槽式太阳能热发电技术的现状及进展古雯雯（华北电力大学能源与动力工程学院，北京，102206）Trend and Current Status of Solar Parabolic Trough Power Generation TechnologyGU Wenwen( Department of energy and power engineering, North China Electric PowerUniversity,Beijing,102206)ABSTRACT: Solar parabolic trough power generation is an important technology to utilize solar energy in large scale. Starting with introducing the development background of solar thermal power generation, this survey expounded the basic principle and application state of the parabolic trough power generation. Several key techniques were analyzed specially, including the progress of the support structure, reflector, receiver, Thermal Storage, direct steam generation (DSG) and integrated solar combined-cycle system (ISCCS). The research progress in China was also briefly introduced. Combined with the situation of our country, it was pointed out that parabolic trough power generation is the most suitable technology which should be developed as the priority technology. At the same time, ISCCS can be an important way of developing solar energy in China.KEY WORDS：Solar parabolic trough power generation; trend; DSG; ISCCS摘要：槽式太阳能热发电技术是大规模开发利用太阳能的一个重要途径。

本文从了解太阳能热发电的发展背景出发，阐述了槽式热发电的基本原理以及应用现状，着重分析了槽式热发电所涉及的关键技术，包括集热器支架、反射器、吸收器、蓄热技术、直接蒸汽产生和整体太阳能联合循环（ISCCS）的进展。

并简要介绍了我国目前技术发展的现状，结合我国国情，指出大规模开发利用我国太阳能适合优先开发槽式太阳能热发电系统，同时可将发展ISCCS作为一个重要的开发途径。

关键词：槽形太阳能热发电；进展；直接蒸汽产生；整体太阳能联合循环1．引言我国太阳能资源丰富，全国总面积2/3以上地区年日照时数大于2000小时，与同纬度的其他国家相比，与美国相近，比欧洲、日本优越得多。

太阳能资源的理论储量达每年17000亿吨标准煤，约等于数万个三峡工程发电量的总和[1]。

因而利用太阳能发电、发展阳光经济是满足我国急速增长的电力需求、减轻环境压力、实现能源多元化的战略途径之一。

太阳能热发电是把太阳辐射能转换成电能的发电技术。

它利用集热器将太阳辐射能转换成热能并通过热力循环过程进行发电，其基本组成与常规发电设备类似。

与人们常提到的光伏发电相比，具有效率高、结构紧凑、运行成本低等优点。

世界现有的太阳能热发电系统大致有三类：槽式线聚焦系统、塔式系统和碟式系统。

槽式热发电无论在商业上还是技术上都是最为成熟的系统，因此本文着重介绍槽式热发电系统的应用现状与技术进展。

2．关键技术及进展槽式太阳能热发电是将多个抛物槽式集热器经过串并联的排列，通过汇聚太阳光而产生高温，加热工质，产生蒸汽，驱动汽轮发电机组发电的系统。

因此槽式系统主要包括：大面积抛物槽聚光器、跟踪装置、热载体、蒸汽产生器、蓄热系统和常规循环蒸汽发电系统。

2.1抛物槽式集热器2.1.1简介抛物槽集热器（PTC）是系统的核心，这里所指的抛物槽集热器其抛物线可由Z=x2/4f来描述，f代表抛物线焦点的方位，特别是焦点线与抛物线顶点的距离[2]。

每个集热器都是一个由反射器（镜子）、金属支架、吸收管、跟踪装置（驱动、传感器和控制器）组成的独立的太阳能抛物槽式集热装置。

而一个太阳能场则由上百个或上千个集热装置组成。

每一个组成部分的发展，都可能使太阳能热发电降低生产成本提高市场竞争力。

其结构如图1所示。

图1 抛物槽集热器示意图Fig.1 Schematic drawings of PTC抛物槽集热器（PTC）聚光部分是由弯曲成Fig.1抛物面的反射材料薄片制成的。

吸收器一般采用双层管结构，黑色金属管外置一个玻璃套管，管内为热载体，两管之间为真空以减少热量损失。

吸收器被置于反射面焦线上，当抛物反射面向着太阳，平行光被反射至吸收管从而加热管内热载体。

热载体可以是水蒸气、油或熔盐。

温度一般在400℃左右。

通常情况下采用单轴跟踪系统，并由此连接成更长的集热器模块。

集热器可朝东西向放置，由北向南跟踪太阳，也可朝南北放置，自东向西跟踪太阳。

前者的优势是一天中只需要很小的调整，且中午正向太阳，但早晚时间由于入射角很大（余弦损失）使得集热器性能下降。

南北向放置时情况恰恰相反。

从一年的情况来看，南北水平放置的槽式场比东西水平放置的收集能量略微低一点，但南北场在夏季收集能量多，冬季少。

东西场情况相反，但却能提供更稳定的年输出量。

因此，朝向的选择取决于实际应用或是否在夏季或冬季需要较高的能量。

2.1.2技术进展a新型框架设计美国加州南部的9个商业太阳能发电系统SEGS（Solar Electric Generating System）中，最终的集热器设计是LS-3，在它基础上的变化类型，即集热器略微倾斜的类型被西班牙热发电研发中心PSA用于测试直接蒸汽产生系统。

