太陽能熱發(fā)電技術(shù)綜述

太陽能熱發(fā)電技術(shù)綜述

太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)太陽能熱發(fā)電是指將太陽能收集并轉(zhuǎn)化為工作流的高溫?zé)崮?，并將其轉(zhuǎn)換為傳統(tǒng)的熱機(jī)和其他發(fā)電技術(shù)。經(jīng)過30多年的研究和實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)積累,目前太陽能熱發(fā)電的技術(shù)取得了重大進(jìn)展和突破,電站關(guān)鍵設(shè)備的成本也有較大幅度的下降,美國SolarTwo電站的發(fā)電成本為0.11歐元/kWh,美國SEGS的發(fā)電成本為0.091歐元/kWh,西班牙PS10為0.09歐元/kWh。近年來,由于環(huán)境與資源的壓力,給可再生能源的發(fā)展帶來了全球性的繁榮,具有低成本潛力的太陽能熱發(fā)電技術(shù)也進(jìn)入了快速發(fā)展時(shí)期。太陽能供應(yīng)不穩(wěn)定、不連續(xù),而熱發(fā)電系統(tǒng)需要穩(wěn)定運(yùn)行。為了解決這一矛盾,目前主要有兩種解決方案:一種為系統(tǒng)中配置蓄能系統(tǒng),將收集到的太陽能存儲(chǔ)起來,以便于為電站在夜間或者多云天氣時(shí)提供熱能,保證連續(xù)發(fā)電;另外一種方案為將太陽能與其它能源組成互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng),當(dāng)太陽能供應(yīng)不足的情況下,由其它能源供應(yīng)能源,這樣可以保證系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行。按照太陽能集熱方式的不同,太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)主要有兩大類,即聚焦式和非聚焦式。其中聚焦式系統(tǒng)主要有槽式、碟式和塔式3種,非聚焦式系統(tǒng)主要有太陽能熱氣流發(fā)電和太陽能池?zé)岚l(fā)電2種。1塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)塔式太陽能熱發(fā)電主要由定日鏡系統(tǒng)、吸熱與熱能傳遞系統(tǒng)(熱流體系統(tǒng))、發(fā)電系統(tǒng)3部分組成。定日鏡系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽的實(shí)時(shí)跟蹤,并將太陽光反射到吸熱器。位于高塔上的吸熱器吸收由定日鏡系統(tǒng)反射來的高熱流密度輻射能,并將其轉(zhuǎn)化為工作流體的高溫?zé)崮?。高溫工作流體通過管道傳遞到位于地面的蒸汽發(fā)生器,產(chǎn)生高壓過熱蒸汽,推動(dòng)常規(guī)汽輪機(jī)發(fā)電。由于使用了高塔聚焦,典型的塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)200～1000以上的聚焦比(concentrationfactor),投射到塔頂吸熱器的平均熱流密度可達(dá)300～1000kW/m2,工作溫度可高達(dá)1000℃以上。電站規(guī)?？蛇_(dá)200MW以上。塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)主要有熔鹽系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)和水/蒸汽系統(tǒng)。無論采用哪種工質(zhì),系統(tǒng)的蓄熱至關(guān)重要。由于太陽能的間隙性,必須由蓄熱器提供足夠的熱能來補(bǔ)充烏云遮擋及夜晚時(shí)太陽能的不足,否則發(fā)電系統(tǒng)將無法正常工作。1.1熔鹽系統(tǒng)的性質(zhì)熔鹽吸熱、傳熱系統(tǒng)一般以熔融硝酸鹽為工作介質(zhì),系統(tǒng)低溫側(cè)一般為290℃,高溫側(cè)為565℃。