摘要：太阳能热发电是可再生的清洁能源，在能源领域越来越受到投资者的青睐。塔式光热发电作为最具发展前景的光热发电形式之一，逐步成为光热发电研发和投资开发的重点，但目前主要是具有一次反射装置的系统，吸热器位于高空，传热介质通过管道将能量输送到地面，过程中热能损失较大，本文从镜场光学效率、吸热器效率、管道效率等方面阐述了吸热器位于地面，太阳光经过两次反射到达地面吸热器的二次反射塔式光热发电系统，是一种具有广阔发展前景的光热发电形式。
关键词：二次反射光热发电塔式发展前景
1.引言
太阳能作为一种可再生的清洁能源，在能源环境领域越来越受到重视，太阳能发电已经成为太阳能大规模利用的主要方式。在未来的可再生能源利用中，太阳能热发电作为一种太阳能利用技术具有广阔的发展前景。
太阳能热发电的原理是先将太阳能转化为热能，再将热能转化为电能的发电技术，但由于太阳能的密度较低，温度通常情况下低于100℃，需要较大的采光集热面通过聚光改变光线传播方向，使光线聚焦以提高能量密度，
才能满足发电要求。聚光器作为光热发电系统中将太阳能进行聚集以增加能量密度的装置，对聚光太阳能热发电的效率起着十分重要的作用，通过聚光器将低密度的太阳能聚焦后转换成高密度的太阳能，再经传热介质将太阳能转化为热能，然后通过热力循环做功实现由热能到电能的转换。由于太阳辐射不稳定，受昼夜、季节、地理位置和气候条件的影响波动较大，造成光热发电系统效率低而成本高。目前利用太阳能进行聚光热发电的形式主要有槽式、塔式、碟式、菲涅尔式等，几种发电方式
并存并各自进行发展，但投入商业化运营的光热发电技术主要是塔式和槽式光热发电。理论上塔式效率可以达到23％，但由于单位容量投资大，商业化程度不及槽式太阳能发电[1]，随着科学技术的不断进步和产品的日趋成熟，投资成本也会不断降低，会成为今后一段时期光热发电重点研发和利用形式。
2.一次聚光塔式光热发电及其缺点
目前塔式光热发电系统对于太阳光的聚集和反射多采用一次反射，即通过镜场将太阳辐射聚集到距离地面一定高度的吸热器上，吸热器直接接受地面镜场反射的太阳辐射，吸热器中的传热介质(熔融岩)获得高温热能，获取热量的传热介质通过管道将输送到热能地面储热罐，储热罐中的高温传热介质再通过管道输送到蒸汽发生器产生蒸汽推动汽轮机发电。这一系统中，镜场中的各定日镜对于中心吸热塔有着不同的朝向和距离，对每个定日镜的跟踪都要进行单独的二维控制，且各定日镜的控制各不相同，极大增加了控制系统的复杂性和安装调试的难度[1—3]。
吸热器是塔式热发电将太阳能转化为热能的核心部件，采用熔融盐作为传热介质，可实现连续、稳定大规模发电。但连续在非稳态的高温环境下工作，使得吸热器很容易被腐蚀发生过热故障，直接影响电站的正常运行[4—6]。太阳辐射从定日镜反射面接受并反射到吸热器的过程中，主要存在余弦损失、阴影和阻挡损失、大气衰减损失和截断损失。在这些损失中，余弦损失、大气衰减损失和吸热器的截断损失与定日镜所在的坐标位置有关，阴影和阻挡损失主要发生在相邻定日镜之间。同时，吸热器的效率与吸热器表面反射损失、吸热器的散热损失有关，太阳光线入射到吸热器表面时，有一部分光线由于反射而损失，这部分损失与吸热表面涂层材料性质有关；吸热器的散热损失形式有对流散热损失、辐射散热损失和导热散热损失。
采用该种方式布置的吸热器，由于距离地面的高度往往在100m以上，随着高度增加风速也是不断增大，在吸热器附近风速肯定大于地面，吸热器外表面对流热损较大，热量损失较大；吸热器高空布置，管道较长，热量从吸热器到地面进行管道输送，存在热量损失，热效率较低，同时需配置高扬程循环泵、建设吸热器基础及塔体，设备购置成本、建设成本增加，运行期场用电量也随之增加；吸热器施工安装和后期运维难度及安全风险较大，运行维护费用加大，电站建成后的运行期间的经济性相对降低。这些都成为制约一次反射塔式太阳能热发电大规模发展的因素。
3.二次反射聚光
由于吸热器是塔式光热发电系统的核心设备[5—8]，在一次反射系统中吸热器位于100m以上的高空，建筑成本、运行维护成本较高，同时运行过程中也存在较高的安全风险，为了弥补这些不足，于是便出现了二次反射系统的设计。二次反射是在一次聚光系统的焦点处安装所需的光学元件，用以改变一次系统汇聚后光线的传播方向，将光线反射到地面吸热器。最主要的不同在于吸热器位于地面，塔架上布置二次反射装置，即通过在高空塔架上布置二次反射装置，将太阳光经定日镜反射到二次反射装置，再经二次反射装置聚焦位于地面的吸热器上[9—10]。这一系统中，光线传播距离较一次反射系统增加，但输热管道的距离却缩短，两个系统的能量传递方式不同，能量损失也有别。
