太陽能光熱發電技術研究現狀及其關鍵設備問題分析

摘? 要：本文主要介紹了目前主流太陽能光熱發電技術的發展現狀，并對聚光器、吸熱器、儲熱器、輔助設備等主要設備在運行中易發生的問題進行了簡要分析，以供相關領域的學者和技術人員參考。

關鍵詞：太陽能;光熱發電技術;關鍵設備

中圖分類號：TK514? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：2096-6903（2020）08-0000-00

1太陽能光熱發電技術

太陽能光熱發電技術是通過集熱裝置采集、吸收聚焦裝置表面上的太陽輻射能，并將其轉化成熱能用以加熱水、空氣和其他介質，間接產生水蒸氣帶動汽輪發電機發電，其具有規模化、清潔能源等優勢[1]。根據聚光方式不同太陽能光熱發電類型也不同，其中最為典型的是通過反射鏡將太陽能反射至集熱器，集熱器加熱熔鹽、導熱油等介質，進而與水進行熱交換后產生過熱蒸汽推動汽輪發電機做功。常見的光熱發電技術有四種：槽式、塔式、線性菲涅爾式、蝶式，其中槽式光熱發電技術最為成熟。

2太陽能光熱發電發展現狀

20世紀50年代初期，前蘇聯研發出塔式光熱發電裝置，隨后，西班牙、美國等國家研發出槽式光熱發電裝置，到20世紀末期，塔式光熱發電技術實現了大幅突破，光熱發電效率大大提高。從塔式光熱發電裝置的研發到應用，光熱發電站呈現出快速發展趨勢，特別是在工業發達國家，各類型的光熱發電站成為競相發展的重點。近幾年，太陽能光熱發電的商業化發展趨勢日趨加快，其中美國和西班牙是全球太陽能光熱發電站數量最多的國家，而其在我國的發展正處在加速發展階段。

2.1塔式太陽能光熱發電

塔式太陽能光熱發電主要有水工質和熔鹽介質兩種，目前比較流行的為熔鹽介質技術，本文以熔鹽介質為例進行介紹。定日鏡將太陽光反射到光塔頂部的吸熱器來加熱吸熱器中的熔鹽，加熱后熔鹽（約565℃）通過蒸汽發生器（SGS）產生高溫高壓蒸汽帶動汽輪發電機組發電，從而產生電能。在塔式太陽能光熱發電系統中，配置有大量的定日鏡，定日鏡實時自動跟蹤太陽，保證太陽光始終聚焦于吸熱器上。目前，以熔鹽作為傳熱、儲熱介質是塔式太陽能光熱發電的主要方式，且發電站總裝機容量也呈快速上升趨勢[2]。

2.2槽式太陽能光熱發電

1973年，墨西哥成為最先建立槽式太陽能光熱發電站的國家，容量為100MW，其也是最早實現商業化的太陽能光熱電站。隨后美國相繼建立SEGS槽式導熱油無儲熱太陽能光熱發電站，共有9座，最小為14MW，最大為90MW。進入21世紀后，摩洛哥、西班牙等國家對槽式太陽能光熱發電系統進行優化升級，尤其是西班牙，在2010年建立全球第一個以熔鹽為儲熱介質的槽式太陽能光熱發電站。配置熔鹽儲熱系統后，槽式光熱電站在實現白天發電的同時也可以儲熱。白天拋物線反射鏡將太陽光聚焦于集熱管上加熱內部的導熱油，加熱后的導熱油一部分通過蒸汽發生器加熱水產生蒸汽推動汽輪發電機發電，另一部分導熱油通過油鹽換熱器加熱熔鹽，加熱后的熔鹽儲存在熱熔鹽罐中。在夜間或者多云及陰雨天氣時，熱熔鹽罐中的熔鹽通過油鹽換熱器加熱導熱油，加熱后的導熱油通過蒸汽發生器加熱水產生主蒸汽推動汽輪發電機組。這是在儲熱能力匹配的情況下，光熱電站能保證24h平穩發電的原因。當前其已投入商業運行，配置熔鹽儲熱的槽式太陽能光熱發電站的最大單機容量為200MW。

2.3 線性菲涅爾式太陽能光熱發電

與槽式太陽能光熱發電系統相比，線性菲涅爾式太陽能光熱發電簡化了其形式，通過將大型拋物反射轉化成多個離散小鏡面，實現跟蹤條件反射的目的，且具有較強的適應性[3]。上世紀末期，澳大利亞悉尼大學設計出緊湊型發電系統，得到廣泛的認可和推廣，于是在21世紀，西班牙和美國分別建立了線性菲涅爾式太陽能光熱發電站。

