太陽能熱動力發(fā)電技術(shù)原理與應(yīng)用前景

溫州商學(xué)院信息工程學(xué)院 李 寧 張思揚

1 引言

伴隨社會經(jīng)濟的持續(xù)發(fā)展，生活水平的不斷提升，人類對不可再生資源的需求也在相應(yīng)日益擴大，自然而然，不可再生資源便會因而逐年減少。所以人類將渴求探索一種取之不盡、用之不竭的新能源，來滿足我們當(dāng)代社會的發(fā)展需求。太陽能顯然就是我們尋求的重要資源之一。太陽能是一種新型能源。在我國分布廣闊且蘊藏豐富。中國目前仍停留在以火力發(fā)電為主的粗放型能源開發(fā)模式，利用燃燒煤、石油、天然氣等不可再生資源發(fā)熱產(chǎn)生電能，效率相對低下。如今太陽能發(fā)電是眾多發(fā)達(dá)國家所著重運用的能源開發(fā)手段。與傳統(tǒng)發(fā)電模式相比，太陽能發(fā)電不僅有效保護了不可再生資源，而且對于我們生活的環(huán)境也裨益良多。當(dāng)前，太陽能發(fā)電主要有兩種方法：一是直接將太陽輻射能轉(zhuǎn)換熱能再轉(zhuǎn)化為電能，稱為太陽能熱動力發(fā)電；二是利用光伏器件將太陽的光能轉(zhuǎn)換為電能，稱為太陽能光伏器件發(fā)電。

2 太陽能熱動力發(fā)電技術(shù)原理

在傳統(tǒng)的燃料發(fā)電廠中，都是以天然氣、石油、煤等燃料發(fā)電，推動發(fā)電機發(fā)電，如圖1黑色加粗的方框所示。太陽能熱動力發(fā)電系統(tǒng)由太陽裝置、儲熱槽、汽輪發(fā)電機、凝氣器組成，如圖1所示。

圖1 典型太陽能熱動力發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)原理圖

當(dāng)發(fā)電系統(tǒng)運行時，依靠非自身電源供電，啟動電機運行，從而帶動整個發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定輸出電量（此刻電機處于電動狀態(tài)）。穩(wěn)定之后，在太陽能輻射充足的情況下，供給儲熱槽加熱，儲熱槽加熱變成水蒸氣，經(jīng)過太陽能裝置系統(tǒng)將太陽輻射從面積上濃縮產(chǎn)生高溫，此時空氣具備了高壓條件，就有了足夠的能量推動汽輪電機發(fā)電。從中可以得出的結(jié)論是：太陽輻射能越高，轉(zhuǎn)換為機械能越大，整個發(fā)電系統(tǒng)輸出的電量越多。

3 太陽能熱動力系統(tǒng)構(gòu)成

太陽能熱動力系統(tǒng)基本組成結(jié)構(gòu)有聚光集熱子系統(tǒng)、儲熱子系統(tǒng)、輔助能源子系統(tǒng)、熱動力發(fā)電系統(tǒng)。各系統(tǒng)各司其職，合力推動整體良性運轉(zhuǎn)。

3.1 聚光集熱子系統(tǒng)

太陽能聚光集熱子系統(tǒng)可分集光器、接收器、太陽方向跟蹤器三大件。

（1）聚光器的主要功能是將太陽集中在某一個點上，以提高集熱的效果。例如菲涅爾透鏡，其實菲涅爾透鏡基本原理很簡單，就是把一個塑料玻璃片，切成很多個同心圓的小型圓環(huán)（就像大樹的年輪），每一個圓都比外面的圓環(huán)小，組合在一起，把光源聚在一個中心點上，從而形成我們的菲涅爾透鏡。只要菲涅爾透鏡足夠大，就蛻化成了我們所需要的聚光器。

（2）接收器是聚光集熱系統(tǒng)的集熱部件。是光熱裝換的最重要部件。它接收聚光器的光，轉(zhuǎn)換為熱能，進而產(chǎn)生一定程度的高溫高壓氣體來推動電機發(fā)電。

（3）太陽方向跟蹤器的含義是：聚光器接收面實時跟蹤太陽位置，主要目的是為了太陽輻射能得到最大程度的利用。在我們?nèi)粘Ｉ钪谐Ｓ玫挠袃煞N跟蹤方法：其一，太陽方向跟蹤器基于太陽位置用天文學(xué)計算進行位置追蹤；其二，太陽輻射傳感器利用對太陽方向的判斷實現(xiàn)跟蹤，兩種的跟蹤方法各有千秋，也各有弊端。第一種方法的缺點是存在一定的累計誤差；第二種則是在雨天或是多云的不利條件下，傳感器容易找不到正確的聚光面。通常情況下我們會結(jié)合兩種方式進行跟蹤處理。