低溫熔鹽通過熔鹽泵從低溫熔鹽儲(chǔ)罐被送至塔頂?shù)娜埯}吸熱器,吸熱器在平均熱流密度約430kW/m2的聚焦輻射照射下將熱量傳遞給流經(jīng)吸熱器的熔鹽。熔鹽吸熱后溫度升高至約565℃,再通過管道送至位于地面的高溫熔鹽罐。來自高溫熔鹽罐的熔鹽被輸送至蒸汽發(fā)生器,產(chǎn)生高溫過熱蒸汽,推動(dòng)傳統(tǒng)的汽輪機(jī)做功發(fā)電。以熔鹽為吸熱、傳熱介質(zhì),主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):(1)除克服流動(dòng)阻力外,系統(tǒng)無壓運(yùn)行,安全性提高;(2)傳熱工質(zhì)在整個(gè)吸熱、傳熱循環(huán)中無相變,且熔鹽熱容大,吸熱器可承受較高的熱流密度,從而使吸熱器可做得更緊湊,減少制造成本,降低熱損;(3)熔鹽本身是很好的蓄熱材料,系統(tǒng)傳熱、蓄熱可共用同一工質(zhì),使系統(tǒng)極大的簡化。但是,熔鹽介質(zhì)也有其缺點(diǎn)。一是熔鹽的高溫分解和腐蝕問題,相關(guān)材料必須耐高溫和耐腐蝕,使系統(tǒng)成本增加、可靠性降低;二是熔鹽的低溫凝固問題,在夜間停機(jī)時(shí)高、低溫熔鹽儲(chǔ)罐都必須保溫,以防止熔鹽凝固,清晨開機(jī)時(shí)也必須對(duì)全部管道進(jìn)行預(yù)熱,這些都將增加系統(tǒng)的伴生電耗。典型的塔式熔鹽系統(tǒng)是美國的SolarTwo試驗(yàn)電站,其系統(tǒng)如圖1所示。SolarTwo是在關(guān)閉了的SolarOne電站上改建而成的。該電站于1996年2月28日投入運(yùn)行,成功完成各項(xiàng)試驗(yàn)任務(wù)后于1999年4月8日關(guān)閉。SolarTwo的試驗(yàn)研究證實(shí)了熔鹽技術(shù)的可行性;進(jìn)一步降低了塔式熱發(fā)電的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)風(fēng)險(xiǎn);促進(jìn)了塔式熱發(fā)電技術(shù)的商業(yè)化。1.2ps10電站運(yùn)行工況水/蒸汽系統(tǒng)以水為傳熱介質(zhì)。在這類系統(tǒng)中,過冷水經(jīng)泵增壓后被送到塔頂吸熱器,在吸熱器中蒸發(fā)并過熱后被送至地面,驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)做功發(fā)電。在這一系統(tǒng)中,吸熱器與反射鏡場聚焦光斑的技術(shù)最為關(guān)鍵。置于塔頂?shù)奈鼰崞魑站劢固栞椛錈岷螽a(chǎn)生高壓蒸汽,由于蒸汽熱容低,容易發(fā)生傳熱惡化,因此對(duì)于吸熱器的性能要求比較高,能夠承受較大的能流密度和頻繁的熱沖擊。典型的塔式水/蒸汽太陽能熱發(fā)電試驗(yàn)電站有美國的SolarOne,西班牙的CESA-1和PS10。SolarOne和CESA-1均建造于1982年,PS10則于2007年3月投入商業(yè)運(yùn)行。圖2為美國Solarone試驗(yàn)電站示意圖。Solarone吸熱器是一個(gè)外圓柱式吸熱器,由24塊管板組成,每塊管板有70根吸熱管。24塊管板中,6塊板起預(yù)熱過冷水的作用,其余18塊板產(chǎn)生過熱蒸汽。整個(gè)吸熱器實(shí)際上就是一個(gè)將水直接加熱到過熱蒸汽的太陽能鍋爐。吸熱器出口的蒸汽參數(shù)為516℃,10.1MPa,直接用于驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)。過熱蒸汽也可以送入一個(gè)油-沙石蓄熱系統(tǒng)進(jìn)行能量的存儲(chǔ)。Solarone從1982年到1988年運(yùn)行了6年。盡管Solarone電站成功地證明了塔式發(fā)電技術(shù)的可行性,但是蓄熱系統(tǒng)不能提供足夠的蒸汽用于汽輪機(jī)發(fā)電,因?yàn)樾顭嵯到y(tǒng)僅僅在220～305℃運(yùn)行,而吸熱器的出口蒸汽溫度為516℃。