1.引言

太陽(yáng)能作為一種可再生的清潔能源，在能源環(huán)境領(lǐng)域越來(lái)越受到重視，太陽(yáng)能發(fā)電已經(jīng)成為太陽(yáng)能大規(guī)模利用的主要方式。在未來(lái)的可再生能源利用中，太陽(yáng)能熱發(fā)電作為一種太陽(yáng)能利用技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景。

太陽(yáng)能熱發(fā)電的原理是先將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能，再將熱能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電技術(shù)，但由于太陽(yáng)能的密度較低，溫度通常情況下低于100℃，需要較大的采光集熱面通過(guò)聚光改變光線傳播方向，使光線聚焦以提高能量密度，才能滿足發(fā)電要求。聚光器作為光熱發(fā)電系統(tǒng)中將太陽(yáng)能進(jìn)行聚集以增加能量密度的裝置，對(duì)聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電的效率起著十分重要的作用，通過(guò)聚光器將低密度的太陽(yáng)能聚焦后轉(zhuǎn)換成高密度的太陽(yáng)能，再經(jīng)傳熱介質(zhì)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能，然后通過(guò)熱力循環(huán)做功實(shí)現(xiàn)由熱能到電能的轉(zhuǎn)換。由于太陽(yáng)輻射不穩(wěn)定，受晝夜、季節(jié)、地理位置和氣候條件的影響波動(dòng)較大，造成光熱發(fā)電系統(tǒng)效率低而成本高。目前利用太陽(yáng)能進(jìn)行聚光熱發(fā)電的形式主要有槽式、塔式、碟式、菲涅爾式等，幾種發(fā)電方式并存并各自進(jìn)行發(fā)展，但投入商業(yè)化運(yùn)營(yíng)的光熱發(fā)電技術(shù)主要是塔式和槽式光熱發(fā)電。理論上塔式效率可以達(dá)到23％，但由于單位容量投資大，商業(yè)化程度不及槽式太陽(yáng)能發(fā)電[1]，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和產(chǎn)品的日趨成熟，投資成本也會(huì)不斷降低，會(huì)成為今后一段時(shí)期光熱發(fā)電重點(diǎn)研發(fā)和利用形式。

2.一次聚光塔式光熱發(fā)電及其缺點(diǎn)

目前塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)對(duì)于太陽(yáng)光的聚集和反射多采用一次反射，即通過(guò)鏡場(chǎng)將太陽(yáng)輻射聚集到距離地面一定高度的吸熱器上，吸熱器直接接受地面鏡場(chǎng)反射的太陽(yáng)輻射，吸熱器中的傳熱介質(zhì)(熔融巖)獲得高溫?zé)崮?，獲取熱量的傳熱介質(zhì)通過(guò)管道將輸送到熱能地面儲(chǔ)熱罐，儲(chǔ)熱罐中的高溫傳熱介質(zhì)再通過(guò)管道輸送到蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。這一系統(tǒng)中，鏡場(chǎng)中的各定日鏡對(duì)于中心吸熱塔有著不同的朝向和距離，對(duì)每個(gè)定日鏡的跟蹤都要進(jìn)行單獨(dú)的二維控制，且各定日鏡的控制各不相同，極大增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性和安裝調(diào)試的難度[1—3]。

采用該種方式布置的吸熱器，由于距離地面的高度往往在100m以上，隨著高度增加風(fēng)速也是不斷增大，在吸熱器附近風(fēng)速肯定大于地面，吸熱器外表面對(duì)流熱損較大，熱量損失較大；吸熱器高空布置，管道較長(zhǎng)，熱量從吸熱器到地面進(jìn)行管道輸送，存在熱量損失，熱效率較低，同時(shí)需配置高揚(yáng)程循環(huán)泵、建設(shè)吸熱器基礎(chǔ)及塔體，設(shè)備購(gòu)置成本、建設(shè)成本增加，運(yùn)行期場(chǎng)用電量也隨之增加；吸熱器施工安裝和后期運(yùn)維難度及安全風(fēng)險(xiǎn)較大，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用加大，電站建成后的運(yùn)行期間的經(jīng)濟(jì)性相對(duì)降低。這些都成為制約一次反射塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電大規(guī)模發(fā)展的因素。

由于吸熱器是塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)的核心設(shè)備[5—8]，在一次反射系統(tǒng)中吸熱器位于100m以上的高空，建筑成本、運(yùn)行維護(hù)成本較高，同時(shí)運(yùn)行過(guò)程中也存在較高的安全風(fēng)險(xiǎn)，為了彌補(bǔ)這些不足，于是便出現(xiàn)了二次反射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。二次反射是在一次聚光系統(tǒng)的焦點(diǎn)處安裝所需的光學(xué)元件，用以改變一次系統(tǒng)匯聚后光線的傳播方向，將光線反射到地面吸熱器。最主要的不同在于吸熱器位于地面，塔架上布置二次反射裝置，即通過(guò)在高空塔架上布置二次反射裝置，將太陽(yáng)光經(jīng)定日鏡反射到二次反射裝置，再經(jīng)二次反射裝置聚焦位于地面的吸熱器上[9—10]。這一系統(tǒng)中，光線傳播距離較一次反射系統(tǒng)增加，但輸熱管道的距離卻縮短，兩個(gè)系統(tǒng)的能量傳遞方式不同，能量損失也有別。

塔式光熱發(fā)電的光電轉(zhuǎn)換效率決定于鏡場(chǎng)年均光學(xué)效率、鏡場(chǎng)年均運(yùn)行效率、吸熱器效率、儲(chǔ)熱器系統(tǒng)效率、管道效率、蒸汽換熱效率、汽輪發(fā)電機(jī)組效率等因素，其中鏡場(chǎng)光學(xué)效率由鏡面效率、余弦損失、陰影和阻擋損失、大氣衰減、截?cái)嘁蜃拥纫蛩赜嘘P(guān)。二次反射系統(tǒng)相對(duì)于一次反射系統(tǒng)而言，鏡場(chǎng)年均光學(xué)效率相對(duì)略微降低，吸熱器效率及管道效率顯著增加，其它因素變化不大，在此忽略。