3.2 儲熱子系統(tǒng)

儲熱子系統(tǒng)是極為關(guān)鍵的一部分，在早晚和多云的情況下，電站必須依靠晴天所儲蓄下的熱動力來維持一段時間電機的正常運作，如果在夜間或是多云天氣下熱儲蓄能不夠的話，我們則可以考慮用常規(guī)的燃料來輔助熱能。

儲熱子系統(tǒng)的工作方式和太陽能熱能發(fā)電站密切相關(guān)，經(jīng)典太陽能熱動力發(fā)電站的運行方式為：八點左右太陽能聚光集熱系統(tǒng)開始工作；九點左右啟動汽輪電動機；十點之前集熱裝置一直在儲熱槽加熱；十點到十三點汽輪電動機處于穩(wěn)定狀態(tài)并集熱裝置收集太陽熱量直接供給汽輪電機，汽輪電機持續(xù)穩(wěn)定輸出電能；十三點之后接收太陽輻射和汽輪電機發(fā)電量持續(xù)下降，十五點起，太陽輻射開始強度衰減，此時儲熱系統(tǒng)開始釋放熱量，提供給汽輪電機正常發(fā)電，直到十八點三十分以后停止工作。

3.3 輔助能源子系統(tǒng)

為了能讓太陽能熱動力發(fā)電廠持續(xù)穩(wěn)定的輸出電量，保證熱動力發(fā)電站汽輪電機長期工作，同樣也是從經(jīng)濟角度來考慮，我們的熱動力發(fā)電站在晚上和多云的天氣下，不僅僅只是儲熱子系統(tǒng)在單獨支撐發(fā)電機的運轉(zhuǎn)，我們同時還在系統(tǒng)中添加普通燃料鍋爐進行加熱，啟動汽輪電機。雙管齊下，配合使用，從而保證電廠的電量24小時穩(wěn)定輸出，也能更充分利用太陽能資源。

3.4 監(jiān)控子系統(tǒng)

監(jiān)控子程序主要用于對太陽輻射和天氣狀況的實時記錄與分析，以保證太陽能熱電廠有效安全的工作。除此之外也對各個系統(tǒng)的熱參數(shù)、電參數(shù)以及安全報警系統(tǒng)進行全面監(jiān)控。

3.5 熱動力發(fā)電系統(tǒng)

太陽能熱動力發(fā)電子系統(tǒng)就是相應(yīng)的常規(guī)能源熱動力發(fā)電廠的熱動力發(fā)電機組，其汽水系統(tǒng)則完全相同或相近的功能輸出。

4 太陽能熱動力應(yīng)用前景與發(fā)展

據(jù)實而論，太陽能發(fā)電作為一個朝陽產(chǎn)業(yè)，在我國水平還處于初級階段。前路漫漫，但也正好說明太陽能發(fā)電在中國具備很大的升值空間，特別是近幾年來大氣污染的日益嚴(yán)重，能源不斷減少的式微局面下，太陽能發(fā)電也越來越得到大眾的認(rèn)可。本文接下來將重點從以下幾個方面分析太陽能熱動力的寶貴應(yīng)用前景。

4.1 我國光熱資源分析

據(jù)統(tǒng)計全國太陽輻射年總量和國土陸地總面積分別為3350—8370MJ/M、9597000平方公里，由此足可看出我國太陽資源總量豐富[1]，地域遼闊。另外，從全國輻射總量和地域開發(fā)總量方面分析，青海、西藏、新疆、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙古等地比較適合太陽能發(fā)電，特別是青藏高原，光照時長世界第二，但同樣一個不得不面對的困境是：我國的太陽能資源分布是十分不均勻的。綜上，我國太陽輻射能資源較好，利于太陽能發(fā)展，但因其分布的不平均，又給太陽能開發(fā)的本身帶來了一定的現(xiàn)實操作難度。

4.2 太陽能熱發(fā)電成本分析

太陽熱發(fā)電最大的阻礙是熱發(fā)電成本高，效益不明顯，國際能源署(IEA)公布計算可再生能源系統(tǒng)發(fā)電成本的計算公式如下：

式中：LCE為太陽能熱發(fā)電成本； Kinvest為熱發(fā)電站的總投資費用；KOM為全年年運行維護與管理費用； Kfuel為全年燃料費用；Enet為全年年凈發(fā)電量 ( 由全年發(fā)電量減去全年發(fā)電廠用電量得出 ) ；Kd為實際貸款利率；n為電站壽命；kinsurance為年保險費用[3]。