電站的最主要的運(yùn)行模式是將太陽能接收器和汽輪機(jī)耦合起來,蓄熱系統(tǒng)設(shè)置為旁路,系統(tǒng)所產(chǎn)生的多余蒸汽進(jìn)入蓄熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能量存儲(chǔ),蓄熱系統(tǒng)只產(chǎn)生輔助蒸汽,用于系統(tǒng)的啟停和離線運(yùn)行時(shí)保溫。與Solarone同期建設(shè)的CESA-1試驗(yàn)電站設(shè)計(jì)容量為1.2MW,采用腔式吸熱器,吸熱器出口過熱蒸汽參數(shù)為525℃,10.8MPa。系統(tǒng)采用一對(duì)高低溫熔融鹽儲(chǔ)罐蓄熱,額定蓄熱量為16MWh和給水發(fā)生熱交換后能產(chǎn)生330℃,1.6MPa的過熱蒸汽,可以使電站在840kW發(fā)電功率下運(yùn)行3.5h。早期的塔式水/蒸汽試驗(yàn)電站為了獲得較高的發(fā)電效率,吸熱器出口蒸汽參數(shù)都較高,相應(yīng)技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)也較大。為了降低電站的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn),作為商業(yè)運(yùn)行的PS10電站選擇了比較保守的吸熱器技術(shù),其出口蒸汽溫度為250℃,壓力為4MPa。其電站示意圖如圖3所示。PS10由西班牙Solucar公司建造,額定發(fā)電功率10MW。該電站采用了4個(gè)蒸汽儲(chǔ)罐蓄熱,蓄熱系統(tǒng)可以75%額定功率驅(qū)動(dòng)電站運(yùn)行1h。由國家發(fā)改委、科技部、中國科學(xué)院及北京市政府共同支助的863重點(diǎn)項(xiàng)目,太陽能熱發(fā)電1MW塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)及系統(tǒng)示范項(xiàng)目,也采用了水/蒸汽方案,目前該項(xiàng)目正在緊張進(jìn)行中。1.3熱體的吸熱單元以空氣作為塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的吸熱與傳熱介質(zhì)有以下優(yōu)點(diǎn):(1)從大氣來,到大氣去;取之不盡,用之不絕,不污染環(huán)境;(2)沒有因相變帶來的麻煩;(3)允許很高的工作溫度;(4)易于運(yùn)行和維護(hù),啟動(dòng)快,無須附加的保溫和冷啟動(dòng)加熱系統(tǒng)?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn),很多早期的塔式太陽能熱發(fā)電站采用了空氣作為吸熱與傳熱介質(zhì)?？諝庀到y(tǒng)的應(yīng)用也很靈活,高溫空氣既可與水/蒸汽換熱驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電,也可直接驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電;既可用于燃?xì)廨啓C(jī)的空氣預(yù)熱,也可用于燃料重整等等,如圖4和圖5所示?？諝庀到y(tǒng)一般采用容積式吸熱器。容積式吸熱器一般以蜂窩狀或密織網(wǎng)狀的多孔結(jié)構(gòu)材料為吸熱體,其工作原理如下:聚焦太陽能將多孔結(jié)構(gòu)的吸熱體加熱;空氣被強(qiáng)制通過吸熱器,與多孔結(jié)構(gòu)對(duì)流換熱后被加熱至高溫。用于容積式吸熱器的多孔材料主要有蜂窩陶瓷,發(fā)泡陶瓷,金屬絲編織的多層密網(wǎng)等。良好的容積式吸熱器應(yīng)具有多孔性,可使太陽輻射深入多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)部,產(chǎn)生所謂的容積效應(yīng)(volumetriceffect),即多孔結(jié)構(gòu)無輻射側(cè)的溫度低于吸熱介質(zhì)出口溫度。