太陽能光熱發電技術組成原理與優點

太陽能光熱發電是新能源利用的一個重要方向。主要形式有槽式、塔式，碟式（盤式）三種系統。光熱發電最大的優勢在于電力輸出平穩，可做基礎電力、可做調峰；另外其成熟可靠的儲能（儲熱）配置可以在夜間持續發電。利用大規模陣列拋物或碟形鏡面收集太陽熱能，通過換熱裝置提供蒸汽，結合傳統汽輪發電機的工藝，從而達到發電的目的。采用太陽能光熱發電技術，避免了昂貴的硅晶光電轉換工藝，可以大大降低太陽能發電的成本。而且，這種形式的太陽能利用還有一個其他形式的太陽能轉換所無法比擬的優勢，即太陽能所燒熱的水可以儲存在巨大的容器中，在太陽落山后幾個小時仍然能夠帶動汽輪發電。

一、陽能光熱發電技術優點
1.太陽能是取之不盡、用之不竭的潔凈能源，而且太陽能光伏發電是安全可靠的，不會受到能源危機和燃料市場不穩定因素的影響；
2.太陽光普照大地，太陽能是隨處可得的，太陽能光伏發電對于偏遠無電地區尤其適用，而且會降低長距離電網的建設和輸電線路上的電能損失；
3.太陽能的產生不需要燃料，使得運行成本大大降低；
4.除了跟蹤式外，太陽能光伏發電沒有運動部件，因此不易損毀，安裝相對容易，維護簡單；
5.太陽能光伏發電不會產生任何廢棄物，并且不會產生噪音、溫室及有毒氣體，是很理想的潔凈能源。安裝1KW光伏發電系統，每年可少排放CO2600～2300kg，NOx16kg，SOx9kg及其他微粒0.6kg；
6.可以有效利用建筑物的屋頂和墻壁，不需要占用大量土地，而且太陽能發電板可以直接吸收太陽能，進而降低墻壁和屋頂的溫度，減少室內空調的負荷；
7.太陽能光伏發電系統的建設周期短，而且發電組件的使用壽命長、發電方式比較靈活，發電系統的能量回收周期短；
8.不受資源分布地域的限制；可在用電處就近發電。
二、太陽能光熱發電原理
太陽能發電是利用電池組件將太陽能直接轉變為電能的裝置。太陽能電池組件（Solar cells）是利用半導體材料的電子學特性實現P-V轉換的固體裝置，在廣大的無電力網地區，該裝置可以方便地實現為用戶照明及生活供電，一些發達國家還可與區域電網并網實現互補。目前從民用的角度，在國外技術研究趨于成熟且初具產業化的是"光伏--建筑（照明）一體化"技術，而國內主要研究生產適用于無電地區家庭照明用的小型太陽能發電系統。

太陽能發電系統主要包括：太陽能電池組件（陣列）、控制器、蓄電池、逆變器、用戶即照明負載等組成。其中，太陽能電池組件和蓄電池為電源系統，控制器和逆變器為控制保護系統，負載為系統終端。
太陽能電池與蓄電池組成系統的電源單元，因此蓄電池性能直接影響著系統工作特性。

表1 四種光熱發電技術的特性對比表

三、太陽能光熱發電技術種類
按照聚能方式及其結構進行分類，主要有塔式、槽式、碟式、菲濕爾式太陽能光熱發電四大類技術(見表1所示)，塔式和槽式光熱發電技術商用更廣泛。
1.塔式太陽能光熱發電
塔式光熱發電系統為點式聚焦集熱系統，利用大規模自動跟蹤太陽的定日鏡場陣列，將太陽熱輻射能精準反射到置于高塔頂部的集熱器，投射到集熱器的陽光被吸收轉變成熱能并加熱中間介質，使其直接或間接產生540℃～560℃蒸汽，其中一部分用來發電，另一部分熱量則被儲存，以備早晚或沒有陽光時發電使用。塔式系統具有熱傳遞路程短、高溫蓄熱、綜合效率高等優點，新建的光熱發電項目中塔式光熱發電技術越來越多，塔式是未來太陽熱輻射能光熱發電的主要技術。

2.槽式太陽能光熱發電
槽式太陽能熱發電系統全稱為槽式拋物面反射鏡太陽能熱發電系統，是將多個槽型拋物面聚光集熱器經過串并聯的排列，加熱工質，產生高溫蒸汽，驅動汽輪機發電機組發電。

