高效率点聚焦太阳热直接发电

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1、引言
面对二十一世纪，发电系统更为强调环境的洁净与安全，因此清洁的太阳能发电受到各国高度重视。从二十世纪七十年代以来，太阳热发电和光伏发电的研究都有了显著的进展，虽然还没有达到商用，应该说部进入了成熟的阶段。
近年来，光伏电池制造技术日趋成熟、光伏电池生产能力增长、光伏模块价格不断下降，不论国内还是国外，都有格外看好光伏系统的倾向。然而，尽管据最近的报道，一九九八年全世界光伏电池的产量已达1574兆瓦，而且在美国，过去三年间光伏模块的制造成本降低了31％，据称，到1999年可做到一峰瓦1.79美元，但是，光伏系统的价格仍然相当昂责。另一方面，如所周知，迄今唯一达到商业运行水平的太阳能电站，恰恰是建立在美国南加州的槽式线聚焦热发电系统，该系统的建造历经十年，九个电站的总容量达354兆瓦，发电量已达60亿度，最后建成的电站容量80兆瓦、电价已降至每度电12美分。
本文概括太阳热发电技术的现状，探讨碱金属热电能量直接转换枝术与太阳能发电系统结合的可行性，叙述点聚焦太阳热直接发电的概念与特点。并提出”十五”期间开展此项研究的建议。
" F$ G8 [0 R3 V5 l& ?/ ~' _( U" o2．太阳热发电技术的现状
太阳热发电枝木的现状可以美国的动向为代表，除了已经提到的槽式线聚焦系统，还有用定日镜聚光的塔式系统以及采用旋转抛物面聚光镜的点聚焦一斯特体系统。大家知道，线聚焦系统和点聚焦系统都取得过举世瞩目的成果，特别是麦道公司研制的点聚焦一斯特林系统曾经创下了转换效率接近30%的记录.，最近十五年来，对于线聚焦系统，在提高部件性能和可靠性、降低部件造价、降低运行维护费用等方面都取提了长足的进展。另一方面，塔式系统的实验装备经过重要的改造，已成为近年来发展的重点，因为，根据美国能源部的预测，塔式系统具有最吸引人的技术经济指标，电价可望在2010年降到5美分，与常规火电厂匹敌。
+ Z1 |; P% |5 N( h以过去十五年的工作成果为基础，美国能源部制订了1996年至2015年太阳热发电技术的20年发展规划，其目标是，到2020年，世界上太阳热发电系统的总容量达20000兆瓦。
8 m# w! P1 d5 H9 s2 m: _美国能源部的规划旨在支持和吸引产业界的积极参与，以促进太阳热发电的商业化。与比相呼应，麦道公司和斯特林发动机系统公司联合推出了点聚焦一斯特林系统商业化的开发计划，以2001年建成示范电站为目标。25千瓦装置的成本在每千瓦1000美元到2000美元之间， 25千瓦装置的电价在5美分上下。
4 z* `5 g: T* }/ z: ?! H3、在太阳热发电系统中采用直接发电器件的可行性
已有的三种太阳热发电系统都用热机和发电机来实现能量的转换，在线聚焦和塔式系统中用的是传统的蒸汽轮机作原动机，这样的系统只有在大容量发电的场合才能获得良好的技术经济指标；另一方面，点聚焦一斯持林系统的容量可以小到几个千瓦，而且可以达到高效率，但是需要用氢或氦作工质，工作压力高速150个大气压，增加了斯特林发动机的制造难度。不仅如此，所有这些带有运动部件的系统都包含了可观的维护工作量和必须的运行维护费用。
' ~  T. ]) N4 ^+ n5 ^$ l/ q于是，把无运动部件、无声而且不需维护的直接发电器件来替代上述能量转换部件，显燃是一种可取的思路。
所说的热电直接发电器件，有温差半导体、热电子发电器、光伏发电器和碱金属热电转换器，四种器件的工作原理各不相同，运用的热源温度亦有差异，如表1所示。
四种直接发电器件的和原理特点(表1)
$ Z) Z  C9 t, `. w" O/ O器件名称工作原理热源温度特 点
& U& ~, H% T) u1 Z* o温差半导体温差效应200℃ - 1000℃技术成熟、效率低
