPLYTECHNOLOGIESANDAPPLICATIONS01电站概述图1所示是代表了典型的槽式抛物面太阳能电站结构示意图，太阳能集热场采用单轴对日跟踪系统的槽式抛物面集热器阵列。每一个集热器均组装多片抛物线型反射镜，负责将直射太阳光聚焦到位于抛物线焦点线的中高温太阳能真空集热管上。从早晨到傍晚的阳光，会被连续地聚集在集热管上，连续在集热管中流动的导热介质将热量不断地输送到一个高温高压过热蒸汽发生器中，通过换热器进行热量交换。高温高压的热蒸汽被输送到低参数蒸汽发电机组中，从而产生电力，通过变电站后输送到电网上。从蒸汽机中排出的热蒸汽被压缩到一个标准的冷凝器中然后回到热蒸汽发生器中，再次被加热成为闭环系统不断循环的热蒸汽。同样，完成热交换的导热介质也将被返回到集热场中再次被加热。在夏季，太阳能电站可以满负荷工作10～12小时。当然，为了使电站能够连续工作，一般都会采用化石能源来补充，也就意味着在太阳能不够充足的时间段里，可以利用化石能与太阳能共同来发电。在图1所示的系统里，使用化石能源进行加热的导热介质和太阳能集热场加热的导热介质是并列运行的，或者也可以在高温高压热交换器里直接采用化石能源来补充实现热蒸汽的加热。上述过程发生在黄昏和夜晚时间段。图1中还示意了在有些电站中可以采用热存储系统，也可以采用电能存储系统(如蓄电池、超级电容器等)，目的是为了获得太阳能连续发电，实现清洁的发电系统。2太阳能槽式热发电技术1）槽式太阳能集热场槽式太阳能集热场主要由中高温太阳能真空集热管、抛物线型反射镜、槽式支架、对日跟踪系统以及柔性过渡管构成。整体结构示意图如图2所示。(1)中高温太阳能真空集热管中高温太阳能真空集热管是Luz公司槽式太阳能集热器设计中提高集热效率的主要原因之一。中高温太阳能真空集热管是采用内管为表面镀制了金属陶瓷太阳能选择性吸收涂层的不锈钢管,外管是透射率高、结构强度大的玻璃管,通过过渡管连成一体，将中间夹层空气排空形成真空，从而提高了集热管的集热性能。过渡管是由金属-玻璃复合结构组成并且实现了真空封接的一个密闭结构，真空封装主要是为了保护在高温工作条件下的太阳能选择性吸收涂层的性能同时降低热量损失。集热管的真空度为0.013Pa，选择性吸收涂层是采用真空溅射镀膜的方式制备的。“内华达太阳能一号”太阳能电站中使用的太阳能集热管是肖特公司生产的PTR70，其选择图1太阳能槽式热发电电站运行原理图图2槽式太阳能集热场性吸收涂层吸收率可以达到0.96,在400℃下其发射率小于0.15，外部玻璃管的内外表面均涂镀了抗反射涂层,用来减少玻璃管表面光反射的热量损失。为了吸收热态工作过程中产生的氢原子和弥漫在真空夹层中的其它气体分子，在整个集热管密封前，固定一定数量的吸气剂,用以保持集热管夹层的真空度,提高集热管的使用寿命和集热效率。北京天瑞星真空技术开发有限公司经过十多年的技术积累，在2009年底成功研制出了拥有自主知识产权的中高温太阳能真空集热管，如图3所示。该集热管采用了金属-玻璃过渡封接结构，金属管直径70mm，玻璃管外径125mm。由于金属管表面镀制的中高温太阳能选择性吸收涂层的性能好坏直接影响到整个集热系统的效率，因此在2005年，公司与北京航空航天大学的理化中心合作，共同承担了中高温太阳能选择性吸收涂层Nb＋NbN热稳定性及其机理研究的国家自然科学基金课题(批准号：50471004)。底层为铌膜，中间两层为Nb+NbN，最外层是NbN膜。其中，铌膜采用直流平面磁控溅射技术，NbN膜层采用孪生靶技术涂镀，电源采用中频脉冲电源。中间两层Nb+NbN是光学吸收膜，最上层的NbN是增透膜，底层的铌膜是低辐射膜层。中间两层Nb+NbN中铌含量的变化是通过调整工艺参数实现的。该涂层技术已经在批量样品镀制上获得成功，需要进一步进行研发完成在大工件样品上镀制均匀，并且保证其性能不降低，以实现批量工业化镀制。经过多次试验，中高温太阳能吸热涂层Nb＋NbN，底层为Nb涂层，中间为Nb＋NbN，最外层是NbN膜。其中，膜层的吸收率大于等于0.93，发射率为0.10～0.15(400℃)，涂层结构见图4。除了膜层之外，集热管的另一个难点在与金属与玻璃的真空封接。由于国内常用的不锈钢材料与玻璃材料的线膨胀系数相差较大，两者无法实现直接真空密封封接，必须要在这两者之间加一种过渡材料，我们选择了可伐合金，主要是由于可伐合金在一定温度范围内的热膨胀系数与玻璃接近，必须要找到线膨胀系数相互匹配的可伐合金与玻璃才可以。最终，经过将近一年的努力，公司在2009年终于找到了真空封接性能良好的玻璃与可伐合金，并取得了封接试验的成功。