3.碟式太陽能光熱發電
盤式（又稱碟式）太陽能熱發電系統（拋物面反射鏡斯特林系統）是由許多鏡子組成的拋物面反射鏡組成，接收在拋物面的焦點上，接收器內的傳熱工質被加熱到750℃左右，驅動發動機進行發電。4.菲涅爾式太陽能光熱發電
菲濕爾式光熱發電工作原理類似槽式光熱發電，只是采用多個平面或微彎曲的光學鏡組成的菲涅爾結構聚光鏡來替代拋面鏡，眾多平放的單軸轉動的反射鏡組成的矩形鏡場自動跟蹤太陽，將太陽光反射聚集到具有二次曲面的二級反射鏡和線性集熱器上，集熱器將太陽能轉化為熱能，進而轉化為電能。特點是系統簡單、直接使用導熱介質產生蒸汽，其建設和維護成本相對較低。
四、太陽能光熱發電系統組成
太陽能光熱發電實質是由光能到熱能再到電能的能量轉換，實現將太陽光熱輻射能到電能的產生與輸出，四種光熱發電技術按發電原理主要分為集熱系統、蒸汽發生器系統、蓄熱換熱系統、發電系統。
1.集熱系統
利用控制裝置保證鏡場光學器件對太陽的跟蹤，通過反射、聚焦和吸收等過程匯集光能，形成較高的能流密度，實現光能到熱能的轉化，聚集的熱能主要用于光熱發電，剩余熱能用于儲熱。太陽能集熱系統包括聚光裝置、吸熱器、跟蹤控制裝置等主要部件。
聚光裝置作為集熱系統的核心，主要由凹面反射鏡、平面鏡等光學器件組成聚光鏡場，將光能聚集傳遞給位于焦點或焦線的吸熱器或集熱管，聚集太陽熱輻射能，現國內制造的聚光鏡效率已達到94%，基本等同國外聚光鏡效率。
吸熱器承擔著吸收太陽熱輻射能的重要作用，主要功能是吸熱聚光裝置反射的太陽熱輻射能，直接加熱集熱器內工質轉換成熱能，用來發電或儲熱等不同用途。吸熱器有真空管式和腔體容積式，選用原則根據工程條件、鏡場容量及布置等因素，重點是提高吸熱器單位面積熱流量，降低熱損失。選擇吸熱器主體材料應考慮耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞等，以保證吸熱器設備的安全性和較長服役期。
跟蹤控制裝置除具有一維跟蹤或二維跟蹤等控制能力，具有定期自檢、定期清理等功能，保證陣列鏡場和太陽直射光線的形成穩定角度，有效調節太陽能集熱裝置的焦距，始終保持整個鏡場對太陽的跟蹤，從而實現太陽熱輻射能有效地反射到吸熱器，吸熱器吸收這部分輻射能并將其轉換成為熱能直接利用。
2.蒸汽發生器系統
蒸汽發生器系統包括預熱器、蒸發器、過熱器和再熱器等，集熱系統吸收太陽熱輻射能，通過熔鹽、導熱油等熱能載體在蒸汽發生器系統換熱產生高能蒸汽去驅動汽輪機做功，此系統相當于火力發電機組的鍋爐。光熱發電配套使用的蒸汽發生器系統有單列和雙列布置，系統輸送工質無論采用強制循環還是采用自然循環，均要保證系統所需的循環倍率。
研制蒸汽發生器系統設備首先要綜合考慮設備間相互匹配溫升、換熱能力、介質阻力，其次要重點研究分析換熱工質的變溫范圍大導致設備承載的溫差應力，再有要全面考慮光熱發電頻繁啟停特殊性和低負荷運行工況產生的疲勞。實現熱能消耗少、阻力小，提高蒸汽發生器系統經濟性。
系統配置的換熱器均為管殼式結構，有釜式蒸發器，發卡式或集箱式蛇形管過熱器，U管或直管換熱器。研究和設計所述設備即要在系統設計和設備設計兩個層面考慮熔鹽凝固、泄露等風險，又要關注各設備內熔鹽和水的流程，且要配備電伴熱等防凝措施。對于熔鹽工質的蒸汽發生器系統應采用預熱、蒸發和過熱多級受熱面設計，且宜帶有強制循環泵的蒸發器，確保蒸發器局部受熱面在不同負荷時不超金屬材料的安全使用溫度。
3.蓄熱和換熱系統
太陽能的儲存主要有兩種方法:一種是將太陽能直接收集以熱能方法進行儲存，有顯熱儲熱、潛熱儲熱和化學反應儲熱進行太陽能直接儲存(見表2所示);另一種是把太陽能先轉換成其他能量方式再進行儲存，一般可先轉變為電能和機械能，再使用相應方法儲存電能和機械能。
光熱發電最大優勢是能夠進行熱能儲存，熱量富裕進行儲熱，熱量不足能夠釋放，適應電網24小時調峰發電需求。蓄熱系統由真空絕熱或以絕熱材料包覆的蓄熱器組成，商業化光熱發電主要蓄熱方法是熔融鹽雙罐直接儲能。因為熔鹽比導熱油溫度高，發電效率大，故目前商業化光熱發電中常用的是二元熔鹽，其主要成分是硝酸鈉和硝酸鉀。各國研究的新型儲能技術有液態金屬儲能、納米復合相變材料儲能、新型鹽結晶儲能等。
換熱系統主要是指實現能量轉換工序過程所配置的設備，保障在不同工質間進行熱能形式轉換，配備的設備要傳熱面積大，熱損耗小，設備抗腐蝕性、抗疲勞性和抗氧化性強。

