太陽能熱動力發電技術原理與應用前景

溫州商學院信息工程學院 李 寧 張思揚

1 引言

伴隨社會經濟的持續發展，生活水平的不斷提升，人類對不可再生資源的需求也在相應日益擴大，自然而然，不可再生資源便會因而逐年減少。所以人類將渴求探索一種取之不盡、用之不竭的新能源，來滿足我們當代社會的發展需求。太陽能顯然就是我們尋求的重要資源之一。太陽能是一種新型能源。在我國分布廣闊且蘊藏豐富。中國目前仍停留在以火力發電為主的粗放型能源開發模式，利用燃燒煤、石油、天然氣等不可再生資源發熱產生電能，效率相對低下。如今太陽能發電是眾多發達國家所著重運用的能源開發手段。與傳統發電模式相比，太陽能發電不僅有效保護了不可再生資源，而且對于我們生活的環境也裨益良多。當前，太陽能發電主要有兩種方法：一是直接將太陽輻射能轉換熱能再轉化為電能，稱為太陽能熱動力發電；二是利用光伏器件將太陽的光能轉換為電能，稱為太陽能光伏器件發電。

2 太陽能熱動力發電技術原理

在傳統的燃料發電廠中，都是以天然氣、石油、煤等燃料發電，推動發電機發電，如圖1黑色加粗的方框所示。太陽能熱動力發電系統由太陽裝置、儲熱槽、汽輪發電機、凝氣器組成，如圖1所示。

圖1 典型太陽能熱動力發電熱力循環系統原理圖

當發電系統運行時，依靠非自身電源供電，啟動電機運行，從而帶動整個發電系統穩定輸出電量（此刻電機處于電動狀態）。穩定之后，在太陽能輻射充足的情況下，供給儲熱槽加熱，儲熱槽加熱變成水蒸氣，經過太陽能裝置系統將太陽輻射從面積上濃縮產生高溫，此時空氣具備了高壓條件，就有了足夠的能量推動汽輪電機發電。從中可以得出的結論是：太陽輻射能越高，轉換為機械能越大，整個發電系統輸出的電量越多。

3 太陽能熱動力系統構成

太陽能熱動力系統基本組成結構有聚光集熱子系統、儲熱子系統、輔助能源子系統、熱動力發電系統。各系統各司其職，合力推動整體良性運轉。

3.1 聚光集熱子系統

太陽能聚光集熱子系統可分集光器、接收器、太陽方向跟蹤器三大件。

（1）聚光器的主要功能是將太陽集中在某一個點上，以提高集熱的效果。例如菲涅爾透鏡，其實菲涅爾透鏡基本原理很簡單，就是把一個塑料玻璃片，切成很多個同心圓的小型圓環（就像大樹的年輪），每一個圓都比外面的圓環小，組合在一起，把光源聚在一個中心點上，從而形成我們的菲涅爾透鏡。只要菲涅爾透鏡足夠大，就蛻化成了我們所需要的聚光器。

（2）接收器是聚光集熱系統的集熱部件。是光熱裝換的最重要部件。它接收聚光器的光，轉換為熱能，進而產生一定程度的高溫高壓氣體來推動電機發電。

（3）太陽方向跟蹤器的含義是：聚光器接收面實時跟蹤太陽位置，主要目的是為了太陽輻射能得到最大程度的利用。在我們日常生活中常用的有兩種跟蹤方法：其一，太陽方向跟蹤器基于太陽位置用天文學計算進行位置追蹤；其二，太陽輻射傳感器利用對太陽方向的判斷實現跟蹤，兩種的跟蹤方法各有千秋，也各有弊端。第一種方法的缺點是存在一定的累計誤差；第二種則是在雨天或是多云的不利條件下，傳感器容易找不到正確的聚光面。通常情況下我們會結合兩種方式進行跟蹤處理。

3.2 儲熱子系統

儲熱子系統是極為關鍵的一部分，在早晚和多云的情況下，電站必須依靠晴天所儲蓄下的熱動力來維持一段時間電機的正常運作，如果在夜間或是多云天氣下熱儲蓄能不夠的話，我們則可以考慮用常規的燃料來輔助熱能。

儲熱子系統的工作方式和太陽能熱能發電站密切相關，經典太陽能熱動力發電站的運行方式為：八點左右太陽能聚光集熱系統開始工作；九點左右啟動汽輪電動機；十點之前集熱裝置一直在儲熱槽加熱；十點到十三點汽輪電動機處于穩定狀態并集熱裝置收集太陽熱量直接供給汽輪電機，汽輪電機持續穩定輸出電能；十三點之后接收太陽輻射和汽輪電機發電量持續下降，十五點起，太陽輻射開始強度衰減，此時儲熱系統開始釋放熱量，提供給汽輪電機正常發電，直到十八點三十分以后停止工作。