) L* ?( z7 g5 K热电子发电器热电子发射1100℃ - 1500℃效率高、器件结构复杂
热光伏发电器利用在红外波段响应良好的光伏效应＞1500℃效率高、要求高温选择性辐射材料
碱金属热电转换β"-Al2O3的离子导电性600℃ - 900℃效率高、结构简单
碱金属热电转换器是四种直接发电器件中最年轻的分支，它的概念提出于1968年，大的经过十年的探索，完成了原理试验，建立了基本理论，并且以效率19％，功率密度1.1瓦/cm2 的实验成果验证了理论的可靠性。碱金属热电转换器用β"-Al2O3固体电解质作选择性渗透膜，以金属钠为工质，在液钠/β"Al2O3界面由化学势梯度驱动，使钠离子和电子分离，实现热电能量的直接转换，由于它在中等的热源温度范国就能达到30％左右的效率，远高于热电半导体发电的效率（5％左右），又不必使用像热光伏发电器那样的高温材料，器件结构也比热电子发电器简单，因而颇受人们的关注，以空间电源为目标的研制工作在美国宇航局所设计划的支持下正积极顺利的进行。
除了无运动部件、无声、无需维护之外，碱金属热转换器是一种低电压面积型器件,功率密度可达0.5~ 1．0瓦cm2，比普通先伏电池的高；可以靠模块组合构成不同规模的发电装置，而且能量转换效率与装置容量无关。
因此，只要在效率和价格方面具有竞争力，用直接发电器件代替传统的能量转换部件是可行的。
, }/ g. g% i  Y0 b/ C4、点聚焦太阳热直接发电的概念
如果把点聚焦一斯特体系统中的斯特林发动机／发电机组以碱金属热电转换发电器件取而代之，那么就构成了点聚焦太阳热直接发电系统，它的结构框图示于图6。由碟型集能器聚焦的太阳辐射被位于抛物面焦点处的热管传热单元所接收并输入碱金属热电转换器，后者使热能直接转换成直流电，经逆变器调节变换成用户所需要的交流电力。必要的支持系统有太阳辐射集能器跟踪子系统和贮能装置，还有和热电转换器件的冷却及余热利用有关的设备。采用点聚焦集能是非常合适的，首先因为它有很大的聚光比，容易达到高效率，就能量转换效率而言，碱金属转换器可以同斯特林机组匹敌，还可以考虑与其他器件串级组合，有效利用排热来增加系统的效率。此外，点聚焦系统容量范围宽，在我国发展，可以避开占地、选点的难题，降低建设费用。
碱金属热电转换器只要求聚光镜焦斑处的温度不低干900℃就能实现高效发电，这一温度正好与斯特林发动机所要求的一致，于是点聚焦一斯特林系统研究的许多成果都可以借鉴到直接发电系统中来，特别是一体化的热管式吸热器。图7和图8分别为美国和日本提出的用碱金属热电转换器的太空太阳能电源的示意图．在地面应用时，为了降低成本，将考虑廉价的贮热物质。顺便指出，与光伏系统相比，在夜间或雨天时对策多样化是太阳热发电的一大特长，除了热贮能，也可以考虑燃烧驱动的所谓混合方式，当然也可以考虑电力贮能方法、包括先进蓄电池和超级电客器。
0 ?- ?" `  O7 L. q; l1 |, X5、点聚焦太阳热直接发电系统主要部件的发展状况
8 W9 w' O& g$ i8 b6 M, W1 ~3 K1、碱金属热电转换器
. M  ?0 s: Y: C6 u3 z- A0 o2 q* g美国最早研究开发碱金属热电转换技术的机构有福特汽车公司和美国宇航局喷气推进实验室，1990年以来，美国先进模块电源系统（AMPS）公司则对碱金属热电转换器的商用化起了重要的推动作用。美国在该领域所取得的成果有：
36管实验装置发电1千瓦；
$ g' r! V& U8 a7 R6 N. E! j; p8 T用电磁泵加压的实验装置连续发电14000小时；
+ G& Y" a  R* N. X9 k8 U- d用毛细芯加压的模块式器件连续稳定发电11000小时；
AMPS公司的功率4瓦的器件已进入试生产阶段。
* j; f' g/ {& X" m- ?" uAMPS公司还对燃烧加热，电功率35千瓦的碱金属热电转换装置进行了设计研究，结果表明，35 千瓦系统的尺寸仅为0．7立方米，燃烧加热的装置每千瓦的价格约为650美元。
