【深度】光熱發(fā)電技術(shù)解析

關(guān)于太陽(yáng)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(yáng)能電池板將光能轉化為電能;另外一種是光熱技術(shù)：利用太陽(yáng)能的高溫將光能轉化成熱能。我國太陽(yáng)能熱發(fā)電正處于起步階段，十一五規劃中的863計劃就有關(guān)于太陽(yáng)能光熱發(fā)電的項目,此前一段時(shí)間內，光熱技術(shù)主要是以太陽(yáng)能熱水器或者太陽(yáng)能聚熱廚具為主。隨著(zhù)國家的重視與提倡，光熱發(fā)電技術(shù)正以一種蓬勃的姿態(tài)展現在人們的視野之中。2015年12月30日發(fā)布的《國家重點(diǎn)節能低碳技術(shù)推廣目錄(2015年本，節能部分)》中，中低溫太陽(yáng)能工業(yè)熱力應用系統技術(shù)和染整企業(yè)節能集熱技術(shù)被列入目錄中。2016年開(kāi)年，更是各類(lèi)的光熱展覽、研討會(huì )不斷。那么光熱發(fā)電技術(shù)是如何利用太陽(yáng)能發(fā)電，又是如何分類(lèi)呢?下面就圍繞這兩個(gè)問(wèn)題簡(jiǎn)要分析一下光熱發(fā)電技術(shù)。

光熱技術(shù)的發(fā)電原理

光熱發(fā)電技術(shù)，是不同于光伏發(fā)電的全新的新能源應用技術(shù)。它是一個(gè)將太陽(yáng)能轉化為熱能，再將熱能轉化為電能的過(guò)程。利用聚光鏡等聚熱器采集的太陽(yáng)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(guò)換熱器后產(chǎn)生高溫蒸汽，從而帶動(dòng)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(gè)的光熱發(fā)電系統分成四部分：集熱系統、熱傳輸系統、蓄熱與熱交換系統、發(fā)電系統。

集熱系統：集熱系統包括聚光裝置、接收器、跟蹤機構等部件。如果說(shuō)集熱系統是整個(gè)光熱發(fā)電的核心，那么聚光裝置就是集熱系統的核心。聚光裝置即為聚光鏡或者定日鏡等。其反射率、焦點(diǎn)偏差等均能影響發(fā)電效率。目前國內生產(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。集熱系統采集太陽(yáng)能，將太陽(yáng)能轉化為熱能。

熱傳輸系統：熱傳輸系統主要是傳輸集熱系統收集起來(lái)的熱能。利用傳熱介質(zhì)將熱能輸送給蓄熱系統。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。熱傳輸系統一般有預熱器、蒸汽發(fā)生器、過(guò)熱器和再熱器等組成。熱傳輸系統的基本要求是：傳熱管道損耗小、輸送傳熱介質(zhì)的泵功率小、熱量傳輸的成本低。在熱傳輸過(guò)程中，傳熱管道越短，熱損耗就越小。

蓄熱與熱交換系統：個(gè)人認為，光熱發(fā)電技術(shù)在蓄熱與熱交換系統中充分體現了對比光伏發(fā)電技術(shù)的優(yōu)勢。即將太陽(yáng)熱能儲存起來(lái)?？梢栽谝归g發(fā)電，也可以根據當地的用電負荷，適應電網(wǎng)調度發(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。蓄熱系統中對儲熱介質(zhì)的要求為：儲能密度大，來(lái)源豐富且價(jià)格低廉，性能穩定，無(wú)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(shù)新材料，更有專(zhuān)家提出用陶瓷等價(jià)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：用于太陽(yáng)能熱發(fā)電系統的發(fā)電機有汽輪機、燃氣輪機、低沸點(diǎn)工質(zhì)汽輪機、斯特林發(fā)電機等。這些發(fā)電裝置，可根據汽輪機入口熱能的溫度等級及熱量、蒸汽壓力等情況進(jìn)行選擇。對于大型光熱發(fā)電系統，由于其溫度等級與火力發(fā)電系統基本相同，可選用常規的汽輪機;工作溫度在800℃以上時(shí)，可選用燃氣輪機;對于小功率或者低溫的太陽(yáng)能發(fā)電系統，則可選用低沸點(diǎn)工質(zhì)汽輪機或斯特林發(fā)動(dòng)機。目前使用的汽輪機，空冷居多。雖然光熱技術(shù)的發(fā)電系統類(lèi)似于火力發(fā)電系統，但是還是有一定的區別，這樣就要要求汽輪機具有頻繁啟停、快速啟動(dòng)、低負荷運行、高效性等特點(diǎn)。

