關(guān)于太陽能光熱發(fā)電的技術(shù)特點(diǎn)與應(yīng)用分析

高宇，張杰

（中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)華東電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200063）

隨著世界能源種類與數(shù)量的變化，人們?cè)絹碓街匾暻鍧嵞茉础Ｌ柲芫哂协h(huán)保、無污染、無二次廢物的優(yōu)點(diǎn)。因此，可再生能源技術(shù)中最有發(fā)展前景的就是太陽能發(fā)電技術(shù)。基于當(dāng)前技術(shù)進(jìn)行分析，太陽能發(fā)電技術(shù)分為光熱發(fā)電和光伏發(fā)電兩大類。接下來是對(duì)光熱發(fā)電的分析。

1 太陽能發(fā)電技術(shù)概述

太陽能的特點(diǎn)是綠色、可再生、靈活。太陽能具有低密度、間歇性變化的空間，使得太陽能難以被收集和使用。然而，當(dāng)光熱發(fā)電的初始投資完成后，之后將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。此外，化石燃料對(duì)區(qū)域環(huán)境的不利影響以及無法再生，使得各個(gè)國(guó)家都開始注重太陽能的發(fā)展。

2 太陽能光熱發(fā)電原理

通過聚光設(shè)備將光能進(jìn)行收集，之后短時(shí)間產(chǎn)生能量的方式就是太陽能光熱發(fā)電。在整個(gè)過程中，設(shè)備飛速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生大量能量。太陽能發(fā)電和火力發(fā)電本質(zhì)上是相同的，因此，如果太陽能供應(yīng)持續(xù)，則可以向用戶連續(xù)供電。近年來，電力公司發(fā)展迅速，實(shí)現(xiàn)了能量?jī)?chǔ)存技術(shù)的優(yōu)化，使得能夠在夜間使用太陽能發(fā)電技術(shù)。太陽能發(fā)電機(jī)有著完全不一樣的發(fā)電過程，通過太陽能板的轉(zhuǎn)換作用將光能轉(zhuǎn)換為電能，具體樣式如圖1所示。

圖1 太陽能板發(fā)電

之后再加上能量?jī)?chǔ)存技術(shù)的幫助，以此確保可以有能量供應(yīng)。

3 光熱發(fā)電技術(shù)類型

太陽能是一種清潔能源，在發(fā)電、熱水器、照明、加熱以及干燥等方面廣泛應(yīng)用，太陽能光熱發(fā)電也稱為會(huì)聚太陽能發(fā)電（CSP），這是大規(guī)模解決太陽能問題的有效途徑。通過一些光學(xué)設(shè)備將太陽能進(jìn)行收集，加熱工作介質(zhì)并產(chǎn)生高溫蒸汽。與普通發(fā)電技術(shù)相比，發(fā)電效率高、結(jié)構(gòu)完整、使用成本低。通過聚焦，光熱發(fā)電技術(shù)有塔式發(fā)電、槽式發(fā)電和碟式發(fā)電三種方式。三種集中熱方法的量差的直接反映是集中度的差異，聚光比是吸收器的平均能量通量密度和入射能量通量密度之比。然而，由于集熱溫度不同，對(duì)應(yīng)于三種冷凝模式的三種組成系統(tǒng)存在固定差異。

3.1 槽式聚光發(fā)電系統(tǒng)