此外,多孔材料的耐熱性能非常關(guān)鍵,要能承受高能流密度太陽輻射和極高的溫度。典型的金屬密網(wǎng)吸熱器是西班牙CIEMET公司的TSA吸熱器,其吸熱器功率為2.7MW,直徑3.4m,所吸熱量的90%集中在直徑為2.8m的圓內(nèi),正常工作時(shí)出口空氣溫度680℃,進(jìn)口空氣溫度110℃,回流空氣比可達(dá)49%。在額定工作溫度下可長期運(yùn)行。研究表明,由于使用了金屬作為吸熱體,金屬密網(wǎng)吸熱器的工作溫度受到限制,最高溫度不超過800℃。陶瓷材料具有更高的耐熱性能,因此近年來陶瓷材料吸熱體成為容積式空氣吸熱器研究的重點(diǎn)。大量測試證明,容積式吸熱器可產(chǎn)生1000℃以上的高溫空氣,平均熱流密度達(dá)400kW/m2,峰值流密度達(dá)1000kW/m2。陶瓷材料吸熱體的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是易于成型加工,實(shí)現(xiàn)吸熱單元的模塊化。模塊化的吸熱單元可以很容易地組合成各種所需吸熱器。1996年,由德國的DLR、西班牙的CIEMAT等聯(lián)合實(shí)施的REFOS計(jì)劃,在西班牙的PSA太陽能試驗(yàn)基地測試了由3個(gè)模塊組成的吸熱器。每個(gè)REFOS吸熱器模塊的設(shè)計(jì)工作壓力為1.5MPa,出口空氣溫度800℃,單個(gè)模塊的吸熱功率為350kW。測試研究表明,REFOS吸熱器模塊的效率可達(dá)80%。以空氣為傳熱介質(zhì)的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)具有顯著的優(yōu)點(diǎn),但大規(guī)模試驗(yàn)研究(3MW以上)至今未見實(shí)施。其主要原因是空氣的熱容低,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大,技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)相應(yīng)增大。原計(jì)劃采用空氣系統(tǒng)的PS10就是因?yàn)閾?dān)心技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)而改用了現(xiàn)在的水/蒸汽系統(tǒng)。2槽式聚光管槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的聚光反射鏡從幾何上看是將拋物線平移而形成的槽式拋物面,它將太陽光聚焦在一條線上(如圖6所示)。在這條焦線上安裝有管狀集熱器,以吸收聚焦后的太陽輻射能。因此槽式聚焦方式亦常稱為線聚焦。槽式拋物面一般依其焦線按正南北方向擺放,因此其定日跟蹤只需一維跟蹤。槽式的聚光比為10～100之間,一般在50左右,溫度可達(dá)400℃左右。由于槽式的聚光比小,為維持高溫時(shí)的運(yùn)行效率,必須使用真空管作為吸熱器件。高溫真空管的制造技術(shù)要求高,難度大。目前,只有德國SCHOTT等少數(shù)幾家公司生產(chǎn)的真空管可基本滿足槽式聚光集熱的要求。與塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)相比,槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)除聚光和集熱裝置有所不同外,兩者在系統(tǒng)構(gòu)成和工作原理等方面,基本上都是一樣的,都是通過汽輪機(jī)將熱能轉(zhuǎn)化為電能。由于槽式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單,溫度和壓力都不高,技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)較低,因此較早實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化的大規(guī)模應(yīng)用。最著名的商業(yè)化槽式電站位于美國南加州Mojave沙漠地區(qū)的SEGS(SolarElectricGeneratingSystems)系列電站。