塔式光热发电的光电转换效率决定于镜场年均光学效率、镜场年均运行效率、吸热器效率、储热器系统效率、管道效率、蒸汽换热效率、汽轮发电机组效率等因素，其中镜场光学效率由镜面效率、余弦损失、阴影和阻挡损失、大气衰减、截断因子等因素有关。二次反射系统相对于一次反射系统而言，镜场年均光学效率相对略微降低，吸热器效率及管道效率显著增加，其它因素变化不大，在此忽略。
3.1镜场光学效率
在镜场光学效率中，尽管一次聚光镜和二次反射镜都具有很高的反射率，但根据文献[11],仍有4%～5%光线被镜面直接吸，这一损失也几乎是无法避免的。在清洁状态下，镜面反射率可达93%。由于镜面是暴露在大气环境中，灰尘、湿度等都会使镜面反射率降低，这部分损失称为镜面损失。镜面损失与项目建设地点的环境因素及镜面清洗频率相关，镜面效率为镜面清洁度与镜面反射率的乘积。
太阳光反射到既定目标上，镜面不能总与入射光线保持垂直，与法线之间会形成一定的夹角。余弦损失就是由于这种倾斜所导致的镜面面积相对于太阳光可见面积的减少而产生的，余弦效率是太阳入射角的余弦值，太阳的入射角越小，则反射到镜面上的有效面积越大，余弦效率就会越高。反之，太阳的入射角越大，则反射到镜面上的有效面积越小，余弦效率就会越低。余弦效率的大小与镜面法线方向和太阳入射光线之间夹角的余弦成正比，因此，镜面要尽可能的布置在余弦效率较高的区域。二次反射系统中，二次反射的镜面面积相对于一次反射的镜面定日镜而言要小得多，因此，仅仅由于二次反射镜面面积增加引起的镜面损失、余弦损失是很小的。
大气衰减损失是太阳辐射能因在大气传播过程中的衰减所导致的能量损失。光线由镜面反射后到达接收面之前在大气中传输的过程中，由于当地空气或者沙尘的反射、吸收、散射等干扰作用，未能顺利到达吸热器表面。衰减的程度与太阳位置、当地海拔高度、以及大气条件（灰尘、湿度、二氧化碳含量等）所导致的吸收率变化有关，镜面距吸热器越远，衰减损失越大，相对于一次反射而言，二次反射系统由于光线传播距离的增加，大气衰减损失是增加的，但根据文献[11]的计算，一次反射中镜场的大气衰减损失率6%以内，二次反射由于路径短、镜面面积小，大气衰减损失率更小，经过两次反射的大气衰减损失率应该在7%。
阴影和阻挡损失、截断因子损失增加二次反射系统前后变化不大，可以忽略。
3.2吸热器效率
二次反射系统中吸热器布置于地面，地面风速相对于高空减小，这样不仅可以减小吸热器在高空强风作用下的对流损失和散热损失，提高热效率，同时根据文献[11]吸热塔的建筑、设备及安装工程费占整个电站投资的6%左右，吸热器布置于地面，不仅降低了工程建设费用，又便于系统及设备的安装、运行和维护，运行维护费用也较一次反射系统较低，项目建成后的经济效益显著增加。
3.3管道效率
由于二次反射聚光系统的存在，取消了地面到塔顶吸热器之间的管道，同时避免高扬程熔盐循环泵，设备投资降低较之前减少，运行后减小场用电耗也随之减少。更为重要的是系统获得了传热介质从塔顶到塔底传输时热损失，整个电站管道路径的缩短，大大提高了热能的传输效率，管道效率达到99%[11]以上，减少整体能量损失并易于关键设备的维护和修理。
4.结语
对塔式光热发电的聚光系统，中心塔建造费用比较高，传热介质从塔顶到塔底传输时热损失严重，采用二次反射技术以光传输代替热传输，减少整体能量损失并易于关键设备的维护和修理。利用太阳能热发电二次反射技术，可以大大提高能量的传输效率，优化的系统布置方式，可使得集热器在地面开口朝上布置，增加集热介质的选择及系统的布置等的灵活性[12—15]，也可以使用低损耗光纤等将高倍的太阳能远距离传输并加以利用[12]，但采用二次反射技术，会增加系统的复杂性和系统加工及安装的精度[14，15]。随着科技的进步，光学器件及聚光跟踪的加工和安装工艺技术的进步，二次反射技术又受到越来越多研究者的关注，二次反射技术在未来塔式光热发电系统中会得到广泛的应用。
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项目支持：甘肃广播电视大学2014年度重点科研项目（2014-ZD-01）。
作者：中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司 郝军 王晨华 王璟 潘忠涛 王新友