槽式聚光發(fā)電系統(tǒng)通過光學(xué)收集設(shè)備將太陽能量進(jìn)行收集，太陽能收集器安裝在太陽能輻射收集器中，太陽能被吸收并轉(zhuǎn)換為熱能。收集管通常是真空玻璃收集管，收集管由外部玻璃管和內(nèi)部熱管組成，兩個(gè)管道之間的間隙被排空，以防止熱量損失。吸熱管由不銹鋼制成，工作介質(zhì)流經(jīng)管道。不銹鋼管表面涂有黑色吸熱膜，對(duì)陽光的吸收率高，紅外波段的發(fā)射率低，有效吸收太陽能。光收集系統(tǒng)需要配備控制系統(tǒng)，以適應(yīng)太陽日角的變化。罐式集中吸熱系統(tǒng)將來自收集管的太陽能轉(zhuǎn)換為導(dǎo)熱流體的熱能。燃燒后，熱材料被加熱，水產(chǎn)生蒸汽，用于促進(jìn)渦輪機(jī)的發(fā)展。太陽能型太陽能集光系統(tǒng)的最大集熱為20～80℃，油為導(dǎo)熱流體時(shí)的最大集熱量為300～400℃，混合為導(dǎo)熱流體，最大集熱達(dá)到550℃。盡管后者優(yōu)于提高發(fā)電效率，但總體發(fā)電效率仍然較低。此外，為了克服太陽能在時(shí)間上的不平衡分布，有必要建造一個(gè)蓄熱系統(tǒng)或補(bǔ)充其他燃料。自20世紀(jì)80年代以來，世界上許多國(guó)家都在進(jìn)行太陽能發(fā)電系統(tǒng)的研究和建設(shè)，目前，美國(guó)、以色列、澳大利亞和德國(guó)是世界上最大的太陽能能源國(guó)，也是槽式光熱發(fā)電技術(shù)的強(qiáng)國(guó)。其中，魯茨公司是應(yīng)用槽式光伏發(fā)電技術(shù)的典范。1985～1991年，美國(guó)在南加州建造了9座太陽能發(fā)電廠，總?cè)萘繛?53.8MW。2010年10月，美國(guó)政府批準(zhǔn)在南加州建設(shè)一個(gè)名為布萊斯太陽能項(xiàng)目的新能源項(xiàng)目。這是美國(guó)最大的光伏項(xiàng)目。布萊斯太陽能項(xiàng)目位于加利福尼亞州布萊斯附近的莫哈維爾沙漠，項(xiàng)目面積為2833公頃，耗資60億美元。建成后，其容量將達(dá)到1000MW，從2011年年底到2012年發(fā)展。2010年初，中國(guó)科學(xué)院熱電工程研究所和朝鮮電力公司成功開發(fā)了槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)的核心技術(shù)。2010年8月10日，中國(guó)第一個(gè)太陽能發(fā)電項(xiàng)目的第一個(gè)生產(chǎn)基地在前良區(qū)郊區(qū)舉行，該項(xiàng)目通過了三項(xiàng)核心技術(shù)：聚光透鏡、跟蹤驅(qū)動(dòng)和線聚焦收集器。中國(guó)是繼美國(guó)、德國(guó)和以色列之后所有技術(shù)都本地化的國(guó)家。

3.2 碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)

碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)采用盤式冷凝的形式，具體如圖2所示。

圖2 碟式發(fā)電系統(tǒng)

盤狀聚光系統(tǒng)的太陽輻射反射面呈盤狀，聚光比可達(dá)到3000以上，產(chǎn)生高溫，高于其他兩種發(fā)電方式。由于工作溫度高達(dá)750～1500℃，因此可以實(shí)現(xiàn)最高的熱機(jī)效率。盤式光熱系統(tǒng)包括集中器、接收器、熱風(fēng)、立柱和跟蹤控制系統(tǒng)等主要組件。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，聚光器反射的太陽能聚焦接收器通過熱量將太陽能轉(zhuǎn)換為熱空氣中工作介質(zhì)的內(nèi)能，提高介質(zhì)的溫度，驅(qū)動(dòng)熱量并驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。與槽式發(fā)電系統(tǒng)不同，斯特林機(jī)主要用作碟式光熱發(fā)電系統(tǒng)的熱功率轉(zhuǎn)換設(shè)備的發(fā)電機(jī)，自由活塞斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)是活塞型外延發(fā)動(dòng)機(jī)，氣缸具有適當(dāng)?shù)幕钊蛣?dòng)力活塞，氣缸側(cè)壁由活塞室和下室旁通，循環(huán)物料由旁通管替代，由閥活塞室和下室替代，上腔室和熱源交換器耦合以將在上腔室中吸收的熱量傳輸?shù)焦ぷ鹘橘|(zhì)，工作介質(zhì)被加熱和膨脹以驅(qū)動(dòng)動(dòng)力活塞輸出動(dòng)力，廢熱通過下落室中的介質(zhì)回路傳輸至再生器，工作介質(zhì)通過側(cè)面再循環(huán)，斯特林加熱器的最高熱電效率可達(dá)40%。太陽輻射因天氣變化很大，熱點(diǎn)轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的電力不穩(wěn)定，無法直接提供給用戶，輸出220V工作頻率需要一系列處理，與國(guó)內(nèi)光伏系統(tǒng)一樣，儲(chǔ)能裝置、電池和補(bǔ)充能源也是必要的。

與太陽能光伏發(fā)電模式相比，碟式發(fā)電模式尚未投入商業(yè)應(yīng)用。國(guó)外已經(jīng)建造了許多盤式太陽能發(fā)電廠和模型系統(tǒng)，并取得了成功。在美國(guó)、西班牙、德國(guó)和其他國(guó)家，9～25kW的發(fā)電系統(tǒng)已經(jīng)建成并獲得成功。中國(guó)擁有豐富的太陽能資源，20世紀(jì)70年代末以后，太陽能利用的研究開始了，主要研究方向是太陽能加熱。中國(guó)科學(xué)院電氣電子工程師研究所研究了碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)的集中器和跟蹤控制系統(tǒng)，并構(gòu)建了碟式光熱發(fā)電測(cè)試系統(tǒng)。中國(guó)科學(xué)院熱物理研究所對(duì)圓盤式太陽能發(fā)電系統(tǒng)中使用的直接傳輸接收器進(jìn)行了模擬，并分析了影響其熱性能的因素。總體而言，此項(xiàng)發(fā)電技術(shù)仍處于早期階段，但由于其高效率，許多國(guó)家更感興趣并積極開展相應(yīng)的研究。

