槽式太阳能光热发电系统研究及应用

截至 2025 年 7 月，中国发电结构以清洁能源为主，水电、风电、太阳能、核电发电量占全国总发电量的 36.81% ，其中太阳能和风能发电增速显著，成为电力增长主力。2024 年全国太阳能发电装机容量达 8.87 亿千瓦，到 2025年 3 月已达到惊人的 9.46 亿千瓦同比增长 45.2% ，2024 年发电量 8390 亿千瓦时，增速 43.6% 。光伏发电累计装机规模突破 10 亿千瓦，占全球近一半。2024年全国风电装机容量 5.21 亿千瓦，同比增长 18% ，其中海上风电在福建、江苏​等地形成规模化开发，内蒙古电网上半年新能源发电量居全国第二，风电占比超 35% 。水电装机容量达 4.36 亿千瓦，核电装机容量 0.61 亿千瓦，水电发电量占全国总发电量的 19.8% ，核电占 3.1%_⨀( 。从上述统计数据可得，发电结构正发生本质上的变化，清洁能源发电量占比逐年提升，风电、太阳能发电量增速成为电力结构优化的核心驱动力。

槽式抛物面太阳能光热发电可作为一种适宜于大规模并网发电的太阳能转换技术，日益成为国际上的研究和应用热点。我国具有丰富的太阳能资源，广阔的未利用土地，以及较为完善的基础设施等有利条件，适合槽式太阳能光热发电技术的大力推广。

槽式太阳能光热发电技术通过聚光集热器将太阳光聚焦至集热管，加热管内介质产生高温热能，利用线性聚焦的抛物面槽技术，由太阳辐射作为一次能源的中压、朗肯循环蒸汽发电系统，进而驱动蒸汽轮机或热机发电。系统中的太阳能收集器场装有相当数量的太阳能集热器组合单元，每个组合单元由若干槽式抛物面线聚焦集热器组成，装配成 50~96 米长的单元。聚光太阳能集热器由聚光器与接收器组成，成像聚光太阳能集热器通过聚光器将太阳辐射聚焦在接收器上形成焦点（或焦线），由一台计算机分别控制这些聚光器组合单元跟踪太阳，使其全天都能将阳光准确的反射到集热钢管上，以获得高强度太阳能。由抛物线沿轴线旋转形成的面称为旋转抛物面，由抛物线向纵向延伸形成的面称为抛物柱面（槽式抛物面），在工业应用中称槽式聚光镜。在凹面覆上反光层就构成抛物面聚光器。根据光学原理，与抛物镜面轴线平行的光将会聚到焦点上，焦点在镜面的轴线上，见下图（1）。把接收器安装在反射镜的焦点上，当太阳光与镜面轴线平行时，反射的光辐射全部会聚到接收器，见下图（2）

槽式太阳能聚光集热器的结构主要由槽型抛物面反射镜、集热管、跟踪机构组成。反射镜一般由玻璃制造，背面镀银并涂保护层，也可用反光铝板制造反射镜，反射镜安装在反光镜托架上。槽型抛物面反射镜将入射太阳光聚焦到焦点的一条线上，该接收器是长条形的，在该条线上装有接收器的集热钢管，集热管内有吸热管，用来吸收太阳光加热内部的传热液体，一般用不锈钢制作，外有黑色吸热涂层。为了减小热量散发，集热管外层装有玻璃套管，在玻璃套管与吸热管间有空隙并抽真空。集热管通过接收器支架与反射镜固定在一起构成槽式集热器，反光镜托架上有与集热管平行的轴，集热器通该轴安装在集热器支架上，可绕轴旋转。在集热钢管内灌入传热流体，一般由管状的接收器安装在柱状抛物面的焦线上组成。槽式聚光集热器的聚光比范围约 20 度至 80度，通过多个槽形抛物面镜面组合成阵列，通过一维跟踪太阳运动，将阳光聚焦到位于焦线上的集热管内，不断加热集热钢管内填充的液体，最高聚热温度约 300 度至 400 度，然后将加热后的液体输送到动力装置，能量转换是将加热后的工质进入换热器与水交换热量，产生高温高压蒸汽。蒸汽驱动汽轮机旋转，进而带动发电机发电。具体原理图如下图3 所示。

槽式集热器的跟踪方式一般采用东西轴向布置，只需定期调整仰角，机构简单方便但效率较低；也可南北轴向布置，单轴跟踪阳光，需自动跟踪控制系统，效率较高，聚焦比达10-100 倍；调整集热器转轴，转轴方向与地球转轴平行效率更高，如果同时保证集热管与阳光垂直则效率最高，但结构复杂，集热管的管间连接也复杂。

槽式太阳能光热发电系统是一个将太阳能转化为热能再将热能转化为电能的过程。利用聚光镜等聚热器采集的太阳热能，将传热介质加热到几百度的高温，传热介质经过换热器后产生高温蒸汽，从而带动汽轮机产生电能。此处的传热介质多为导热油与熔盐。通常我们将整个的光热发电系统分成四部分 : 集热系统、热传输系统、蓄热与热交换系统、发电系统。其核心关键技术主要有聚光镜片、跟踪驱动装置和线聚焦集热管。国内在这三项技术方面均有所突破，在青海德令哈、内蒙古宏庆德村投资建设的槽式太阳能光热发电站，均取得了不错的发电效果与发电收益。

槽式太阳能光热发电系统有以下四个优点： ① 高效率与规模化，系统采用抛物线槽式聚光镜，聚焦比可达 10-100 倍，集热管内导热油或熔盐被加热至290 C -550℃，热效率可达 94% ，并通过串并联组合可构建大容量电站，实现高效规模化发电。 ② 成本低，维护简单。槽式系统结构简单、安装便捷，多聚光器集热器可同步跟踪，降低跟踪控制成本。采用导热油或熔盐作为工质时，系统运行稳定，维护成本较低。 ③ 结合储能，可持续供电。通过熔盐或导热油储能系统，可实现 8 小时持续发电，突破光照条件限制。 ④ 工业应用潜力大。导热油槽式系统已实现商业化，而直接蒸汽发电（DSG）技术进一步简化流程，取消传热油回路，降低运行成本并提升安全性。工业应用案例显示，该技术可应用于啤酒厂蒸汽供应等场景，实现脱碳生产。

槽式太阳能光热发电系统虽然在发电效率上有一定的优势，但在技术上还存在以下几个不足： ① 输热损失较大。槽式系统依赖管道输送热量，输热管路复杂且存在泵的能耗，导致输热损失和阻力损失较大； ② 结构复杂且占地大。系统结构庞大，在多风沙区域难以稳定运行，且需大面积场地安装； ③ 辐射损失难以控制。吸热器表面无法完全绝热，辐射损失随温度升高而增加； ④ 跟踪系统限制，仅能实现单轴跟踪（如单轴跟踪），余弦效应导致年均约 30% 的光损失。

在太阳能热发电领域中，聚光镜片、跟踪驱动装置、线聚焦集热管是实现槽式太阳能顺利发电的三项核心技术。在我国，大力发展槽式太阳能热发电是当前阶段比较符合国内产业发展的方向。加快真空管的技术研究，特别是玻璃热弯与镀银技术等技术研究，有利于更快、更稳的推动槽式太阳能光热发电系统。

参考文献：

[1]，陈思超，《太阳能光热发电技术》，中国铁道出版社，2018.08

[2]，王志敏，《槽式太阳能光热特性》，中国水利水电出版社，2024-01