太陽能與生物質直燃互補發電技術探討

摘要：闡述了單純的生物質直燃發電及單純的太陽能熱發電技術及其所存在的劣勢與弊端；借鑒目前已經采用的太陽能與燃煤機組混合發電系統的集成方式，提出生物質直燃發電與太陽能集成混合發電技術方案。

關鍵詞：生物質直燃發電 太陽能熱發電 互補 系統集成

1 生物質直燃發電技術

生物質能是僅次于煤、石油和天然氣而居于世界能源總量第四位的能源，生物質發電是利用生物質所具有的生物質能進行的發電，是可再生能源發電的一種，包括農林廢棄物直接燃燒發電、農林廢棄物氣化發電、垃圾焚燒發電、垃圾填埋氣發電、沼氣發電[1-2]。目前，我國可開發的生物質能資源總量約相當于5億噸標準煤，可解決目前料，在生物質鍋爐中產生一定參數的蒸汽，輸送至能源消費量的20%以上。同時，每年可減少二氧化碳排放量近3.5億噸，減少二氧化硫、氮氧化物、煙塵排放量近2500萬噸[3]。生物質直接燃燒發電是由生物質鍋爐利用生物質直接燃燒后的熱能產生蒸汽，推動汽輪機發電系統發電。燃燒發電系統主要由煙氣處理系統、熱利用系統、燃燒系統、給料系統、存儲系統、預處理系統和生物質原料收集系統構成。其燃燒發電流程如圖1所示。生物質燃燒電廠的流程及分類：

①流程。每個生物質原料收集點將收集的生物原料送到電站進行預處理，經預處理的生物質通過燃燒油原料輸送裝置輸送至鍋爐內充分燃燒后產生熱能，鍋爐給水經鍋爐換熱轉化成用于汽輪機發電機組發電的蒸汽。

②分類。a層燃方式。燃燒較干燥且裝有空氣預熱器的系統可采用順流燃燒，燃料與煙氣流動同向；燃料含水量較大時可采用逆流燃燒，燃燒與煙氣流動反向。b流化床方式。流化床是一項基于氣固流態化的生物質燃燒技術。它對燃料的要求不高，這項燃燒技術可以降低尾氣中氮與硫的氧化物等有害氣體含量，清潔燃燒。c懸浮燃燒方式。生物質被粉碎至細粉后與空氣混合噴入燃燒室內懸浮燃燒。該燃燒方式對生物質燃料的要求較嚴格，宜采用含水率小于15%、顆粒直徑在2mm以內的生物質燃料。

2 太陽能熱發電

據統計，每年我國陸地接受的太陽能輻射量相當于6萬多個三峽工程的發電量，相當于2.4萬億噸標準煤，開發利用的潛力非常廣闊，根據各地接收太陽輻射總量多少，可將全國劃分為5類地區，如表1所示[4]。

太陽能轉化為電能有兩種主要途徑，一是通過光電裝置將太陽能直接轉化為電能；另一種是收集太陽能輻射能轉化成電能。下面主要介紹太陽能熱發電技術。太陽能熱發電通常叫做聚光式太陽能發電，它們是通過聚集太陽輻射獲得熱能，將熱能轉化成高溫蒸汽驅動蒸汽輪機來發電的。當前太陽能熱發電按照太陽能采集方式可劃分為：

①太陽能槽式發電。②太陽能塔式熱發電。③太陽能碟式熱發電。表2中可以看出：拋物面槽式技術相對成熟、目前應用最廣泛，集熱塔式發電技術的效率提升與成本下降潛力巨大，拋物面碟式發電系統效率最高、便于模塊化部署。

3 生物質直燃與太陽能熱發電互補

生物質直燃技術與太陽能熱發電技術優缺點都很明顯，利用互補性原理，將構建聯合發電系統，使兩種清潔可再生能源發電系統轉化為穩定可靠發電系統。太陽能與生物質直燃集成互補發電系統大體可以分為三個子系統，即汽輪機發電系統、太陽能集熱轉化系統、生物質直燃鍋爐系統。在得不到太陽能輻射或輻射較微弱時，必須將太陽能集熱吸收轉化系統的供水管路切斷，使另外兩個子系統聯合運行。太陽能與生物質直燃集成時，不同方案的選取需要考慮參數匹配，選取合適的機組容量。太陽能集熱系統相當于部分鍋爐受熱面，而且能取代各抽汽加熱循環工質，基于集熱系統不同的引入位置，可以分為以下幾種情況。

3.1 鍋爐受熱面引入 因為集熱器性能限制，太陽能集熱系統可能無法將工質加熱至鍋爐出口過熱蒸汽的參數，此時可以將工質由高加引出一部分加熱至汽包壓力下的飽和蒸汽再引入至汽包，如圖2。由于投入部分太陽能熱量，生物質燃料消耗量減小，煙氣量也會相應減小，煙氣量小于某一值時，會影響鍋爐各受熱面的換熱，出現過熱器吸熱不足現象，因此在設計時要計算太陽能最高能投入的熱量。3.2 加熱器水側引入 循環工質從加熱器入口引出送入集熱系統，吸收太陽能輻射熱量，達到該級加熱器出口溫度后引回至生物質直燃熱力系統，如圖3。3.3 加熱器汽側引入 基于循環工質引出位置的考量，可采用圖4所示的兩種引出方式：①從凝結水泵出口引出；②從給水泵引出。第①中引出方式可取代任意一段抽汽，第②種引出方式必須選用減少1，2段抽汽。

綜合以上幾種選取最恰當的太陽能集熱系統和生物質直燃熱力系統集成方案。

4 未來需要解決問題

①太陽能分布區域較為集中，生物質能源分布相對分散，數據收集與整理耗時較長。②生物質直燃發電系統和太陽能熱發電系統的技術參數有待深入研究，但就現階段的技術水平來說，還沒有聯合循環發電實例電廠正式運營，系統設計有待進一步研究。③生物質的存儲與輸送問題，就現階段的儲運技術設備而言，生物質的存儲與輸送成本較高，壓縮過程能耗大，系統運行成本頗高。

5 結論

生物質直燃發電系統既清潔又高效，太陽能的開發利用也是未來能源領域的新趨勢。雖然在技術、政策和管理方面仍有很多問題有待解決，但它符合可持續發展的要求，對該系統深入研究具有重大意義。

參考文獻：

[1]方源.太陽能發電在我國的應用[J].科學論壇，2008，356.

[2]魯華永，袁越，陳志飛等.太陽能發電技術探討[J].江蘇電機工程，2008，27（1），81-84.

[3]吳靜.以太陽能為輔助熱源的混合發電方式研究[M].北京：華北電力大學，2009.

[4]李洪梅，楊超玉，孟令杰，孫日亮，李大驥.太陽能和生物質能聯合熱發電技術研究[J].能源研究與利用，2010（06）.

作者簡介：劉慧娟（1982-），女，山西大同人，2005年畢業于太原電力高等?？茖W校工業電氣自動化專業，助理工程師，從事電氣設計工作。