2.1segsiii系統(tǒng)1983年,美國的Luz公司與南愛迪生電力公司簽署了長達(dá)30年的購電協(xié)議,之后兩年,Luz公司先后投產(chǎn)了13.8MW的SEGSI和30MW的SEGSII,并成功上網(wǎng)賣電。至1991年,Luz公司共建成了9座槽式電站,電站規(guī)模由SEGSI的13.8MW發(fā)展到SEGSIX的80MW,系列電站總裝機(jī)容量達(dá)353.8MW。由于技術(shù)的不斷成熟及規(guī)模效應(yīng),建站成本也由最初的4000美元/kW降低到3000美元/kW。圖7為SEGSI電站的系統(tǒng)示意圖。SEGSI系統(tǒng)有82960m2的拋物槽集熱開口面積,利用聚集的太陽能來加熱一種碳?xì)浠鶎?dǎo)熱油,加熱后的導(dǎo)熱流體流經(jīng)一個(gè)換熱器,產(chǎn)生3.53MPa,307℃的蒸汽,進(jìn)入過熱器升溫。過熱器由天然氣加熱,將蒸汽溫度加熱到415℃后進(jìn)入常規(guī)汽輪機(jī)中膨脹做功。系統(tǒng)中有2個(gè)3220m3的熱、冷導(dǎo)熱油蓄熱罐,可使系統(tǒng)在滿負(fù)荷下運(yùn)行約3h。在總結(jié)SEGSI電站建設(shè)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,SEGSII在設(shè)計(jì)上作了兩點(diǎn)改進(jìn),一是在系統(tǒng)中增加了一個(gè)天然氣補(bǔ)燃鍋爐,與太陽能集熱系統(tǒng)并聯(lián)布置。汽輪機(jī)所需要的蒸汽既可以由太陽能集熱場提供,也可以由天然氣補(bǔ)燃鍋爐供應(yīng),形成混合動(dòng)力系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)全天候運(yùn)行;二是在太陽能集熱系統(tǒng)中增加了一個(gè)太陽能過熱器,使得系統(tǒng)在單純太陽能利用模式下僅僅依靠太陽能就可以單獨(dú)運(yùn)行。SEGSII的設(shè)計(jì)理念在后面的7個(gè)電站均得以繼承和應(yīng)用。真空集熱管方面,運(yùn)用于SEGSI的LS-1集熱管出口溫度為307℃,SEGSIII至SEGSV的LS-2集熱管出口溫度為349℃。而在之后的電站中,由于采用了陶瓷選擇性膜,集熱管出口溫度可達(dá)391℃。不過,這些集熱管在實(shí)際運(yùn)行中都出現(xiàn)了真空度降低,吸收管表面的選擇性涂層性能下降的問題,導(dǎo)致集熱管性能下降。SEGS系列電站雖然取得了成功,但在技術(shù)上仍存在不少缺點(diǎn)。由于采用導(dǎo)熱油作為傳熱介質(zhì)(HTF:HeatTransferMedium),雖然降低了傳熱系統(tǒng)的壓力,減少了技術(shù)風(fēng)險(xiǎn),但也增加了系統(tǒng)的成本;系統(tǒng)的工作溫度也受導(dǎo)熱油工作溫度的限制很難超過400℃;此外,導(dǎo)熱油與水/蒸汽的換熱過程增加了系統(tǒng)的熱損,降低了系統(tǒng)效率。2.2槽式dsg蒸汽槽式電導(dǎo)率/流量設(shè)計(jì)采用直接產(chǎn)生蒸汽(簡稱DSG:DirectSteamGenerating)的槽式系統(tǒng)可有效地克服因?qū)嵊鸵鸬母鞣N技術(shù)問題。但該技術(shù)也存在很大的技術(shù)難點(diǎn):兩相流問題。由于直接產(chǎn)生蒸汽,位于拋物槽焦線上的集熱管內(nèi)的兩相流動(dòng)很難控制。水和蒸汽具有不同的換熱特性,在兩相流區(qū)域集熱管中的溫度不均勻,同一根管子上會(huì)出現(xiàn)較大的溫度梯度。針對(duì)兩相流問題,直接產(chǎn)生蒸汽的槽式集熱系統(tǒng)一般有3個(gè)基本加熱模式:一次通過模式,如圖8(a)所示;注入模式,如圖8(b)所示;循環(huán)模式,如圖8(c)所示。3種模式各有優(yōu)缺點(diǎn)。