2.3 太阳能热发电技术

太阳能热发电技术是太阳能利用中的另一种形式。它利用大规模阵列抛物或碟形镜面收集太阳热能，通过换热装置提供蒸汽，结合传统汽轮发电机的工艺，从而达到发电的目的。

2.3.1 太阳能热发电原理

1.太阳能聚光基本原理

太阳能聚光分为反射聚光和折射聚光两种基本形式，具体如下：

（1）反射聚光。采用太阳光反射率高的镜面做成反射镜，将投射到一个镜面或多个镜面的太阳能，聚光到一个点或一条线，提高能流密度，产出高品位热能。

（2）折射聚光。利用光线在不同介质界面处，透射光线传播方向发生改变的原理聚光，需要通过精确计算的曲面，使平行的光线成功地聚光到预定的点。

通过对太阳能聚光，可以用来提高单位面积内太阳辐射能量的辐射密度，从而提高太阳能的转化效率。

聚光装置是利用太阳的直射辐射，经聚光器反射或折射到吸收器上成像。太阳本身是一个表面温度为6000K左右的大火球，尽管太阳距离地球很远，但对地球来说，太阳并非点光源，而是一个球体。因此对地球上任意一点，入射太阳光之间具有一个很小的夹角δ，通常称为太阳张角。

已知太阳直径为1.39×10 ⁶ km，地球与太阳之间的平均距离为1.5×10 ⁸ km，则张角δ的计算公式为

也就是说太阳的直射辐射是以32′的太阳张角入射到地球表面，这是分析一切聚光器光热性能的一个重要物理量。由于太阳光线具有32′的张角，因此太阳聚光装置产生的太阳像是一个有限的尺寸，主要取决于光学系统本身的几何形状和尺寸。聚光装置的聚光效果一般用几何聚光比和能量聚光比来衡量。

2.储热原理

储热又称蓄热，主要是利用工作介质状态变化过程所具有的显热、潜热效应或化学反应过程的反应热来进行能量储存，按照储存方式的不同，储热技术可分为显热储热、相变储热和化学反应储热。

显热储热是在物质形态不变的情况下，通过加热储蓄介质，使其温度升高而将热量存储下来，即利用材料自身的高热容和热导率通过自身温度的升高来达到储热的目的。

相变储热是利用物质固、液、气三态在相互变化过程中吸收或放出的潜热来进行热量的储存和利用。

化学反应储热是利用可逆化学反应的反应热，以及储能介质在材料和结构上的转变达到储热目的。在热化学正反应过程中，将暂时不用或无法直接利用的热能，转变为化学能收集并储存；在生产需要时，使化学反应逆向进行，将储存的能量放出，使化学能转变为热能而加以利用。

不同储热方式比较见表2-2。

3.太阳热发电原理

太阳热发电的原理与常规火力发电原理相似，它主要利用大规模阵列镜面聚焦采集太阳直射光，通过加热介质，将太阳能转化为热能，然后利用传统的热力循环过程，即形成高温高压水蒸气推动汽轮机工作，达到发电的目的，如图2-13所示。太阳能热发电涉及光—热—电之间的转换，包括以下几个过程：光的捕获与转换过程，热量的吸收与传递过程，热量储存与交换过程，热电转换过程。

从理论上讲，采用太阳能热发电技术，可以避免光伏发电中昂贵的晶硅光电转换工艺，大大降低太阳能发电的成本。从两者的工作原理，还可以看出，光伏发电产生的是直流电，而太阳能热发电产生的是和传统火电一样的交流电，这就意味着光伏产生的电能需通过逆变器转换成交流电并网，而太阳能热产生的电能可直接上网，与现有电网匹配性好。在弥补发电间歇性方面，两者都需要借助于储能，但方式不同。由于光伏发电直接将光能转换为电能，多余电能需采用电池技术存储，太阳能热发电则可以选择储热。在白天，太阳能热发电站的集热系统直接驱动汽轮机发电，同时把部分热量储存在由巨大容器组成的储热系统内，在晚上，再利用储热发电。

2.3.2 太阳能热发电类型

按太阳能采集方式划分，世界上主流的太阳能热发电站的主要形式有槽式、塔式和碟式（盘式）等。

1.槽式太阳能热发电系统

槽式太阳能热发电系统主要由数百行抛物面聚光槽、中高温真空集热管构成的太阳能集热场，以及一套传统的蒸汽涡轮发电装置组成，如图2-14所示。聚光反射槽由经过表面处理的金属薄板制成，单轴跟踪装置保证将太阳光准确反射到集热管上，将管内合成油加热到400℃左右，高温热油通过热交换器产生蒸汽驱动涡轮发电机。槽式太阳能热发电站还配有储热管，用熔融盐作为介质将太阳能以热能的形式储存起来，需要时再发出热量用于发电。

2.塔式太阳能热发电系统

塔式太阳能热发电系统由数以千计带有双轴太阳能追踪系统的平面镜（可将传热工质加热到800℃）和一座中央集热塔构成，如图2-15所示。在空旷的地面上建立一座高大的中央吸收塔，塔顶上固定一个吸收器，塔的周围安装一定数量的定日镜，通过定日镜将太阳光聚集到塔顶的接收器的腔体内产生高温，再通过吸收器的工质加热并产生高温蒸汽，推动汽轮机发电。塔式太阳能电站可以用水、气体、熔融盐等作为导热介质，驱动汽轮机。

3.碟式（盘式）太阳能热发电系统

碟式（盘式）太阳能热发电系统由碟式反射镜、接收器和发电机组成，如图2-16所示。利用旋转抛物面的碟式反射镜将太阳光聚焦到接收器，加热接收器内的传热工质到750℃左右，驱动汽轮机发电。与槽式一样，碟式系统的太阳能接收器也不固定，随着碟形反射镜跟踪太阳的运动而运动，克服了塔式系统较大余弦效应引起的能量损失，光热转换效率大大提高。与槽式不同的是，碟式接收器将太阳光聚焦于旋转抛物面的焦点上，而槽式接收器则将太阳光聚焦于圆柱抛物面的焦线上。

上述三种太阳能热发电系统各有优缺点，其主要的性能参数比较如表2-3所示。