【深度】光熱發(fā)電技術解析

關于太陽能的能源利用方面，目前有兩種，一種是光伏發(fā)電：利用太陽能電池板將光能轉化為電能;另外一種是光熱技術：利用太陽能的高溫將光能轉化成熱能。我國太陽能熱發(fā)電正處于起步階段，十一五規(guī)劃中的863計劃就有關于太陽能光熱發(fā)電的項目,此前一段時間內(nèi)，光熱技術主要是以太陽能熱水器或者太陽能聚熱廚具為主。隨著國家的重視與提倡，光熱發(fā)電技術正以一種蓬勃的姿態(tài)展現(xiàn)在人們的視野之中。2015年12月30日發(fā)布的《國家重點節(jié)能低碳技術推廣目錄(2015年本，節(jié)能部分)》中，中低溫太陽能工業(yè)熱力應用系統(tǒng)技術和染整企業(yè)節(jié)能集熱技術被列入目錄中。2016年開年，更是各類的光熱展覽、研討會不斷。那么光熱發(fā)電技術是如何利用太陽能發(fā)電，又是如何分類呢?下面就圍繞這兩個問題簡要分析一下光熱發(fā)電技術。

光熱技術的發(fā)電原理

光熱發(fā)電技術，是不同于光伏發(fā)電的全新的新能源應用技術。它是一個將太陽能轉化為熱能，再將熱能轉化為電能的過程。利用聚光鏡等聚熱器采集的太陽熱能，將傳熱介質(zhì)加熱到幾百度的高溫，傳熱介質(zhì)經(jīng)過換熱器后產(chǎn)生高溫蒸汽，從而帶動汽輪機產(chǎn)生電能。此處的傳熱介質(zhì)多為導熱油與熔鹽。通常我們將整個的光熱發(fā)電系統(tǒng)分成四部分：集熱系統(tǒng)、熱傳輸系統(tǒng)、蓄熱與熱交換系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)。

集熱系統(tǒng)：集熱系統(tǒng)包括聚光裝置、接收器、跟蹤機構等部件。如果說集熱系統(tǒng)是整個光熱發(fā)電的核心，那么聚光裝置就是集熱系統(tǒng)的核心。聚光裝置即為聚光鏡或者定日鏡等。其反射率、焦點偏差等均能影響發(fā)電效率。目前國內(nèi)生產(chǎn)的聚光鏡，效率可以達到94%，與國外生產(chǎn)的聚光鏡效率相差不大。集熱系統(tǒng)采集太陽能，將太陽能轉化為熱能。

熱傳輸系統(tǒng)：熱傳輸系統(tǒng)主要是傳輸集熱系統(tǒng)收集起來的熱能。利用傳熱介質(zhì)將熱能輸送給蓄熱系統(tǒng)。傳熱介質(zhì)多為導熱油和熔鹽。理論上，熔鹽比導熱油溫度高，發(fā)電效率大，也更安全。熱傳輸系統(tǒng)一般有預熱器、蒸汽發(fā)生器、過熱器和再熱器等組成。熱傳輸系統(tǒng)的基本要求是：傳熱管道損耗小、輸送傳熱介質(zhì)的泵功率小、熱量傳輸?shù)某杀镜?。在熱傳輸過程中，傳熱管道越短，熱損耗就越小。

蓄熱與熱交換系統(tǒng)：個人認為，光熱發(fā)電技術在蓄熱與熱交換系統(tǒng)中充分體現(xiàn)了對比光伏發(fā)電技術的優(yōu)勢。即將太陽熱能儲存起來?？梢栽谝归g發(fā)電，也可以根據(jù)當?shù)氐挠秒娯摵桑m應電網(wǎng)調(diào)度發(fā)電。蓄熱裝置常由真空絕熱或以絕熱材料包覆的蓄熱器構成。蓄熱系統(tǒng)中對儲熱介質(zhì)的要求為：儲能密度大，來源豐富且價格低廉，性能穩(wěn)定，無腐蝕性，安全性好，傳熱面積大，熱交換器導熱性能好，儲熱介質(zhì)具有較好的黏性。目前我國正在研究蓄熱的各種新技術新材料，更有專家提出用陶瓷等價格低廉的固體蓄熱，以達到降低發(fā)電成本的效果。

發(fā)電系統(tǒng)：用于太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機有汽輪機、燃氣輪機、低沸點工質(zhì)汽輪機、斯特林發(fā)電機等。這些發(fā)電裝置，可根據(jù)汽輪機入口熱能的溫度等級及熱量、蒸汽壓力等情況進行選擇。對于大型光熱發(fā)電系統(tǒng)，由于其溫度等級與火力發(fā)電系統(tǒng)基本相同，可選用常規(guī)的汽輪機;工作溫度在800℃以上時，可選用燃氣輪機;對于小功率或者低溫的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，則可選用低沸點工質(zhì)汽輪機或斯特林發(fā)動機。目前使用的汽輪機，空冷居多。雖然光熱技術的發(fā)電系統(tǒng)類似于火力發(fā)電系統(tǒng)，但是還是有一定的區(qū)別，這樣就要要求汽輪機具有頻繁啟停、快速啟動、低負荷運行、高效性等特點。