（2）抛物线型反射镜抛物线型反射镜是指利用热弯成型技术制备的与抛物线曲线相吻合的玻璃板，并在玻璃板的一面涂镀反射性能良好反射涂层,为防止反射层被破坏，影响反射性能，需要进行防护处理。上述反射板被槽式支架固定支撑。反射镜是用光学性能良好的低铁玻璃制成的,在专用热弯成型设备中,运用精密的抛物面型模具在高温下制作而成。利用特殊的黏结剂把反射板与陶瓷件固定到一起，通过陶瓷件将反射板固定在集热器的槽式支架上,获得了良好的整体结构性能。上述反射镜可以将97%左右的垂直太阳入射光聚集到槽式抛物面的轴线位置，也就是中高温太阳能集热管所在的位置。北京天瑞星真空技术开发有限公司在2008年成功研制出抛物线型反射镜，如图5所示，反射镜的背面镀制了铝膜，并在铝膜表面又涂覆了保护图3中高温太阳能真空集热管结构示意图图4太阳能选择性吸收涂层结构专家论述POWERSUPPLYTECHNOLOGIESANDAPPLICATIONS2涂层。在使用的过程中，发现此膜层的反射率需要提高，通过对比试验，决定将铝膜改为银膜，来进一步提高反射镜的反射率。(3)槽式支架由于单元太阳能集热器外形尺寸大，整体跨度较大，这就需要设计结构强度大的槽式支架。受太阳能热发电站建设位置的限制，太阳能集热场要在较恶劣的自然环境下工作，特别是风的影响。大部分太阳能集热系统具有25mph的抗风性，部分设计中抗风性能提高到了35mph，当风速达到70mph的时,所有槽式支架被旋转到一定的角度，从而保护集热场系统。天瑞星公司根据北京特有的地域环境设计了集热场的槽式支架，如下图6所示，此支架结构牢固，但有其限制性。考虑到集热系统的实用性，需要对现有结构进行优化设计，从而使降低成本，并便于运输。(4)对日跟踪系统在跟踪太阳光的时间段内,槽式太阳能集热器围绕着固定方向的水平轴进行对日跟踪旋转。旋转轴位于集热器的重心位置,将跟踪旋转的驱动能耗降低到最小，从而节省能源。跟踪系统采用闭环控制以及精密的传感器,使对日跟踪的精度达到±0.1°。每排太阳能集热器上安装有一套独立的跟踪控制系统。(5)柔性过渡管柔性过渡管是用于解决旋转的中高温太阳能真空集热管与静止的导热油连接管道之间的连接，主要用于解决转动过程中两者不同步导致的受力变形问题。在槽式太阳能热发电技术早期的设计中采用波纹管连接来解决，但是由于使用频繁而出现了许多问题，后来采用了球关节来代替，明显地降低了问题的出现。在南加州的第3个到第7个电站中，采用的就是球关节连接。球关节-硬管组合件具有成本低、管道压力低，管道热损小的优点。2）汽轮发电机组(1)低参数汽轮发电机组汽轮机是将蒸汽的能量转换为机械功的旋转式动力机械，是蒸汽动力装置的主要设备之一，将它与发电机相连就可以组成汽轮发电机组。由于太阳能产生的蒸汽参数较低，从节能方面考虑，需要利用低参数的汽轮发电机组。在国内低参数汽轮发电机组是一种较成熟的产品，属于常规机械。国内两家低参数汽轮发电机组参数比较见表1，表中发电机组功率为1MW。(2)独立系统独立的太阳能槽式发电系统是指除太阳能能源外没有任何能源与之复合，此类系统受天气影响严重，容易对电网进行冲击，加大电网的不稳定性，并且在停止一段时间后再次启动需要进行厂家进气压力(Mpa)进气温度（℃）转换效率外形尺寸(m)蒸汽流量(t/h)淄博桑特动力0.5～1.0350752.5×6×2.533杭州汽轮动力集团1.3346653.8×2.4×220表1低参数汽轮发电机组性能参数图5抛物线型反射镜图6槽式支架结构示意图3一定的能量积累集热场才能工作，因此许多独立系统都加入热存储系统。(3)复合系统①燃气复合循环系统太阳能(燃气)复合循环系统是采用槽式太阳能发电和一个燃气加热系统复合循环的电站。此系统可以获得更加可观的利润，由于这一系统革新了原有的太阳能光热发电系统，降低了成本，提高了太阳能利用效率。此复合系统利用燃气加热系统补充了太阳能不充足情况下的发电所需的能量，从而增加了蒸汽发电机的发电能力。大多数的设计中可以通过上述方法增加发电机一倍的发电能力。②煤复合系统在太阳能资源丰富而又已经建造有煤的火力发电站的地方，槽式抛物太阳能电站可以用来降低煤的消耗(以煤为主方式)或者增加在太阳能不充足情况下的发电能力，非常像燃气复合循环系统的概念。由于现代化的火力发电厂一般采用更高的温度和压力条件，所以太阳能蒸汽一般作为中间热能或配备低压力的发电机组。③其他能源复合系统太阳能热发电站除了可以与燃气、燃煤等发电系统复合发电外，也可以与秸秆发电