光熱技術(shù)的分類(lèi)

依照聚焦方式及結構的不同，光熱技術(shù)可以分為塔式、槽式、碟式、菲涅爾式四種。

塔式發(fā)電系統：塔式發(fā)電系統為點(diǎn)式聚焦系統，其利用大規模的定日鏡形成的定日鏡場(chǎng)陣列，將太陽(yáng)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(dòng)汽輪機發(fā)電。塔式系統具有熱傳遞路程短、熱損耗小、聚光比和溫度較高等優(yōu)點(diǎn)，但塔式系統必須規?；?，占地要求高，單次投資較大，采用雙軸跟蹤系統，鏡場(chǎng)的控制系統較為復雜。

塔式光熱發(fā)電系統

槽式與菲涅爾式發(fā)電系統：槽式與菲涅爾式發(fā)電系統都屬于線(xiàn)性聚焦系統，二者的聚光型式相同，聚光方法不同。菲涅爾式發(fā)電系統聚光方法為：具有跟蹤太陽(yáng)運動(dòng)裝置的主反射鏡列將太陽(yáng)光反射聚集到具有二次曲面的二級反射鏡和線(xiàn)性集熱器上，集熱器將太陽(yáng)能轉化為熱能。槽式發(fā)電系統為利用槽型拋物面反射鏡將太陽(yáng)光聚焦到線(xiàn)性集熱器上，對傳熱介質(zhì)加熱，將太陽(yáng)能轉化為熱能。其余部分相同，所以將這二者放在一起闡述。

在對日跟蹤系統的作用下，陽(yáng)光會(huì )被連續地聚集在焦點(diǎn)線(xiàn)位置的線(xiàn)型集熱器上。在集熱管中流動(dòng)的熱流體(傳熱介質(zhì))將熱量連續不斷地輸送到高壓蒸汽發(fā)生器中，通過(guò)熱交換系統，產(chǎn)生熱蒸汽。用于發(fā)電，熱蒸汽做功后經(jīng)過(guò)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)系統不斷循環(huán)的熱蒸汽。于此同時(shí)，通過(guò)熱交換器后的傳熱介質(zhì)流體也將返回到集熱場(chǎng)中再次被加熱。另外在系統中放置儲熱罐，存儲富余的能量，在太陽(yáng)能不足時(shí)對系統進(jìn)行補給，從而加大了太陽(yáng)能的利用效率。

槽式與菲涅爾式發(fā)電系統的結構部件簡(jiǎn)單，易于實(shí)現工業(yè)標準化批量生產(chǎn)和安裝。對太陽(yáng)的跟蹤系統通常采取單軸跟蹤系統，跟蹤裝置較為簡(jiǎn)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(fēng)性略差。

槽式光熱發(fā)電系統

菲涅爾式光熱發(fā)電系統

碟式系統：碟式系統也是點(diǎn)式聚焦系統，它應該是太陽(yáng)能熱發(fā)電系統是世界上最早出現的太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統了。碟式系統也稱(chēng)為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(diǎn)上，接收器內的傳熱介質(zhì)被加熱后，驅動(dòng)斯特林發(fā)動(dòng)機進(jìn)行發(fā)電。碟式系統的聚光比非常高，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(shù)上也有待于完善。碟式系統較適用于邊遠地區獨立電站?？梢詥闻_使用或多臺并聯(lián)使用，適宜小規模發(fā)電。

碟式光熱發(fā)電系統

目前光熱發(fā)電項目中，槽式發(fā)電系統占比為84.7%，塔式發(fā)電系統占比為12.4%，其他發(fā)電技術(shù)占比為3%。世界范圍內槽式光熱發(fā)電系統占比最高，但塔式光熱發(fā)電系統綜合效率高，非常適合于大規模、大容量商業(yè)化應用，在規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(shù)。有關(guān)專(zhuān)家認為，未來(lái)塔式光熱發(fā)電技術(shù)將是光熱發(fā)電的主要技術(shù)流派。

關(guān)于光熱發(fā)電技術(shù)，以上均為個(gè)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(guān)政策一一出臺，各類(lèi)光熱示范項目也逐一啟動(dòng)。據《太陽(yáng)能發(fā)電十三五規劃》牽頭編制機構水電水利規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(dòng)下，未來(lái)的光熱發(fā)電技術(shù)將會(huì )成為太陽(yáng)能利用的主流。