什么是聚光太阳能热发电(CSP)?

聚光太阳能热发电(英文缩写为CSP)使用反射镜将太阳辐射聚集到含有传热工质的集热管上,再将特制的传热工质(HTF)加热。这种方式产生的热能最终可直接输出,或者产生高温蒸汽用于工业生产或推动汽轮机直接发电。

聚光太阳能热发电的集热器技术

线聚焦型集热器包括线性菲涅耳和槽式集热器。点聚焦型集热器包括塔式和碟式集热器。在所有的这些技术中,槽式集热器在商业应用中历史最久,融资最多,在全球范围内安装和运营最广。当今世界95%的聚光式太阳能电站都采用的是槽式集热器技术。

聚光太阳能热发电(CSP)的一个显著突出的优点是可以储存热能,比如在夜晚太阳落山时、阴天或者配合高峰电力需求。

聚光太阳能热发电集热器组成

大部分的聚光式太阳能技术都需要一个高度反光的表面(比如反射镜)。这个反射镜面把大面积吸收来的太阳光重新折射到一个指定的点上。在槽式技术中,每一个模块单元都包含数片抛物面反射镜和一个集热管。集热管安装在反射镜的焦点上,所以当太阳光投射在反射镜面上时,反射镜面将太阳光重新聚焦到集热管上。

集热管中流动的是一种特制的传热工质(HTF),比如导热油或者熔盐。传热工质吸收热量,然后泵入储热罐中储存或者被直接输出到其它应用。


 

为什么选择槽式集热器?

30年的经验

从20世纪80年代中期开始,槽式集热器就广泛应用于公用事业级的发电站。近年来,各种聚光太阳能发电的设计,如碟式、线性菲涅尔式和中央集热管或塔式都在市场上获得了广泛的关注。这些新技术的出现,也是为了提供符合成本效益的电力。虽然这些新技术百花齐放、各有特色,但是只有槽式集热器在商业应用中历史最悠久,技术最成熟,并多次获得银行贷款资助。

正是槽式集热器悠久的历史,使得它成为了天源光热科技公司专注创新、降低成本的对象并最终创造出了ReflecTech®反射镜膜。其高反射率让ReflecTech反射镜膜成为线型集热器的理想选择。通过进一步的研究,天源公司开发生产了SkyTrough®集热器。正因为SkyTrough并不是由玻璃面板组成,它可以滑入提前设计好的指定的抛物型肋骨框架中,达到最佳光学优化的效果。和传统的玻璃面板相比,SkyTrough集热器更容易安装,而且最大化了集热器的整体性能。

在全球范围内,SkyTrough集热器倍受广泛推广应用,因为它不像其它玻璃面板的集热器,SkyTrough更经久耐用、方便运输、易于安装。

商业证明

从调度到运行,槽式集热器在商业化公用事业级电站中的表现有目共睹。20世纪80年代开始,总装机容量超过350 MWe(兆瓦电),9座槽式太阳能热发电系统(SEGS)在美国加利福尼亚州成功运行。除此之外,从2007年开始,内华达州64 MWe(兆瓦电)的SolarOne(NSO)槽式电站在内华达州投产运行。马丁太阳能电站2009年在佛罗里达州投入运行。在西班牙,由于政府以上网电价的方式对太阳能电站进行补贴,在2007~2013年之间,建立了超过1GW(吉瓦)的槽式电站。

效率显著

加利福尼亚州的SEGS太阳能热发电系统、内华达州SolarOne太阳能电站(NSO)以及从西班牙光热电站积累的经验,使得槽式集热器的设计和性能都不断进步提高。

所有槽式集热器的部件,尤其是框架和支架结构、反射镜面、集热管、太阳跟踪驱动器和控制系统以及传热工质等,经过一代又一代的评估与改进,已经优化了很多。通过从美国能源部(DOE)美国国家可再生能源实验室(NREL)测试和历史经验中收集的信息,进一步提高了槽式集热器长期的性能、降低了成本。第一次试运行之后的25年中,经过操作程序逐渐优化,零部件迭代升级,第一座SEGS电站目前的太阳能年发电量要高出当年电厂首次运行时的发电量。此外,槽式集热器电厂长期的运行历史也意味着可以更好的预估评价运行和维修成本。

优化设计

在以前槽式集热器技术的基础上,再吸收利用新出现的技术,天源公司对槽式集热器做出了一些关键性的技术改革。比如采用重量轻且防碎的ReflecTech反射镜膜代替传统笨重且易碎的玻璃面板;使用管状的立体框架提高性能,并且降低了成本。

模块化安装

槽式集热器都是一个个模块,可以根据电厂面积的大小调整模块的安装数量。通过大批量化零部件生产来降低成本,这在模块化安装中很重要。这种通过简单的增加槽式集热器的数量来达到提高电量生产的能力,使得槽式集热器成为公用事业级太阳能发电站的首要选择。与使用玻璃面板的槽式集热器相比,由于SkyTrough安装简单,可以应用于面积很小的光场中。

对单个模块化单元的检测和验证,降低了整个系统承建的风险。对槽式集热器的设计要求的检测,可以通过一个单独的模块来验证。一旦任一模块单元的性能通过了检查,整个光场的性能都可以可靠地进行预测。就SkyTrough而言,基本的模块单元是一个太阳能总装(SCA)。一个太阳能总装由8个一模一样的槽式模块组成: 4个槽式模块各位于由天源公司开发的OnSun驱动和控制系统的两侧。

基本的槽式太阳能电厂的布局包含了将4个、6个或者8个太阳能集热器总装连接在一起,形成一个回路。在太阳能场传热流体回路中,多个回路平行组合。传热工质从母管开始流经蒸汽发生器使得汽轮机转动,进而发电。

 

发电量恒定可测

槽式太阳能光场有着 “自由”能量储存的固有优势。这个取决于电厂面积的大小,目的是为了确保当太阳被云层遮住时,电量产出依然可以保持稳定。根据电厂的大小,这些热“动力”可以持续15分钟或者更长。这意味着当多云阴天或者太阳下山时,电厂的电力输出可以保持稳定(或者非常缓慢地变化),留给电厂充足的时间转换至其它电力来源。这些固有的热能储存主要来自于传热工质回路收集和吸收的热量。阴天时,其它能源技术比如风能和光伏,当它们直接把可再生能源转换为电力时,会出现每分钟甚至每秒钟时间单位的剧烈波动,这对电力输出系统的稳定性有很大的影响。所以,当考虑到电网的可靠性时,槽式太阳能电厂一个重要的优点就是电力输出的稳定性和可测性。

这种将热能在专用的储能系统中储存多个小时的能力,实现了恒定功率昼夜不间断的发电。

资金筹措

最后,槽式集热器所具有的优点使得它在银行贷款活动中最具有吸引力,尤其是在全球金融危机后,风险规避非常重要:

  • 只有槽式聚光太阳能热发电技术得到超过25年持续商业运行的验证
  • 槽式是唯一在性能和可靠性特点上为大众所完全了解的聚光太阳能热发电技术

在聚光太阳能热发电技术中,槽式是唯一能够获得银行贷款的技术。

如需获悉更多信息,详情参见以下网址:

美国国家可再生能源实验室(NREL)聚光太阳能发电研究部门
https://www.nrel.gov/csp/

美国国家可再生能源实验室(NREL)聚光太阳能发电相关研究
https://www.nrel.gov/csp/publications.html

美国能源部能源效率和可再生能源办公室聚光太阳能站点
https://energy.gov/eere/sunshot/sunshot-initiative