3.3 輔助能源子系統

為了能讓太陽能熱動力發電廠持續穩定的輸出電量，保證熱動力發電站汽輪電機長期工作，同樣也是從經濟角度來考慮，我們的熱動力發電站在晚上和多云的天氣下，不僅僅只是儲熱子系統在單獨支撐發電機的運轉，我們同時還在系統中添加普通燃料鍋爐進行加熱，啟動汽輪電機。雙管齊下，配合使用，從而保證電廠的電量24小時穩定輸出，也能更充分利用太陽能資源。

3.4 監控子系統

監控子程序主要用于對太陽輻射和天氣狀況的實時記錄與分析，以保證太陽能熱電廠有效安全的工作。除此之外也對各個系統的熱參數、電參數以及安全報警系統進行全面監控。

3.5 熱動力發電系統

太陽能熱動力發電子系統就是相應的常規能源熱動力發電廠的熱動力發電機組，其汽水系統則完全相同或相近的功能輸出。

4 太陽能熱動力應用前景與發展

據實而論，太陽能發電作為一個朝陽產業，在我國水平還處于初級階段。前路漫漫，但也正好說明太陽能發電在中國具備很大的升值空間，特別是近幾年來大氣污染的日益嚴重，能源不斷減少的式微局面下，太陽能發電也越來越得到大眾的認可。本文接下來將重點從以下幾個方面分析太陽能熱動力的寶貴應用前景。

4.1 我國光熱資源分析

據統計全國太陽輻射年總量和國土陸地總面積分別為3350—8370MJ/M、9597000平方公里，由此足可看出我國太陽資源總量豐富[1]，地域遼闊。另外，從全國輻射總量和地域開發總量方面分析，青海、西藏、新疆、甘肅、寧夏、內蒙古等地比較適合太陽能發電，特別是青藏高原，光照時長世界第二，但同樣一個不得不面對的困境是：我國的太陽能資源分布是十分不均勻的。綜上，我國太陽輻射能資源較好，利于太陽能發展，但因其分布的不平均，又給太陽能開發的本身帶來了一定的現實操作難度。

4.2 太陽能熱發電成本分析

太陽熱發電最大的阻礙是熱發電成本高，效益不明顯，國際能源署(IEA)公布計算可再生能源系統發電成本的計算公式如下：

式中：LCE為太陽能熱發電成本； Kinvest為熱發電站的總投資費用；KOM為全年年運行維護與管理費用； Kfuel為全年燃料費用；Enet為全年年凈發電量 ( 由全年發電量減去全年發電廠用電量得出 ) ；Kd為實際貸款利率；n為電站壽命；kinsurance為年保險費用[3]。

從公式1中可以看出太陽能發電成本與總投資、運行維護與管理費用、燃料費用、全年凈發電量等息息相關。特別是合理規劃熱發電站的初期投資費用，乃是解決熱發電電站成本高企的根本路徑。其次，降低運行維修與管理費用、全年燃料費用也至關重要，力爭實現成本最小化。

據統計，熱發電站與其他類型發電站投資成本費用對比如表1所示[3.4]。

表1 熱發電站與其他類型發電站投資成本費用表

從表1中可以看出，無論是哪種太陽能熱發電類型，其成本都要高于其他類型的發電成本，其中與燃煤發電的對比尤為鮮明。應該說，成本問題在很大程度上制約了熱發電技術的發展，再者就是太陽能熱發電效率取決于太陽輻射的長短與強弱，這也就同時意味著發電狀態的不穩定。另外，當前的太陽能熱發電技術效率相對仍然較低，所以總體而論，全年年凈發電量值（Enet）并不高。

4.3 國內太陽能熱發電相關政策分析

近幾年國家政策對太陽能發電技術支持的力度可謂十足，可以預見的是太陽能熱動力發電日后在我國將獲得較大的發展空間，表2是我國近年來對太陽能熱動力發電部分政策支持。

表2 我國近年來對太陽能熱動力發電部分政策

從表2中可以看出我國政府在制定太陽能熱發電的相關政策中，對涉及到的電標桿上網電價政策、太陽能項目、產品服務指導等都給予了充分的重視。從2015年國家能源局《關于組織太陽能熱發電示范項目建設》的通知中明確提出要組織開展一批太陽能熱發電示范項目建設，到2016年國家發改委《關于建設太陽能熱發電示范項目》的通知中率先確定第一批20個太陽能熱發電示范項目，一年的時間，從組織到建設，有條不紊地推進，從容不迫的實施，這也從側面反映出國家正在一步一步為太陽能熱動力發電的發展邁進新征途，以期為太陽能事業的未來前景奠定堅強的基礎。

4.4 太陽能發電技術項目建設情況與發展

政策的出臺大大推動了太陽能熱電的發展。根據國家可再生能源信息中心從各省上報資料匯總合計，2015年我國已建成實驗示范性太陽能熱發電站（系統）6座，裝機規模為1.388萬千瓦；于此同時，2016年另有一重要政策出臺：能源局下發首批太陽能熱發電示范項目名單，共有20個項目入選，包括9個塔式電站，7個槽式電站和4個菲涅爾電站，總計裝機容量134.9萬千瓦。