從公式1中可以看出太陽能發(fā)電成本與總投資、運行維護與管理費用、燃料費用、全年凈發(fā)電量等息息相關(guān)。特別是合理規(guī)劃熱發(fā)電站的初期投資費用，乃是解決熱發(fā)電電站成本高企的根本路徑。其次，降低運行維修與管理費用、全年燃料費用也至關(guān)重要，力爭實現(xiàn)成本最小化。

據(jù)統(tǒng)計，熱發(fā)電站與其他類型發(fā)電站投資成本費用對比如表1所示[3.4]。

表1 熱發(fā)電站與其他類型發(fā)電站投資成本費用表

從表1中可以看出，無論是哪種太陽能熱發(fā)電類型，其成本都要高于其他類型的發(fā)電成本，其中與燃煤發(fā)電的對比尤為鮮明。應(yīng)該說，成本問題在很大程度上制約了熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展，再者就是太陽能熱發(fā)電效率取決于太陽輻射的長短與強弱，這也就同時意味著發(fā)電狀態(tài)的不穩(wěn)定。另外，當(dāng)前的太陽能熱發(fā)電技術(shù)效率相對仍然較低，所以總體而論，全年年凈發(fā)電量值（Enet）并不高。

4.3 國內(nèi)太陽能熱發(fā)電相關(guān)政策分析

近幾年國家政策對太陽能發(fā)電技術(shù)支持的力度可謂十足，可以預(yù)見的是太陽能熱動力發(fā)電日后在我國將獲得較大的發(fā)展空間，表2是我國近年來對太陽能熱動力發(fā)電部分政策支持。

表2 我國近年來對太陽能熱動力發(fā)電部分政策

從表2中可以看出我國政府在制定太陽能熱發(fā)電的相關(guān)政策中，對涉及到的電標(biāo)桿上網(wǎng)電價政策、太陽能項目、產(chǎn)品服務(wù)指導(dǎo)等都給予了充分的重視。從2015年國家能源局《關(guān)于組織太陽能熱發(fā)電示范項目建設(shè)》的通知中明確提出要組織開展一批太陽能熱發(fā)電示范項目建設(shè)，到2016年國家發(fā)改委《關(guān)于建設(shè)太陽能熱發(fā)電示范項目》的通知中率先確定第一批20個太陽能熱發(fā)電示范項目，一年的時間，從組織到建設(shè)，有條不紊地推進，從容不迫的實施，這也從側(cè)面反映出國家正在一步一步為太陽能熱動力發(fā)電的發(fā)展邁進新征途，以期為太陽能事業(yè)的未來前景奠定堅強的基礎(chǔ)。

4.4 太陽能發(fā)電技術(shù)項目建設(shè)情況與發(fā)展

政策的出臺大大推動了太陽能熱電的發(fā)展。根據(jù)國家可再生能源信息中心從各省上報資料匯總合計，2015年我國已建成實驗示范性太陽能熱發(fā)電站（系統(tǒng)）6座，裝機規(guī)模為1.388萬千瓦；于此同時，2016年另有一重要政策出臺：能源局下發(fā)首批太陽能熱發(fā)電示范項目名單，共有20個項目入選，包括9個塔式電站，7個槽式電站和4個菲涅爾電站，總計裝機容量134.9萬千瓦。

近年來，我國太陽能技術(shù)發(fā)展迅速，經(jīng)濟效益明顯改善，但是我國太陽能發(fā)電技術(shù)上的經(jīng)濟效益、產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)和一些發(fā)達(dá)國家相比，仍存有較大差距。缺乏技術(shù)實現(xiàn)資源開發(fā)，創(chuàng)新能力和基礎(chǔ)研究能力不強，技術(shù)人才不足，開發(fā)利用成本比較高等都是我們目前太陽能開發(fā)拓展征途上的“攔路虎”，再加上客觀外在生態(tài)環(huán)境下，太陽能資源在我國分布極不均勻，繼而又引發(fā)出市場較小，不能連續(xù)工作等連鎖問題。更為嚴(yán)重的是：目前我國的太陽能發(fā)電市場幾乎沒有自主競爭力，大部分相關(guān)企業(yè)都需依靠著政府的政策來謀求自身的進一步發(fā)展。因此，我國應(yīng)該加大對高等院校、研究所、職業(yè)培養(yǎng)等人才培訓(xùn)的政策傾斜及資金支持，力爭貢獻(xiàn)出一支有能力、有活力、有擔(dān)當(dāng)?shù)拿駹I企業(yè)隊伍，為太陽能熱動力發(fā)電輸送高素質(zhì)人才，以此保證太陽能產(chǎn)業(yè)鏈的有序健康發(fā)展。長遠(yuǎn)來說，太陽能熱動力發(fā)電技術(shù)在我國的產(chǎn)業(yè)鏈還十分的不健全，提出一條健康的發(fā)展思路，制定一份符合基本國情的政策方針，明確未來方向和側(cè)重點因而更顯刻不容緩。加強太陽能發(fā)電技術(shù)創(chuàng)新，方能引導(dǎo)太陽能發(fā)電走向產(chǎn)業(yè)頂峰。