一次通過模式結(jié)構(gòu)最簡單,但兩相流較難控制;注入模式需增加額外的管道閥門及控制系統(tǒng);循環(huán)模式增加了一個(gè)氣液分離器,系統(tǒng)的控制及穩(wěn)定性較容易實(shí)現(xiàn),但成本最高。1996年,在歐盟的支助下,德國和西班牙合作開展了DISS(DirectSolarSteam)計(jì)劃。該計(jì)劃的目標(biāo)是證明拋物槽太陽能集熱器直接產(chǎn)生蒸汽的技術(shù)可行性,開發(fā)一種適用于商業(yè)化應(yīng)用的槽式DSG太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。該計(jì)劃在西班牙的PSA太陽能研究基地進(jìn)行了系統(tǒng)試驗(yàn)。DISS試驗(yàn)工程安裝了總長550m的拋物槽反射鏡,總反射面積3000m2。DISS項(xiàng)目雖然證明了直接產(chǎn)生蒸汽技術(shù)的可行性,但離其550℃、1MPa的技術(shù)目標(biāo)還有一定距離。相應(yīng)的高溫高壓系統(tǒng)部件仍有待進(jìn)一步開發(fā)研究。3碟式發(fā)電系統(tǒng)碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)一般由旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡、吸熱器、跟蹤裝置以及熱功轉(zhuǎn)換裝置等組成,如圖9所示。碟式反射鏡可以是一整塊拋物面,也可由聚焦于同一點(diǎn)的多塊反射鏡組成。因此碟式聚焦方式亦常稱為點(diǎn)聚焦,其聚焦比可高達(dá)500～1000之間,焦點(diǎn)處可產(chǎn)生1000℃以上的溫度。整個(gè)碟式發(fā)電系統(tǒng)安裝于一個(gè)雙軸跟蹤支撐裝置上,實(shí)現(xiàn)定日跟蹤,連續(xù)發(fā)電。碟式系統(tǒng)的吸熱器一般為腔式,與斯特林發(fā)電機(jī)相連,構(gòu)成一個(gè)緊湊的吸熱、做功、發(fā)電裝置。整個(gè)裝置安裝于拋物面的焦點(diǎn)位置,吸熱器的開口對(duì)準(zhǔn)焦點(diǎn)。由于聚焦比大,工作溫度高,碟式系統(tǒng)的發(fā)電效率高達(dá)30%,高于塔式和槽式。但是,這類系統(tǒng)的單元容量較小,一般為30～50kW。比較適用于分布式能源系統(tǒng),也可以將多個(gè)單元系統(tǒng)組成一簇,集中向電網(wǎng)供電。目前,碟式系統(tǒng)正處于商業(yè)化進(jìn)程中,相關(guān)示范研究項(xiàng)目主要有美國的SAIC公司和STM公司聯(lián)合開發(fā)的SunDish系統(tǒng)和歐洲的EuroDish計(jì)劃。4其他太陽能熱能源系統(tǒng)4.1中央反射鏡—向下反射式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)近年來,一種新的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念得到了廣泛的關(guān)注,即所謂向下反射式系統(tǒng)。如圖10所示。這種系統(tǒng)也有一個(gè)塔,但塔頂只有一個(gè)中央反射鏡(CentralMirror),吸熱器設(shè)置在地面。位于地面的反射鏡場(HeliostatField)將太陽輻射聚焦到中央反射鏡,中央反射鏡再將其向下反射到吸熱器。這種系統(tǒng)采用了一種帶復(fù)合拋物面聚光鏡(簡稱CPC:CompoundParabolicConcentrator)的熔鹽吸熱器,如圖11所示。從中央反射鏡反射來的聚焦太陽輻射進(jìn)入CPC后被二次聚焦,再進(jìn)入腔式吸熱器。由于經(jīng)過兩次聚焦,輻射熱流密度大大提高,整個(gè)吸熱器可制作得更緊湊。從設(shè)計(jì)上來說,向下反射式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)既保留了塔式系統(tǒng)聚焦比高、規(guī)模大的優(yōu)點(diǎn),又較好地解決了塔頂吸熱器熱損大,安裝維護(hù)成本高等問題,是一個(gè)很有發(fā)展前景的設(shè)計(jì)方案。