綜述太陽能光熱發(fā)電技術發(fā)展

太陽能具備儲備豐富和安全無污染特性，對環(huán)境和人類社會沒有潛在威脅，避免火電化石燃料排放氮硫氧化物等污染物、核電核廢料的后處理技術難題、水電的水資源和季節(jié)氣侯影響等問題。深入研究太陽熱輻射能的利用技術，將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芎蜔崮芗夹g，是保障經(jīng)濟發(fā)展的能源支撐。
1、太陽能發(fā)電技術種類
太陽能發(fā)電主要有兩種:太陽能光伏發(fā)電是利用太陽能電池的光生伏特效應，將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)化為電能，光伏發(fā)電首選技術是將半導體等元器件制成的光伏太陽能電池板接收太陽能，通過半導體或者金屬材料的溫差發(fā)電;太陽能光熱發(fā)電是將太陽熱輻射能轉(zhuǎn)化為熱能再將熱能轉(zhuǎn)化為電能，間接用于發(fā)電。
太陽能光熱發(fā)電技術研究人類取得巨大成就，截止2018年底，全球光熱發(fā)電裝機容量已達6．069GM，美國、西班牙等國有3GW裝機容量已成功商運。雖然我國研究光熱發(fā)電較晚，經(jīng)過深入研究、試驗和驗證我國自有光熱發(fā)電技術得到快速發(fā)展，截止2018年6月我國光熱發(fā)電裝機容量達7．9萬kW。
2、太陽能光熱發(fā)電原理
太陽能光熱發(fā)電原理是，通過反射鏡、聚光鏡等聚熱器將采集的太陽輻射熱能匯聚到集熱裝置，用來加熱集熱裝置內(nèi)導熱油或熔鹽等傳熱介質(zhì)，傳熱介質(zhì)經(jīng)過換熱裝置將水加熱到高溫高壓蒸汽，蒸汽驅(qū)動汽輪機帶動發(fā)電機發(fā)電。此種通過“光能－熱能－機械能－電能”的轉(zhuǎn)化過程實現(xiàn)發(fā)電技術被稱為聚光太陽能發(fā)電技術。光熱發(fā)電原理和基本設備組成和化石燃料電站基本相同，最大的差別是發(fā)電所用熱源不同，太陽能熱發(fā)電采用的是清潔且豐富的太陽能。

表1 四種光熱發(fā)電技術的特性對比表
3、太陽能光熱發(fā)電技術種類
按照聚能方式及其結(jié)構(gòu)進行分類，主要有塔式、槽式、碟式、菲濕爾式太陽能光熱發(fā)電四大類技術(見表1所示)，塔式和槽式光熱發(fā)電技術商用更廣泛。
3．1塔式太陽能光熱發(fā)電
塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)為點式聚焦集熱系統(tǒng)，利用大規(guī)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(zhuǎn)變成熱能并加熱中間介質(zhì)，使其直接或間接產(chǎn)生540℃～560℃蒸汽，其中一部分用來發(fā)電，另一部分熱量則被儲存，以備早晚或沒有陽光時發(fā)電使用。塔式系統(tǒng)具有熱傳遞路程短、高溫蓄熱、綜合效率高等優(yōu)點，新建的光熱發(fā)電項目中塔式光熱發(fā)電技術越來越多，塔式是未來太陽熱輻射能光熱發(fā)電的主要技術。
3．2槽式太陽能光熱發(fā)電
也稱槽式鏡像系統(tǒng)，是線式聚焦集熱系統(tǒng)。利用大面積槽式拋面鏡反射太陽熱輻射能，連續(xù)加熱位于焦線位置集熱器內(nèi)介質(zhì)，將熱能轉(zhuǎn)化為電能。槽式聚光器是一維跟蹤太陽方式，屬于中高溫熱力發(fā)電，串并聯(lián)集成后發(fā)電容量無限制。太陽熱輻射能集熱裝置占地面積比塔式、碟式系統(tǒng)要小30%～50%，已建成的光熱發(fā)電站有84．7%采用槽式技術。
3．3碟式太陽能光熱發(fā)電
也稱為拋物面反射鏡斯特林系統(tǒng)，是點式聚焦集熱系統(tǒng)，是世界上最早出現(xiàn)的太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)。由許多拋物面反射鏡組構(gòu)成集熱系統(tǒng)，接收器位于拋物面焦點上，收集太陽輻射能量，將接收器內(nèi)的傳熱介質(zhì)加熱到750℃左右，驅(qū)動斯特林發(fā)動機進行發(fā)電。碟式發(fā)電優(yōu)點是光學效率高，啟動損失小，適用于邊遠地區(qū)獨立電站。
3．4菲涅爾式太陽能光熱發(fā)電
菲濕爾式光熱發(fā)電工作原理類似槽式光熱發(fā)電，只是采用多個平面或微彎曲的光學鏡組成的菲涅爾結(jié)構(gòu)聚光鏡來替代拋面鏡，眾多平放的單軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為熱能，進而轉(zhuǎn)化為電能。特點是系統(tǒng)簡單、直接使用導熱介質(zhì)產(chǎn)生蒸汽，其建設和維護成本相對較低。
4、太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)組成