2.4蝶式太陽能光熱發電

比較前幾種光熱發電方式，蝶式太陽能光熱發電系統的聚光效果最高，聚光比高達3000，聚光溫度在750～1500℃之間，是目前效率最高的太陽能光熱發電方式，高達29.4%。但該技術尚未成熟，目前主要以小規模試驗發電為主。在21世紀，西班牙和美國相繼建立蝶式太陽能光熱發電，由于存在各種技術限制，尚未大規模并網發電，目前國內也正在研究、建設蝶式示范光熱電站。

3太陽能光熱發電技術關鍵設備存在的問題

從能量轉換方式看，太陽能光熱發電是將太陽能轉化為電能。從發電原理來看，太陽能光熱發電原理基本上與煤炭發電相似或者是相同。因此在常規設備使用上具有數量多，應用范圍廣的特征，為了有效提高發電量，必須要提高太能輻射經熱能，輻射經熱能則是通過提高能流密度方式實現的，因此對應的設備，包括儲存、轉換、熱能接受、跟蹤和聚光等。在太陽能光熱發電技術中，關鍵設備的設計、制造和安裝水平均會在一定程度上影響到發電機組的性能，甚至影響到整個太陽能光熱發電的競技性、可靠性和安全性。

3.1聚光器/定日鏡

聚光器是將太陽光集中到位于吸熱塔頂部吸熱器表面的反射裝置。由于地球自轉原因，太陽光處于相對轉動狀態，通過使用雙軸實時跟蹤，可將太陽光投射到聚光器表面上。由于聚光器是太陽能光熱發電技術的核心設備，因此對聚光器的定位精度要求較高，同時要求運動穩定、平整度誤差小和反射率高，工作壽命長。此外還要滿足易于安裝維護、操作靈活、產量高、機械強度高和全天候工作等要求。

3.2吸熱器

吸熱器是接受聚光器投射過來的太陽輻射能，并通過管屏吸熱將太陽輻射能轉化為熱能。故吸熱器設備材料必須要具有較高的換熱系數，耐高溫、耐腐蝕和耐疲勞，耐高溫能力在1200℃以上。滿足這種要求的材料只有鎳基合金材料，但該材料具有加工難度大，價格昂貴等特征。

3.3儲熱系統設備

太陽能光熱發電技術最為重要的一個系統是雙罐儲熱系統，主要包括一個冷熔鹽管、一個熱熔鹽罐。在大規模太陽能光熱發電中比較常見，且熱熔鹽罐和冷熔鹽罐都是單獨放置。

3.4蒸汽發生器設備（SGS）

目前塔式光熱電站普遍采用的傳熱介質為熔鹽，由于熔鹽特殊的化學特性及工作溫度要求，蒸汽發生器設備（省煤器、蒸發器、再熱器、過熱器）普遍采用347H不銹鋼材質。即使如此，由于熔鹽的腐蝕性及上述設備在日常運行中內部管束的溫度變化速率較大，蒸發器設備的內部管束易受損造成熔鹽泄漏事故，進而造成停機。解決辦法：進一步優化蒸發器設備的設計和制造，關注內部管束的熱膨脹因素。

4結語

在科技高速發展的背景下，光熱發電技術向長時儲熱、高參數和大規模方向發展。在投資光熱發電項目時，技術路線的選擇至關重要，如風能互補發電、光熱與光伏發電互補、槽式儲熱光熱發電技術、塔式熔鹽光熱發電技術等。我國西北地區擁有豐富的太陽能資源，但同時也有多項不利因素，如西北地區環境惡劣，需進一步系統驗證環境問題對降低鏡面反射率及光照強度的影響。另外在太陽能光熱發電技術中，我國存在行業標準、性能考核以及光熱系統設計等不足，通過借鑒西方技術優勢，建立行業標準，提升太陽能光熱發電技術的性能，并加大相關設備的研發和制造能力，提高設備性能，降低關鍵設備的生產成本，從而加速我國太陽能光熱發電技術的整體發展水平。

參考文獻

[1]何志瞧，童家麟.太陽能光熱發電現狀及超臨界CO2光熱發電技術應用前景[J].華電技術，2020，42（4）：77-83.

[2]張哲旸，巨星，潘信宇，等.太陽能光伏–光熱復合發電技術及其商業化應用[J].發電技術，2020，41（3）：220-230.

[3]解民，鄭江偉.太陽能光熱發電的技術特點與應用研究[J].電力系統裝備，2020（5）：54-55.

收稿日期：2020-07-06

作者簡介：周和軍（1978—），男，山東泰安人，本科，高級工程師，研究方向：電氣工程及其自動化、太陽能光熱發電。