（北京电力建设公司 北京 100024）
摘要：太阳能光热发电是指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。
关键词：太阳能利用技术；光热发电
０引言
太阳能热电系统，不耗用化石能源，无污染物排放，是与生态环境和谐的清洁能源利用系统。此次中科院电工研究所的八达岭太阳能热发电实验电站采用的正是塔式系统，它利用众多的定日镜，将太阳的直射辐射光反射并积聚到高塔顶部的接收器中，加热工作介质通过传热、换热产生过热蒸汽，驱动蒸汽轮机发电机组发电，将太阳能转化为电能。开发和利用太阳能对中国经济社会走可持续发展之路和保护生态环境以及解决偏远地区无电人口和某些特殊用途都具有重大的战略意义。
1工程概况
1．1项目的建设地点
建设地点在北京市延庆县八达岭镇大垺坨村。
1．2主要建设内容和规模
1.2.1 主要建设内容
太阳能热发电实验电站包括：太阳能聚光系统、吸/换热系统、蓄热系统和发电系统四大部分。
太阳能聚光系统：在 208 亩镜场农业综合开发用地上，安装 100 台的定日镜。
吸/换热系统：建 1 座 100m 高的太阳能吸收塔及其工艺辅助设施。
蓄热系统：建1套水蓄热器和2套油蓄热器。
发电系统：包括热机系统、化学水处理系统、电厂配电系统、DCS 控制系统、供水排水系统等全部设施。
1.2.2 规模容量：1500kW
2太阳能资源和气象条件
2．1太阳能的优缺点
2．1．1．太阳能的优点
1）普遍：阳光普照大地，处处都有太阳能，可以就地利用，具有很大的优越性。
2）无害：没有废渣、废料、废水、废气排出，没有噪音，不产生对人体有害的物质，因而不会污染环境，没有公害。
3）长久：只要存在太阳，就有太阳辐射能。
4）巨大：太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量。太阳每秒钟照射到地球上的能量相当于 500 万吨煤，一年就有 130 万亿吨煤的热量，大约为全世界目前一年耗能的一万多倍。
2．1．2．太阳能的缺点
1）能量密度低，晴朗白昼的正午，在垂直于太阳光方向的地面，1m2 面积接受的太阳能，平均只有 1kW 左右。作为一种能源，这样的能量密度是很低的。因此在实际利用时，往往需要一套面积相当大的太阳能收集设备，这就使得设备占地面积大、用料多、结构复杂、成本高、影响了推广使用。
2）随机性：到达某一地面的太阳直接辐射能，由于受气候、季节等因素的影响，是极不稳定的。这就给大规模的利用增加了不少困难。
3）间歇性：到达地面的太阳直接辐射能，随昼夜的交替而变化。这就使大多数太阳能设备在夜间无法工作。
2．2北京地区日照百分率
日照百分率指同一地区同一时间内实际日照时数与天文日照时数之比，百分率愈大，说明晴朗天气愈多。北京地区日照比较充足，一般月份的日照百分率在60%以上，只有 7、8 月在 50%～60%之间。延庆盆地的日照百分率为全市最大。
2．3气象条件
延庆属大陆性季风气候，风能、太阳能资源相对丰富，具有发展风能、太阳能的优势，年均风速在 3.5m/s，太阳辐射强，均为北京高值区。
3 系统介绍
3．1专业设计特点
本项目是国内首个 MW 级太阳能塔式热发电技术应用项目，为国家"863"科技立项项目，是新技术研发、应用及试验项目，国内没有先例。
3．2．定日镜的功能和镜场的设计
3．2．1．定日镜的功能
定日镜的作用是收集太阳辐射能并将其汇聚到吸热器处，它由按一定方式排列的可绕双轴跟踪的定日镜组成，每个定日镜通过绕轴转动跟踪太阳并将辐 射到其表面的太阳能反射到太阳能吸收塔塔顶的吸热器。
3．2．2．镜场的设计
208亩镜场农业综合开发用地的设计目标是在减少土地使用面积的前提下提高定日镜光学效率。因此既要考虑到定日镜的光学效率还要考虑土地资源的利用。影响定日镜光学效率的主要因素是入射角余弦、大气衰减、吸热器接收因子（溢出效率）、阴影挡光因子、镜面反射率。
在不考虑天气条件下，入射角余弦和大气衰减主要由定日镜地理位置决定，地理纬度、吸热器相对地面高度和定日镜位置确定后，入射角余弦和大气衰减效率可随之确定。吸热器的接收因子是指由定日镜会聚而来的光被吸热器接收的部分所占总会聚光能的比例，它由定日镜的面形（球面/平面）、定日镜面形误差和跟踪误差、定日镜与吸热器间距离决定。定日镜与吸热器间距离增大，太阳发散角的影响增大，光斑也增大。阴影和挡光主要由吸热器距离地面高度、定日镜尺寸、定日镜间距决定，优化定日镜间距可使阴影和挡光适当减小。在定日镜的设计中采用了光线追迹的方法，并假设每根光线携带的能量相等。