太陽能光熱發(fā)電實質(zhì)是由光能到熱能再到電能的能量轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)將太陽光熱輻射能到電能的產(chǎn)生與輸出，四種光熱發(fā)電技術按發(fā)電原理主要分為集熱系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)、蓄熱換熱系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)。
4．1集熱系統(tǒng)
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(xiàn)光能到熱能的轉(zhuǎn)化，聚集的熱能主要用于光熱發(fā)電，剩余熱能用于儲熱。太陽能集熱系統(tǒng)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(tǒng)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(xiàn)國內(nèi)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(nèi)工質(zhì)轉(zhuǎn)換成熱能，用來發(fā)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(jù)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(wěn)定角度，有效調(diào)節(jié)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(xiàn)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(zhuǎn)換成為熱能直接利用。
4．2蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)
蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)包括預熱器、蒸發(fā)器、過熱器和再熱器等，集熱系統(tǒng)吸收太陽熱輻射能，通過熔鹽、導熱油等熱能載體在蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)換熱產(chǎn)生高能蒸汽去驅(qū)動汽輪機做功，此系統(tǒng)相當于火力發(fā)電機組的鍋爐。光熱發(fā)電配套使用的蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)有單列和雙列布置，系統(tǒng)輸送工質(zhì)無論采用強制循環(huán)還是采用自然循環(huán)，均要保證系統(tǒng)所需的循環(huán)倍率。
研制蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)設備首先要綜合考慮設備間相互匹配溫升、換熱能力、介質(zhì)阻力，其次要重點研究分析換熱工質(zhì)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(fā)電頻繁啟停特殊性和低負荷運行工況產(chǎn)生的疲勞。實現(xiàn)熱能消耗少、阻力小，提高蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)經(jīng)濟性。
系統(tǒng)配置的換熱器均為管殼式結(jié)構(gòu)，有釜式蒸發(fā)器，發(fā)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(tǒng)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(nèi)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(zhì)的蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)應采用預熱、蒸發(fā)和過熱多級受熱面設計，且宜帶有強制循環(huán)泵的蒸發(fā)器，確保蒸發(fā)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。
4．3蓄熱和換熱系統(tǒng)
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(zhuǎn)換成其他能量方式再進行儲存，一般可先轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芎蜋C械能，再使用相應方法儲存電能和機械能。
光熱發(fā)電最大優(yōu)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(wǎng)24小時調(diào)峰發(fā)電需求。蓄熱系統(tǒng)由真空絕熱或以絕熱材料包覆的蓄熱器組成，商業(yè)化光熱發(fā)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(fā)電效率大，故目前商業(yè)化光熱發(fā)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(tài)金屬儲能、納米復合相變材料儲能、新型鹽結(jié)晶儲能等。