/ r: }" z3 u* X& i5 s中国科学院电工研究所和上海硅酸盐研究所是国内从事碱金属热电转换器研究的主要单位，上硅所主要从事β"A12O3，管材的研制，用于钠-硫电池的管材己达到国际先进水平。电工所则进行发电装置的关键技术研究和发电系统的设计研究，已经建立了热电直接发电器件实验室和必要的工艺设备，单管实验装置已经达到重复运行多次、累计发电2小时、峰值输出885瓦、功率密度0.9瓦／cm2的水平。
2、点聚焦碟形集能器
: P; }1 ?+ l. d" K( q应用于斯特林循环的抛物面碟形集能器在美口已发展多年，在降低价格、改进镜面材料工艺等方面作了大量工作。聚焦碟的效率与聚焦比以及上限工作温度有关，对于碱金属热电转换器，其工作温度在700℃~800℃，聚焦比可以在150D上下，效率可做到85％~ 90.％。聚焦碟支架的设计需要兼顾跟踪的要求，当地的风速和系统的振动。碱金属热电转换器无运动部件，振动的约束大为缓和。
" g: w8 P6 P- H( y7 H八十年代，湘潭电机厂曾与美国合作建立了张口直径7．5米的聚焦碟，铝质结构，表面。镀铝反光膜，积累了宝贵的制作经验；近年来，国内随着卫星通讯及卫星电视产业的发展，抛物面天线的制作技术发展很快，比如深圳华达玻璃钢公司引进美国的技术，制造的碟型天线,形状精度完全能满足太阳能发电的要求。中科院电工所则利用玻璃钢质抛物面聚焦碟表面粘贴镀铝反光膜，当张口直径为1．8米、焦径比0．39时，焦斑直径约40毫米，斑点温度达1300℃，为进一步研制轻质、廉价的聚焦碟作了有效的探索。
3．钠热管吸热器
: |9 Z! O2 C0 [0 E* Y钠热管吸热器很大程度上可以借鉴太阳能／斯特林系统已有的研究成果，据1993年的报告，德国工程热力学研究所为V-160斯特林发动机研制的和直径7．5米碟型聚能器配合使用的钠热管吸热器，经历了两代的演进。第一代样机，在钠蒸汽温度为700t时，工作60个循环，累计190小时，当蒸汽温度达780℃时，热管传输的最大热功率为33千瓦。经改进后的第二代样机，吸收表面的最高温度达900C，在西班牙的PSA现场试验，已运行了730小时.在斯特林发动机系统中，钠蒸汽携带的热量必须传给高压的氦气，在碱金属热电转换器的场合，因为钠蒸汽兼作热电转换的工质，钠热管吸热器的设计可以简化，国内工业用高钠热管的研制已有较多的成果积累，可作为借鉴。
5 r# \4 D( n) |4．贮能装置
可以根据技术经济评价，把热贮能和电力贮能结合起来考虑。因为点聚焦直接发电是单元型的发电系统，因此热贮能可以是分单元配置也可以集中配置。
特别要提到，像钠硫电池和超级电容器这类新型电力贮能器件在太阳能发电系统中的应用正受到极大的关注，将成为新的发展方向。
另外，还可考虑用燃料油作为夜间或阴雨天无日照时的热源，用燃烧热维持发电系统工作，这将有利于降低系统的成本。
- G- |% m: Q. [0 X: Y! M# k和光伏系统类似，太阳热发电系统的并网运行也是降低系统成本的可取途径。我们对电功率10千瓦的点聚焦太阳热直接发电装置技术经济指标所作的初步估计表明，系统净效率可达24％，到2010年每千瓦的成本不超过人民币20000元，同光伏发电相比具有显然的竞争能力。
从以上叙述可知，点聚焦太阳热直接发电系统，能够高效率利用太阳辐射这一洁净能源，在技术经济指标上可以与光伏系统匹敌，适合我国太阳资源分布不平衡，偏远地区日照资源丰富、却缺乏其他能源的情况，建成电功率2千瓦试验装置为目标，2000年开展关键技术的研究，研究内容如下。
! P7 N( ]; J- H8 @. P( ?（1）高效碟形集能器及其跟踪控制技术
" E* u( B1 c$ ?: @（2）高效钠热管吸热器
0 F* g. K* F. Z. j: d/ l# w（3）碱金属热电转换发电组件的优化设计及工作可靠性
（4）新型热贮能和电力贮能技术及其组合方式的研究
（5）点聚焦太阳热直接发电系统技术经济分析