在208 亩镜场农业综合开发用地设计中，考虑到经济性，须使定日镜的占地面积尽量小，即定日镜要布置的密集。为了充分利用土地资源，要求定日镜对地面的遮阳对农作物的生长无影响，这几个条件是相互制约的，例如，密集的布置定日镜会增大定日镜间的阴影和挡光，降低 208 亩镜场农业综合开发用地效率，也会使地面遮阳情况变得严重，在 208 亩镜场农业综合开发用地设计中，需要找到一个优化点，使得这三个要求（即定日镜效率高、占地面积小、遮阳情况不影响地面作物生长）得以相互协调。
3．3主要设备选型
3．3．1．吸热器
本吸热器型式为中温中压过热型吸热器。
主要技术参数
额定蒸发量： 8.4t/h
额定蒸汽压力： 2.9MPa
3．3．2．汽轮机
型式：中温中压、单轴单缸、凝汽式冲动式汽轮机
主要技术参数
额定功率： 1500kW
主汽门前主蒸汽额定压力： 2.35 MPa
主蒸汽额定流量： 8.4t/h
额定转速： 6000 r/min
3．3．3．发电机
主要技术参数
额定功率： 1500kW
额定电压： 10.5kV
功率因数： 0.8
3．3．4．蓄热器
1）水蓄热器蓄热器容量： 90m3
2）油蓄热器
蓄热器容量： 2X10m3
3．4热力系统简述
太阳能热发电采用光——热——电转化的工艺路线，即先将太阳能转化为热能，再将热能转化为电能。
能量转换过程为：太阳能 ® 热 能 ® 机械能® 电能
太阳能热发电系统主要由聚光系统，吸/换热系统，储热系统和发电系统四部分组成。从转换过程来分析热效率，其主要取决于集热效率，热交换效率，散热损失和朗肯循环热效率，其中集热效率和朗肯循环热效率占主导因素。目前同等规模的集热型太阳能热电装置最终热电转换效率达 15%以上。
3．5蓄热系统简述
由于气象原因，太阳投入地面的辐射能具有不确定性，经聚光设备聚集的太阳辐射具有非连续、非稳态的特点，而目前采用的汽轮机发电系统要求较为稳定的蒸汽输入参数，为了解决这种输入输出参数间的矛盾，太阳能塔式热发电系统需采用蓄热系统。
在太阳能不足时段，经聚光设备聚集的太阳能无法用于直接产生蒸汽，可直接存入蓄热系统加以利用；在太阳能丰富时段，可以将多余的太阳能存储用于夜间发电，提高太阳能在能量利用中的份额，进而提高系统效率和经济性。蓄热系统对非连续太阳能输入的平抑作用确保了发电系统的安全性。蓄热系统是太阳能塔式发电站的关键子系统之一，也是区别于传统化石燃料发电的重要特征。本项目蓄热器热容量按 1h 计。
3．6 DCS 控制系统
本实验电站设一个集中控制室，机组热工自动化控制系统、定日镜和镜场自动化控制系统的操作员站均设在该控制室，采用集中控制的方式。
设置完整和充分的热工检测、自动调节、控制、联锁、保护及热工信号报警 装置。其自动化水平将使试验人员在集中控制室内，通过 LCD 和键盘（鼠标）能够完成热电试验设备的正常运行的全部操作和各系统在事故状态时的有关操作。可以对各系统及主辅设备进行控制、监视和调整，对各系统异常工况、事故工况及时报警和进行事故记录，对有关参数进行数据处理。
4本项目的技术创新点
本项目将建成具有我国自主知识产权的 MW 级塔式太阳能热发电实验电站，使我国具备整个电站的设计、全套设备生产及安装调试能力。
作为一项新兴产业，它还可以带动一些相关产业的进步：如超薄、超白、耐老化镀银玻璃反射镜——带动制镜业和玻璃制造业；高精度、低成本、可在沙漠极端情况下稳定工作的自动跟踪系统——可带动传动系统制造业和电子模块控制行业的发展。
5对该系统改进的一些建议
本项目调试过程中发现如下问题
a）吸热器存在一部分不必要的热量流失，经过各方研究决定在吸热器顶部和吸收塔开口接触部位加装一排300mm高的当流装置，减少热量的损失，如下图。
c）在实验过程中发现随着汽机转速的变动，主蒸汽存在带水现象。经过各方论证存在以下两方面因素①主蒸汽管道较长，100m左右，而且有登塔弯现象②主蒸汽管道串接设备较多，例如蓄热器、充放热装置、辅助锅炉。经研究决定在主蒸汽主管道和相关管道可能存水处加装排污点，这样就解决了主蒸汽带水现象，这一改进在以后的实验中得到了验证。
6结论
综上所述，随着本项目的调试完成，将产生巨大社会效益和经济效益，为中国太阳能利用开辟新天地。这标志着我国自主设计研发太阳能光热发电在应用水平上又有了进一步的提高，它也为太阳能光热发电的应用拓宽了范围。
参考文献：
[1]《电力建设施工技术规范》
[2]八达岭项目可研报告
作者简介：
陈宇、男、1972年8月、大专、助理工程师、北京电力建设公司、邮箱：chenyu1972@qq.com
论文作者:陈宇
论文发表刊物:《电力设备》2017年第22期
论文发表时间:2017/12/11
标签：定日论文; 太阳能论文; 蓄热论文; 系统论文; 蒸汽论文; 太阳论文; 辐射能论文; 《电力设备》2017年第22期论文;