4.5 太陽能熱發(fā)電動力系統(tǒng)應(yīng)用前景分析

以下我將運用SWOT分析法簡單地對太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)在我國的應(yīng)用前景做一個大致的羅列：

S：承前文所講，太陽能熱發(fā)電在我國的發(fā)展仍尚處于起步階段，而我國政府對于太陽能發(fā)電的支持力度不可謂不強， 從組織開展示范項目建設(shè)到最終20個大項的率先確定，政策上空前的傾斜程度無疑為國內(nèi)的自主企業(yè)鋪陳了一條極為便利，壁壘甚少的拓展之路。

W：客觀外界環(huán)境于太陽能發(fā)電不利的一點是我國的太陽能資源分布極為不均衡。太陽能資源相對集中于經(jīng)濟落后的地區(qū)，這便給太陽能發(fā)電的產(chǎn)業(yè)化帶來了不小的難度，市場儲備嚴(yán)重不足，同時也給資源的合理配置帶來了極大的難度。

0：當(dāng)前社會高速發(fā)展，不可再生資源的不可逆性也就注定了其損耗的驚人。為了維持生產(chǎn)生活的正常運轉(zhuǎn)，將資源利用的重心轉(zhuǎn)向可再生資源也便成了順理成章的事情。更不用提太陽能發(fā)電本身的清潔性與傳統(tǒng)發(fā)電模式相比，有著天然的優(yōu)勢，其特性與我們當(dāng)前所提倡的環(huán)境保護，構(gòu)建生態(tài)文明的理念不謀而合，從而也必將在未來贏得社會輿論與公眾的更大認(rèn)可，并為產(chǎn)業(yè)發(fā)展贏得巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

T：一個不得不面對的殘酷現(xiàn)實是：雖然具備不小的發(fā)展空間，我國的太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)尚稚嫩如初生的雛鷹。民營企業(yè)自主創(chuàng)新能力弱，技術(shù)水平低下，發(fā)電成本高企，效率不足等都是目前幾乎難以一朝一夕逾越的巨大鴻溝。與西方發(fā)達(dá)國家相比，我方企業(yè)的競爭力是難匹敵，在豐厚的政策紅利庇護下，生存之路依舊舉步維艱。要想改變當(dāng)前的困境，非單一個體的單一責(zé)任，亟待政府、企業(yè)、科研機構(gòu)、社會公眾各方三軍用力。

5 結(jié)論

當(dāng)代社會，不可再生資源日益匱乏，環(huán)境破壞嚴(yán)重的困局迫使我們進退維谷。因此，我們必須要充分利用起身邊的可再生能源，從而保護我們已然為數(shù)不多的不可再生資源，此乃我們當(dāng)代社會人的責(zé)任和擔(dān)當(dāng)。有人說太陽能熱動力發(fā)電比光伏發(fā)電在原理上更為簡單，實際上則并非如此。太陽能熱動力細(xì)節(jié)上其實更難，更復(fù)雜。從很多角度出發(fā)分析，都可以看出目前的太陽能熱動力發(fā)電技術(shù)還未得到完全的優(yōu)化與改進，有著很大的不足，困擾著太陽能熱動力發(fā)電的發(fā)展與進程。但是，有賴于國家的政策扶持和企業(yè)自身的創(chuàng)新與探索，我也相信在不久的將來，太陽能技術(shù)的開發(fā)和其產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展必有一個巨大的飛躍，屆時，太陽能發(fā)電技術(shù)將會實實在在地影響到我們每一個人的生活，太陽能熱動力發(fā)電也會在各個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，也就是說，太陽能熱動力發(fā)電技術(shù)的發(fā)展前景無疑是十分可觀的。

[1]余軍勝．太陽能光伏器件技術(shù)[D]．電子科技大學(xué)出版社,2011．

[2]賈婧．光熱發(fā)電,太陽能利用的下一個蛋糕[EB/OL]．https∶//mp．weixin．qq．com/s?_biz=MzA4NzI4MDgyOQ==&mid=2650673399&id x=1&sn=fe565d9ed8dbe3a801c4bbe3efff84ee&chksm=88316d25bf46e4332 e04498ce0a7012326eaeee201f5c0b006a2f7ce5cbd342d842cf5519de4#rd．

[3]杜鳳麗．降低聚光太陽能熱發(fā)電成本的途徑[J]．太陽能,2011．

[4]王鼎,時雨,胡婧婷,等．太陽能熱發(fā)電技術(shù)綜述及其在我國適用性分析[J]．電網(wǎng)與清潔能源,2016．