光熱技術的分類

依照聚焦方式及結構的不同，光熱技術可以分為塔式、槽式、碟式、菲涅爾式四種。

塔式發(fā)電系統(tǒng)：塔式發(fā)電系統(tǒng)為點式聚焦系統(tǒng)，其利用大規(guī)模的定日鏡形成的定日鏡場陣列，將太陽輻射反射到置于高塔頂部的吸熱器上，加熱傳熱介質(zhì)，使其直接產(chǎn)生蒸汽或者換熱后再產(chǎn)生蒸汽，以此驅動汽輪機發(fā)電。塔式系統(tǒng)具有熱傳遞路程短、熱損耗小、聚光比和溫度較高等優(yōu)點，但塔式系統(tǒng)必須規(guī)模化利用，占地要求高，單次投資較大，采用雙軸跟蹤系統(tǒng)，鏡場的控制系統(tǒng)較為復雜。

塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)

槽式與菲涅爾式發(fā)電系統(tǒng)：槽式與菲涅爾式發(fā)電系統(tǒng)都屬于線性聚焦系統(tǒng)，二者的聚光型式相同，聚光方法不同。菲涅爾式發(fā)電系統(tǒng)聚光方法為：具有跟蹤太陽運動裝置的主反射鏡列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。槽式發(fā)電系統(tǒng)為利用槽型拋物面反射鏡將太陽光聚焦到線性集熱器上，對傳熱介質(zhì)加熱，將太陽能轉化為熱能。其余部分相同，所以將這二者放在一起闡述。

在對日跟蹤系統(tǒng)的作用下，陽光會被連續(xù)地聚集在焦點線位置的線型集熱器上。在集熱管中流動的熱流體(傳熱介質(zhì))將熱量連續(xù)不斷地輸送到高壓蒸汽發(fā)生器中，通過熱交換系統(tǒng)，產(chǎn)生熱蒸汽。用于發(fā)電，熱蒸汽做功后經(jīng)過壓縮冷凝回流到熱蒸汽發(fā)生器中，再次被加熱成為閉環(huán)系統(tǒng)不斷循環(huán)的熱蒸汽。于此同時，通過熱交換器后的傳熱介質(zhì)流體也將返回到集熱場中再次被加熱。另外在系統(tǒng)中放置儲熱罐，存儲富余的能量，在太陽能不足時對系統(tǒng)進行補給，從而加大了太陽能的利用效率。

槽式與菲涅爾式發(fā)電系統(tǒng)的結構部件簡單，易于實現(xiàn)工業(yè)標準化批量生產(chǎn)和安裝。對太陽的跟蹤系統(tǒng)通常采取單軸跟蹤系統(tǒng)，跟蹤裝置較為簡化。但其聚光比小，傳熱介質(zhì)一般只能加熱到四五百度，且抗風性略差。

槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)

菲涅爾式光熱發(fā)電系統(tǒng)

碟式系統(tǒng)：碟式系統(tǒng)也是點式聚焦系統(tǒng)，它應該是太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是世界上最早出現(xiàn)的太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)了。碟式系統(tǒng)也稱為拋物面反射鏡斯特林系統(tǒng)，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(nèi)的傳熱介質(zhì)被加熱后，驅動斯特林發(fā)動機進行發(fā)電。碟式系統(tǒng)的聚光比非常高，從幾百至上千都可達到，聚焦溫度甚至可以達到1000℃以上，效率較高，對于地面坡度要求也更為靈活。但成本上還缺少優(yōu)勢，技術上也有待于完善。碟式系統(tǒng)較適用于邊遠地區(qū)獨立電站。可以單臺使用或多臺并聯(lián)使用，適宜小規(guī)模發(fā)電。

碟式光熱發(fā)電系統(tǒng)

目前光熱發(fā)電項目中，槽式發(fā)電系統(tǒng)占比為84.7%，塔式發(fā)電系統(tǒng)占比為12.4%，其他發(fā)電技術占比為3%。世界范圍內(nèi)槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)占比最高，但塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)綜合效率高，非常適合于大規(guī)模、大容量商業(yè)化應用，在規(guī)劃建設的光熱電站項目中塔式所占的比例已經(jīng)超出了槽式技術。有關專家認為，未來塔式光熱發(fā)電技術將是光熱發(fā)電的主要技術流派。

關于光熱發(fā)電技術，以上均為個人認知，與大家分享交流。目前光熱發(fā)電在大形勢下發(fā)展良好，國家相關政策一一出臺，各類光熱示范項目也逐一啟動。據(jù)《太陽能發(fā)電十三五規(guī)劃》牽頭編制機構水電水利規(guī)劃設計總院方面的消息，“十三五”期間(2016-2020)光熱發(fā)電的裝機目標或定為10GW。相信在各方的推動下，未來的光熱發(fā)電技術將會成為太陽能利用的主流。