表2 太陽能光熱發電系統中蓄熱方式的特性對比

4.發電系統
光熱動力島發電系統相當于火電、核電的發電系統，將熱能轉化為電能并輸出。此系統配置裝備同火電基本類似，即要配置蒸汽輪機、燃氣輪機和發電機等主要設備，還要配置給水系統、回熱系統所需的給水泵、高低加等設備。發電系統的性能直接關系到太陽能光熱發電經濟性，當發電系統效率提升1%，光熱發電將增長年收益2%以上。研制光熱發電動力島主要設備要特別關注發電頻繁啟停、快速啟動、低負荷等苛刻工況，采取相應措施保證發電系統設備的安全性和穩定性。
五、太陽能光熱發電技術發展主要方向
1.光熱發電高參數、大容量、連續發電發展。太陽熱輻射能可直接發電能，且能進行熱能儲存，實現光熱發電長周期平穩電力連續輸出。百兆瓦級塔式光熱發電站投入商業運行證明，塔式技術能實現更高的運行溫度，超強的集熱能力和儲熱能力，保證驅動汽輪機發電的工質參數高，甚至實現超臨界技術發電。光熱發電在技術層面已具備大容量、高參數、連續發電的基本條件，工程層面要加快光熱發電技術向著高參數和大容量進程是總體大趨勢。
2.光熱發電技術互補，建設集合式光熱發電站。碟式技術效率高但儲能差;槽式技術成熟但熱輸出溫度較低;塔式聚光比高運行溫度但投資成本大。采用任何單一技術模式建設光熱發電站均有局限性，研究槽式、塔式、碟式、菲濕爾中兩種或三種光熱發電組合技術，取長補短充分發揮各自聚光比高、集熱技術成熟和總體效率高等技術優勢，從建設和運維方面降低成本，提高光熱發電的運行效率，現已采用組合技術建設光熱發電站，探索研究更有利于發揮各自優勢多種技術組合勢在必行。
3.組建風、光、熱等清潔能源多種組合模式發電站。將成熟的風、光、熱等各種清潔能源技術進行優化組合，建立能源全方位利用機制，實現電力生產和輸出靈活性和總體輸出功率穩定性，組建具有儲能的光熱、光伏、風能、生物質等互補技術的新能源發電站，充分利用風電、光伏、光熱和儲能各自優勢，有效解決電力調峰問題，提升電力系統風、光、電、儲等能源的利用效益，提高電力系統的可靠性和經濟性。
4.建設光熱發電和傳統化石燃料聯合電站。隨著太陽能發電技術的成熟，將太陽能和煤電、天然氣等常規火電站有效對接，利用太陽能和化石能源各自特點，建設光熱發電與燃氣或燃油或煤電組合式聯合循環電站，充分利用太陽能再生清潔資源和規模化儲熱優勢，降低化石能源的消耗比重，實現連續穩定的電力供應滿足經濟發展需要。
太陽能光熱發電技術同超臨界CO2技術結合是將來光熱發展的新方向，隨著新型熔鹽和液體金屬等傳熱工質技術的成熟，太陽能光發電效率將不斷提高，太陽能利用將占有更大比重。
六、太陽能光熱發電技術結論
以上幾種系統性能比較。幾種系統只有槽式線聚焦系統實現了商業化，其他兩種處在示范階段，有實現商業化的可能和前景。幾種系統均可單獨使用太陽能運行，安裝成燃料混合（如與天然氣、生物質氣等）互補系統是其突出的優點。
就幾種形式的太陽熱發電系統相比較而言，槽式熱發電系統是最成熟，也是達到商業化發展的技術，塔式熱發電系統的成熟度不如拋物面槽式熱發電系統，而配以斯特林發電機的拋物面盤式熱發電系統雖然有比較優良的性能指標，但主要還是用于邊遠地區的小型獨立供電，大規模應用成熟度則稍遜一籌。應該指出，槽式、塔式和盤式太陽能光熱發電技術同樣受到世界各國的重視，并正在積極開展工作。

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