換熱系統(tǒng)主要是指實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換工序過程所配置的設備，保障在不同工質(zhì)間進行熱能形式轉(zhuǎn)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(fā)電系統(tǒng)中蓄熱方式的特性對比
4．4發(fā)電系統(tǒng)
光熱動力島發(fā)電系統(tǒng)相當于火電、核電的發(fā)電系統(tǒng)，將熱能轉(zhuǎn)化為電能并輸出。此系統(tǒng)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(fā)電機等主要設備，還要配置給水系統(tǒng)、回熱系統(tǒng)所需的給水泵、高低加等設備。發(fā)電系統(tǒng)的性能直接關系到太陽能光熱發(fā)電經(jīng)濟性，當發(fā)電系統(tǒng)效率提升1%，光熱發(fā)電將增長年收益2%以上。研制光熱發(fā)電動力島主要設備要特別關注發(fā)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(fā)電系統(tǒng)設備的安全性和穩(wěn)定性。
5、光熱發(fā)電的技術發(fā)展主要方向
1)光熱發(fā)電高參數(shù)、大容量、連續(xù)發(fā)電發(fā)展。太陽熱輻射能可直接發(fā)電能，且能進行熱能儲存，實現(xiàn)光熱發(fā)電長周期平穩(wěn)電力連續(xù)輸出。百兆瓦級塔式光熱發(fā)電站投入商業(yè)運行證明，塔式技術能實現(xiàn)更高的運行溫度，超強的集熱能力和儲熱能力，保證驅(qū)動汽輪機發(fā)電的工質(zhì)參數(shù)高，甚至實現(xiàn)超臨界技術發(fā)電。光熱發(fā)電在技術層面已具備大容量、高參數(shù)、連續(xù)發(fā)電的基本條件，工程層面要加快光熱發(fā)電技術向著高參數(shù)和大容量進程是總體大趨勢。
2)光熱發(fā)電技術互補，建設集合式光熱發(fā)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(fā)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(fā)電組合技術，取長補短充分發(fā)揮各自聚光比高、集熱技術成熟和總體效率高等技術優(yōu)勢，從建設和運維方面降低成本，提高光熱發(fā)電的運行效率，現(xiàn)已采用組合技術建設光熱發(fā)電站，探索研究更有利于發(fā)揮各自優(yōu)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(fā)電站。將成熟的風、光、熱等各種清潔能源技術進行優(yōu)化組合，建立能源全方位利用機制，實現(xiàn)電力生產(chǎn)和輸出靈活性和總體輸出功率穩(wěn)定性，組建具有儲能的光熱、光伏、風能、生物質(zhì)等互補技術的新能源發(fā)電站，充分利用風電、光伏、光熱和儲能各自優(yōu)勢，有效解決電力調(diào)峰問題，提升電力系統(tǒng)風、光、電、儲等能源的利用效益，提高電力系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性。
4)建設光熱發(fā)電和傳統(tǒng)化石燃料聯(lián)合電站。隨著太陽能發(fā)電技術的成熟，將太陽能和煤電、天然氣等常規(guī)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(fā)電與燃氣或燃油或煤電組合式聯(lián)合循環(huán)電站，充分利用太陽能再生清潔資源和規(guī)?；瘍醿?yōu)勢，降低化石能源的消耗比重，實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的電力供應滿足經(jīng)濟發(fā)展需要。
太陽能光熱發(fā)電技術同超臨界CO2技術結(jié)合是將來光熱發(fā)展的新方向，隨著新型熔鹽和液體金屬等傳熱工質(zhì)技術的成熟，太陽能光發(fā)電效率將不斷提高，太陽能利用將占有更大比重。
6、結(jié)論
現(xiàn)在我國光熱發(fā)電技術已經(jīng)積累相當豐富經(jīng)驗，首批示范光熱電站中首航塔式100MW、中廣核德令哈槽式50MW并網(wǎng)發(fā)電實現(xiàn)商運，全面驗證我國太陽熱輻射能發(fā)電技術的可靠性。實現(xiàn)在2030年我國光熱發(fā)電量占能源總量10%目標，既要深入研究光熱發(fā)電新技術，又要尋求光熱發(fā)電技術組合路線，研制性能優(yōu)良的光熱發(fā)電配套設備，促進我國太陽能光熱發(fā)電技術向大容量高參數(shù)方向發(fā)展，促使我國光熱發(fā)電技術從跟蹤技術到自主研發(fā)的跨躍。