尽管LS-3运行良好（具有较高的跟踪有效性），但热性能和可维护性不及LS-2。

LS-3是为降低成本，在LS-2的基础变换而来的，而成本的降低势必对性能和可维护性带来影响。

下面给出一些正在研究中的新的集热器设计（图2）：Euro Trough是欧洲公司与研究试验室协会开发设计的新一代槽式集热器。

结合了使LS-2具有连接优势的扭力管设计和使LS-3降低成本的捆绑设计，增设了扭力盒。

该设计使得扭矩降低，运行时结构弯曲，性能更趋完善。

由于组成部件的变化减少、结构重量减轻，成本预计降低10%，而性能较LS-3提高3%。

其结构形式由轴式单元发展为衍架式单元，聚光器单列长度由100m增长为150m，从而可以带动更长的聚光器阵列。

Duke Solar是由LS-2改良设计的全铝空间结构。

结构特性、重量、制造工艺、抗腐蚀能力、制造成本和安装方面都优于LS-2。

另外要着重说明的是，该设计强调制作简单，必需部件的数量最小化，更易于安装。

工业太阳能技术（IST）用电镀钢结构代替铝结构，用镀银玻璃代替铝处理的聚合反射器，升级了集热器场的计算机控制器和选择性吸收涂层，使得集热器整体成本降低15%性能提高12%，运输能量成本则下降达25% [2]。

b反射器的发展SEGS电厂中LS-3使用的是由FSI(Flabeg Solar International)生产的反射器。

材料为4mm的低铁浮法玻璃，对太阳的透射率为98%，在特制的烤箱中加热到一定温度，制成截面为抛物线形的平面，背后镀银，之后覆盖保护层，用瓷垫和特殊粘合剂将镜子粘在集热器结构上。

高性能的玻璃可保证多于98.5%的光线被反射至吸收管。

SEGS电厂15年的运行经验证明这种镜子性能良好，很少发生事故，但由于缺乏防风保护，在迎风面会出现故障，造成破碎。

对玻璃镜反射器替代品的研究已有超过15年的历史。

NREL（National Renewable Energy Laboratory）从八十年代开始研究聚合体反射器，聚合体的优势在于重量轻、可弯曲性好和成本低廉。

但迄今为止，还没有某种材料证实可以在成本、性能和寿命方面满足商业槽式电厂发展要求。

薄玻璃镜的持久性与玻璃反射器相同，重量较轻，但却易碎。

增加了处理费用和破坏损失。

其最初的太阳反射比为93.96%，成本为15-40$/m2，其它各方面性能还在测试过程之中。

3M是正在发展中的非金属、薄膜反射器。

使用多层辐射薄膜技术，使得表面对于可见光有全面的反射能力，在可见光波段反射率可达约99%，并由于没有金属反射层而避免了腐蚀。

现阶段，其在部分波段上展示出了很好的反射能力，但在紫外线照射持久性上仍存在问题，目前的研究主要集中在紫外线筛选层和提高室外持久力的保护层上。

Reflec Tech和NREL联合开发了一种碾压反射材料，以镀银聚合体为基础外压紫外线筛选层以提高室外持久性。

目前NREL已完成了在水腐蚀方面的测试，其他方面还在进展之中。

另外还有超薄玻璃镜子、铝处理反射面和Flabeg厚玻璃等等新型反射面都在开发测试之中，耐久力、可清洗性、反射率和成本等指标方面各有千秋，仍在不断完善之中。

c吸收器的发展吸收器是Luz抛物槽式集热器设计取得高效能的重要因素，也可称为热收集部件（HCE）。

HCE的双层管结构中，外部玻璃套管外直径为115mm，内部为覆有选择性吸收涂层的金属陶瓷表面纯钢管。

两者之间抽真空以减小热损失。

这种吸收器性能良好，但每年故障率很高，接近4%-5%。

出现的故障主要包括失去真空、玻璃套管破裂和选择性吸收涂层退化（一般是在前两种故障发生后，由于接触氧气而造成的）。

目前，以色列Solel公司（前身为Luz公司）研制了新型吸收管Solel Universal Vacuum （UVAC），改进了选择性吸收涂层，加强在太阳低辐射角度时玻璃与金属密封处的保护，改良金属陶瓷工艺，从而有效防止了氧化发生，大大提高了吸收器的性能和可靠性。

图3 吸收管结构示意图Fig. 3 Heat collection element .HCE.德国Schott公司对高温真空管作了改进：一是为防止两端温度过高影响封接质量，在局部增加了太阳辐射反射圈；二是力求最大限度减少遮光面积，使真空管有效利用长度大于96%；三是调整相关玻璃材料配方, 使可伐与玻璃管封接得更好[3]。