但中央反射鏡、復(fù)合拋物面聚光鏡以及腔式熔鹽吸熱器等部件的相關(guān)技術(shù)和材料均有待進(jìn)一步研究和開發(fā)。4.2風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的循環(huán)太陽能熱氣流發(fā)電也稱為太陽煙囪發(fā)電。其工作原理是利用太陽能將集熱器內(nèi)的空氣加熱,熱空氣由于煙囪作用在煙囪內(nèi)上升,推動(dòng)風(fēng)機(jī)做功發(fā)電。這種發(fā)電系統(tǒng)的集熱器是由透明材料建造的大棚,棚頂?shù)闹醒肱c煙囪相連,棚的四周開放。在太陽的輻照下,棚內(nèi)的空氣被加熱上升,推動(dòng)位于煙囪的風(fēng)機(jī)做功;同時(shí),環(huán)境空氣被源源不斷的吸入棚內(nèi),維持系統(tǒng)的循環(huán)。整個(gè)吸熱器實(shí)際上就是一個(gè)溫室,其室內(nèi)外溫差可達(dá)35℃,在煙囪內(nèi)相成的上升氣流速度可達(dá)15m/s。太陽能熱氣流發(fā)電站具有技術(shù)簡單、材料便宜、易于建造和無污染等優(yōu)點(diǎn),且吸熱器下面的土地具有很好的蓄熱性能,無需額外的蓄熱系統(tǒng)。但該技術(shù)也存在不少缺點(diǎn):發(fā)電效率低,一般不超過1%;占地面積大,使用材料多;大容量電站需要特別高的煙囪,一個(gè)30MW電站需建造750m高的煙囪。太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)仍處于研發(fā)試驗(yàn)階段。圖12為西班牙與德國合作建設(shè)的50kW太陽能熱氣流發(fā)電試驗(yàn)電站。該電站位于西班牙的Manzanares,煙囪高度為195m,煙囪直徑10m,集熱棚直徑240m,邊緣處棚高2m,中間棚高8m。該電站1982年投入運(yùn)行,1989年關(guān)閉,可靠率超過95%。4.3太陽能池和對(duì)流層太陽能池是一個(gè)鹽水池,由3層不同濃度的鹽水構(gòu)成。上層是很薄的低濃度鹽水或清水,稱為上對(duì)流層,起透光和保溫作用,同時(shí)可減少外界對(duì)底部鹽水層的擾動(dòng);下層是飽和鹽水,稱為下對(duì)流層,是太陽能池的吸熱、蓄熱層,其最高溫度可超過100℃;兩者之間是非對(duì)流層,其濃度自上而下逐漸增加,起到防止上下層池水對(duì)流的作用。池的底部一般鋪有襯墊及保溫層,以防止池水泄漏,減少熱損。太陽能池?zé)岚l(fā)電系統(tǒng)就是以太陽能池底的高溫鹽水為熱源,通過熱交換器來加熱工質(zhì),驅(qū)動(dòng)熱機(jī)做功發(fā)電。在這一系統(tǒng)中,太陽能池是其核心裝置。太陽能池結(jié)構(gòu)簡單、操作方便,非常適宜在鹽湖資源豐富的地區(qū)應(yīng)用,是一種很有發(fā)展前景的太陽能熱發(fā)電模式。此外,太陽能池在采暖、海水淡化、制鹽及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用熱等方面也有非常廣泛的應(yīng)用。5政策層面,進(jìn)一步加大對(duì)可再生能源開發(fā)的支助和扶持力度從技術(shù)層面來看,當(dāng)前太陽能熱發(fā)電技術(shù)研究的重點(diǎn)是進(jìn)一步降低成本,提高系統(tǒng)效率和可靠性,進(jìn)一步開展較大規(guī)模的系統(tǒng)示范,為大規(guī)模推廣應(yīng)用提供技術(shù)支撐。從政策層面來看,政府進(jìn)一步加大對(duì)可再生能源開發(fā)的支助和扶持極為重要。目前,世界各國都在制定自己的可再生能源利用支助法案。例如,西班牙于2007年頒布了新的特殊領(lǐng)域電力生產(chǎn)法案RD661/2007,代替原RD436/2004法案。這一法案規(guī)定,對(duì)太陽能熱發(fā)電(含化石能源輔助運(yùn)行系統(tǒng),但化石能源發(fā)電量占電站年發(fā)電量總