概念和基本特征引言

聚光集热器收集的高温热量能够用来在常规动力循环中发电。聚光太阳能发电（CSP）系统用聚光集热器收集的高温热量替代或和燃烧化石燃料一起来发电。在光学系统中，只有直接辐射的光才能被聚光。为了获得高聚光系数，白天需要对太阳进行跟踪，包括一定数量的维护。因此这一概念最适合于在那些可以有效实施维护以及具有高强度直接辐射的地区进行聚光式发电。太阳光的聚集是通过镜子将太阳光引导到一个热交换器（接受器/吸收器）上，热交换器吸收的能量被移到载热流体上。比起透镜，由于玻璃镜子的高反射率，低成本和良好的户外耐久性，使其实际应用更广泛。

存在各种不同的CSP系统，它们的载热流体要么直接用于动力循环（蒸汽/燃气），或者用于在中间的二次循环（例如导热油、熔盐）中流通，在这种情况下需要额外的热传递至动力循环。

CSP系统可以按照聚光镜的排列方式进行区分。线聚光系统：像抛物槽或者线性菲涅尔系统（见图10.1a），仅需单轴跟踪来实现将太阳辐射聚光到一个吸收管。在实际中聚光系数可以高达100。点聚光系统：像抛物碟式聚光器或者中心接收器系统（见图10.1b），使用大量的独立的跟踪定日镜来将太阳辐射聚集到中心接收塔，聚光系数可以达到几千，但是以双轴跟踪为代价。

图10.1 太阳辐射聚集技术

a）抛物槽和线性菲涅耳 b）中央接收器系统和抛物碟式（来源：Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt（DLR）=德国航空航天中心）

根据热力学原理，在高温时，动力循环可以将热能更有效地转换成机械能。但是，随着吸收器温度的升高会导致收集器效率的减低。因此，对于任何给定的聚光系数都对应有一个最优运行温度，在这个温度下太阳能转换效率可以达到最高。随着聚光作用的增强，可以获得更优化的效率，图10.2所示为通过设想将一个理想的太阳能聚光器与一个完整的动力循环相结合，来解释这一特点。实际中，最优工作温度比那些图中理论的最优工作温度要低，因为具有卡诺特性的动力循环和理想的吸收器都是不存在的。此外，不得不考虑长年频繁运行在部分负荷条件下对系统效率产生的影响。

跟家用热水系统一样，CSP系统的一个很重要的优势在于其可以含有热能储存系统（例如熔盐箱），它能保证发电厂在阴天或者太阳落山后继续正常工作。因而可以实现可预测的电网供电。具有电力存储的其他可再生能源系统，其存储能力导致了更高的投资和更高的电力价格，但CSP系统不同，带有存储功能的CSP系统可能要比不带存储功能的CSP系统便宜。通过将一个没有存储装置的容量为100MW_el、每年等效全载工作将近2000h、建立在典型的太阳能场上的太阳能发电厂与一个系统容量只有一半（50MW_el）、建立在同样规模的太阳能场上、带有合适的热能存储装置的太阳能发电厂相比较，上述结论会更变得很明了。在这个例子中，第二个系统使用较小的功率模块在等效全负荷状态下工作4000h以至于系统能够生成与第一个系统具有相同数量的电能。假设存储成本很低，则第二个系统的投资可能比只有太阳能发电而没有热存储装置的系统要低。此外，在收益率很高时可以灵活售电。

现在，还没有专门为高温太阳能光聚发电系统开发的动力循环，但是常规的化石燃料发电系统已经被应用于太阳能发电中。最有价值的是蒸汽涡轮循环、燃气涡轮循环和斯特林发动机。目前，在商业CSP项目中，蒸汽循环是最常见的选择。它们适用于规模容量超过10MW、温度高达600℃的太阳能电厂，可以与抛物槽、线性菲涅尔和中央接收器系统相结合。斯特林发动机应用于较小的电厂（容量达10MW_el），特别是应用于抛物碟式聚光器系统。燃气涡轮机比蒸汽循环（高达1200℃）更具有利用高温的潜能，容量范围可以从几百kW_el到几十MW_el。在大规(www.xing528.com)

图10.2 不同聚光率下、不同特点吸收器（理想的选择性吸收器、黑体吸收器）的高温太阳能聚光系统的理论整体发电效率与最高接受器温度之间的函数曲线

模电厂中，燃气涡轮机可以和蒸汽循环相结合从而提供高效的混合循环系统，使得产生相同电力输出所用太阳光收集器面积减少25%。目前为止，太阳能燃气循环还仅仅只是在实验设备中使用。

表10.1对不同的聚光式太阳能发电的技术参数进行了总结。抛物槽、线性菲涅尔系统和电力塔可以与电力容量为10～200MW的蒸汽循环相结合，热循环效率可以达到30%～40%。抛物槽是迄今为止最成熟的技术，它的价值已经在实际中得到验证。目前，这些系统每年从太阳能转换到电能的效率可以达到10%～15%，在本世纪中叶，有望达到18%。通常情况下，其他系统的转换效率都是预测值，这些预测是在组成部件、原型系统测试数据以及假设目前技术发展已经成熟这些条件下进行的。太阳能到电能的综合转换效率比常规的蒸汽循环或者联合循环的转化效率要低，因为它们需要在收集器上将太阳照射能量转化为热能，以及在功率模块上将将热能转化为电能这两个转换。功率模块的转化效率基本上与化石燃料发电厂的效率保持相同。

表10.1 各种聚光太阳能发电（CSP）技术的性能数据^①[2]

①（d）：已证明的；（p）：预计的；ST：蒸汽轮机；GT：燃气轮机；CC：复合循环。太阳能效率=净发电量/入射光线辐射。容量系数=太阳能发电每年的工作时间/每年8760h。