近年來，我國太陽能技術發展迅速，經濟效益明顯改善，但是我國太陽能發電技術上的經濟效益、產業基礎和一些發達國家相比，仍存有較大差距。缺乏技術實現資源開發，創新能力和基礎研究能力不強，技術人才不足，開發利用成本比較高等都是我們目前太陽能開發拓展征途上的“攔路虎”，再加上客觀外在生態環境下，太陽能資源在我國分布極不均勻，繼而又引發出市場較小，不能連續工作等連鎖問題。更為嚴重的是：目前我國的太陽能發電市場幾乎沒有自主競爭力，大部分相關企業都需依靠著政府的政策來謀求自身的進一步發展。因此，我國應該加大對高等院校、研究所、職業培養等人才培訓的政策傾斜及資金支持，力爭貢獻出一支有能力、有活力、有擔當的民營企業隊伍，為太陽能熱動力發電輸送高素質人才，以此保證太陽能產業鏈的有序健康發展。長遠來說，太陽能熱動力發電技術在我國的產業鏈還十分的不健全，提出一條健康的發展思路，制定一份符合基本國情的政策方針，明確未來方向和側重點因而更顯刻不容緩。加強太陽能發電技術創新，方能引導太陽能發電走向產業頂峰。

4.5 太陽能熱發電動力系統應用前景分析

以下我將運用SWOT分析法簡單地對太陽能熱發電系統在我國的應用前景做一個大致的羅列：

S：承前文所講，太陽能熱發電在我國的發展仍尚處于起步階段，而我國政府對于太陽能發電的支持力度不可謂不強， 從組織開展示范項目建設到最終20個大項的率先確定，政策上空前的傾斜程度無疑為國內的自主企業鋪陳了一條極為便利，壁壘甚少的拓展之路。

W：客觀外界環境于太陽能發電不利的一點是我國的太陽能資源分布極為不均衡。太陽能資源相對集中于經濟落后的地區，這便給太陽能發電的產業化帶來了不小的難度，市場儲備嚴重不足，同時也給資源的合理配置帶來了極大的難度。

0：當前社會高速發展，不可再生資源的不可逆性也就注定了其損耗的驚人。為了維持生產生活的正常運轉，將資源利用的重心轉向可再生資源也便成了順理成章的事情。更不用提太陽能發電本身的清潔性與傳統發電模式相比，有著天然的優勢，其特性與我們當前所提倡的環境保護，構建生態文明的理念不謀而合，從而也必將在未來贏得社會輿論與公眾的更大認可，并為產業發展贏得巨大的發展潛力。

T：一個不得不面對的殘酷現實是：雖然具備不小的發展空間，我國的太陽能發電產業尚稚嫩如初生的雛鷹。民營企業自主創新能力弱，技術水平低下，發電成本高企，效率不足等都是目前幾乎難以一朝一夕逾越的巨大鴻溝。與西方發達國家相比，我方企業的競爭力是難匹敵，在豐厚的政策紅利庇護下，生存之路依舊舉步維艱。要想改變當前的困境，非單一個體的單一責任，亟待政府、企業、科研機構、社會公眾各方三軍用力。

5 結論

當代社會，不可再生資源日益匱乏，環境破壞嚴重的困局迫使我們進退維谷。因此，我們必須要充分利用起身邊的可再生能源，從而保護我們已然為數不多的不可再生資源，此乃我們當代社會人的責任和擔當。有人說太陽能熱動力發電比光伏發電在原理上更為簡單，實際上則并非如此。太陽能熱動力細節上其實更難，更復雜。從很多角度出發分析，都可以看出目前的太陽能熱動力發電技術還未得到完全的優化與改進，有著很大的不足，困擾著太陽能熱動力發電的發展與進程。但是，有賴于國家的政策扶持和企業自身的創新與探索，我也相信在不久的將來，太陽能技術的開發和其產業鏈的發展必有一個巨大的飛躍，屆時，太陽能發電技術將會實實在在地影響到我們每一個人的生活，太陽能熱動力發電也會在各個領域得到廣泛應用，也就是說，太陽能熱動力發電技術的發展前景無疑是十分可觀的。

[1]余軍勝．太陽能光伏器件技術[D]．電子科技大學出版社,2011．

[2]賈婧．光熱發電,太陽能利用的下一個蛋糕[EB/OL]．https∶//mp．weixin．qq．com/s?_biz=MzA4NzI4MDgyOQ==&mid=2650673399&id x=1&sn=fe565d9ed8dbe3a801c4bbe3efff84ee&chksm=88316d25bf46e4332 e04498ce0a7012326eaeee201f5c0b006a2f7ce5cbd342d842cf5519de4#rd．

[3]杜鳳麗．降低聚光太陽能熱發電成本的途徑[J]．太陽能,2011．

[4]王鼎,時雨,胡婧婷,等．太陽能熱發電技術綜述及其在我國適用性分析[J]．電網與清潔能源,2016．