3.3 塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)

塔式太陽能光熱系統(tǒng)由五部分組成：遮陽鏡、接收器、蓄熱箱、主控制系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)。大量遮陽鏡安裝在地面上，這是一組自動(dòng)跟蹤太陽的球面鏡。該塔建造在鄭日經(jīng)集團(tuán)的適當(dāng)位置，接收器放置在塔的頂部，所有周日的鏡子都會(huì)收集陽光并集中在鍋爐上，將接收器的散熱器輸送至高溫，通過管道輸送至地面蒸汽發(fā)生器，并產(chǎn)生高溫蒸汽。接收器是塔式光伏系統(tǒng)的重要組成部分，渦輪發(fā)電單元驅(qū)動(dòng)接收器發(fā)電。熱傳導(dǎo)介質(zhì)可分為外部水光型和空腔型。外部光接收器的一些技術(shù)類似太陽能收集器，但具有高工作溫度和大體積，該接收器可以接收主要用于大型太陽能系統(tǒng)的環(huán)境光，缺點(diǎn)是熱管直接暴露并且發(fā)生熱損失。事實(shí)上，很難像普通收集器那樣添加玻璃罩。因?yàn)榻邮掌魈螅惑w型，即腔體型接收器，是由高溫材料制成的腔體。腔體的一個(gè)入口是石英玻璃，它具有透光性和耐高溫性，空腔內(nèi)壁設(shè)有金屬絲網(wǎng)，以增加吸熱和交換面積。封閉腔具有良好的吸熱性能，收集的陽光可以通過石英玻璃窗使腔體變高。用于傳熱的工作介質(zhì)（通常為高壓空氣）在腔室上方被加熱到1000℃或更高的高溫氣體。空腔有絕緣層，熱損失小，空氣價(jià)格低，但空氣的熱容小，導(dǎo)熱系數(shù)低。主要的技術(shù)問題是如何有效地傳遞熱量，由于大多數(shù)腔體接收器只有一個(gè)窗口，因此接收陽光的角度受到限制，通常不超過120℃。谷歌投資了世界上最大的塔式太陽能發(fā)電項(xiàng)目，太陽能塔位于加利福尼亞州東南部的莫罕維爾沙漠，占地3600英畝（14.6平方公里）。太陽能收集系統(tǒng)在137米高的太陽能塔上放置了173000面鏡子，重點(diǎn)關(guān)注太陽輻射。該發(fā)電廠將于2010年10月開工，2013年完工，發(fā)電能力將達(dá)到39.2萬千瓦。中國(guó)還開發(fā)了太陽能塔式發(fā)電項(xiàng)目，亞洲第一座塔式太陽能發(fā)電廠位于八達(dá)嶺，是中國(guó)科學(xué)院的太陽能發(fā)電技術(shù)和系統(tǒng)模型項(xiàng)目，我國(guó)太陽能發(fā)電技術(shù)的研究和開發(fā)為低成本商業(yè)發(fā)電廠提供了大規(guī)模技術(shù)路線。

4 各種發(fā)電技術(shù)的對(duì)比

槽式發(fā)電技術(shù)相對(duì)成熟，跟蹤機(jī)制相對(duì)簡(jiǎn)單，容易進(jìn)行，并且消耗的成本不高。隨著槽式發(fā)電技術(shù)各項(xiàng)優(yōu)化，其在建設(shè)時(shí)消耗的成本從每千瓦5976美元下降到3011美元，電力成本從每千瓦26.3美分下降到12美分。據(jù)估計(jì)，2020年，槽式發(fā)電技術(shù)的發(fā)電成本可以降低到每千瓦4美分，與傳統(tǒng)火力發(fā)電的成本持平。碟式發(fā)電系統(tǒng)建設(shè)時(shí)需要的成本較高，且建設(shè)步驟復(fù)雜，無法大規(guī)模應(yīng)用在如今的供電項(xiàng)目中。隨著技術(shù)的進(jìn)步，使用塔式發(fā)電系統(tǒng)能夠降低建設(shè)成本，并且能夠大規(guī)模發(fā)展利用，投資回報(bào)率較高。

5 結(jié)語

目前，對(duì)光熱技術(shù)的投資高于其他新能源發(fā)電技術(shù)，但隨著世界各地的努力，新復(fù)合材料的生產(chǎn)和太陽能獲取技術(shù)將趨于成熟，并降低成本。有越來越多的大型太陽能發(fā)電廠，能夠?qū)μ柲芄鉄岚l(fā)電技術(shù)有更好的優(yōu)化，以此節(jié)省能源消耗，成為未來能源發(fā)電技術(shù)中最重要的技術(shù)。