太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)原理及分類

● 上海大學(xué) 毛岳珂

根據(jù)太陽輻射能量進行轉(zhuǎn)化形式的不同，太陽能的利用可以分為光伏和光熱兩大類別。一種是光伏發(fā)電，利用太陽能電池板將光能轉(zhuǎn)化為電能；另外一種是光熱技術(shù)，利用太陽能的高溫將光能轉(zhuǎn)化成熱能。我國太陽能光熱發(fā)電正處于起步階段，目前光熱技術(shù)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(shù)正以一種蓬勃的姿態(tài)展現(xiàn)在人們的視野之中。

1 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(yīng)用技術(shù)，它是一個將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，再將熱能轉(zhuǎn)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)加熱到幾百攝氏度的高溫，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。太陽能光熱系統(tǒng)發(fā)電原理如圖1所示。

2 光熱發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成

通常整個的光熱發(fā)電系統(tǒng)會由4部分構(gòu)成：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)。

2.1 集熱系統(tǒng)

集熱系統(tǒng)包括聚光裝置、接收器、跟蹤機構(gòu)等部件。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。

圖1 太陽能光熱發(fā)電原理圖

2.2 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(dǎo)熱油和熔鹽。理論上，熔鹽比導(dǎo)熱油溫度高，發(fā)電效率大，也更安全。

2.3 蓄熱與熱交換系統(tǒng)

光熱發(fā)電技術(shù)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(shù)的優(yōu)勢：將太陽熱能儲存起來，既可以在夜間發(fā)電，也可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐挠秒娯?fù)荷，適應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度發(fā)電。目前我國正在研究蓄熱的各種新材料，更有觀點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。

2.4 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?xì)廨啓C、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。雖然光熱技術(shù)的發(fā)電系統(tǒng)類似于火力發(fā)電系統(tǒng)，但它要求汽輪機具有快速啟動、頻繁啟停、低載運行、高效性能等特點。

3 光熱發(fā)電系統(tǒng)的分類

依照聚焦方式及結(jié)構(gòu)的不同，光熱技術(shù)可以分為塔式、槽式、碟式、菲涅爾式4種。

3.1 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(qū)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)?；?，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(fù)雜。

3.2 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)，二者的聚光形式相同，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(zhuǎn)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(zhuǎn)化為熱能。其余部分相同，所以將這二者放在一起闡述。

3.3 碟式系統(tǒng)

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(qū)動斯特林發(fā)動機進行發(fā)電。

4 光熱發(fā)電與光伏發(fā)電的區(qū)別

光熱發(fā)電與光伏發(fā)電的對比分析見表1。

表1 光熱發(fā)電與光伏發(fā)電的對比分析表

4.1 發(fā)電原理不同

常規(guī)光伏電站是利用太陽能電池板吸收太陽光中的可見光形成光電子，產(chǎn)生電流。光熱發(fā)電利用熔鹽或者油等介質(zhì)吸收太陽光中的熱能，使用汽輪機將其轉(zhuǎn)化為電能。

4.2 并網(wǎng)難易程度不同

目前太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)可以通過增加儲熱單元或通過補燃或與常規(guī)火電聯(lián)合運行改善出力特性，輸出電力穩(wěn)定，電力具有可調(diào)節(jié)性。而光伏發(fā)電受日光照射強度影響較大，上網(wǎng)后給電網(wǎng)帶來較大壓力。光熱發(fā)電通過儲熱改善出力特性，白天將多余熱量儲存，晚間再用儲存的熱量釋放發(fā)電，這樣可以實現(xiàn)光熱發(fā)電連續(xù)供電，保證電流穩(wěn)定，避免了光伏發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電難以解決的入網(wǎng)調(diào)峰問題。根據(jù)不同的儲熱模式，可一定程度上提高電站利用小時數(shù)和發(fā)電量，提高電站調(diào)節(jié)性能。

通過補燃或與常規(guī)火電聯(lián)合運行改善光熱發(fā)電出力特性。太陽能光熱發(fā)電站可利用化石燃料補燃或與常規(guī)火電聯(lián)合運行，使其可以在晚上或連續(xù)陰天時持續(xù)發(fā)電，甚至可以以穩(wěn)定出力承擔(dān)基荷運行，從而使年發(fā)電利用達到7000小時左右。

4.3 對環(huán)境的污染程度不同

光熱發(fā)電是清潔生產(chǎn)過程，基本采用物理手段進行光電能量轉(zhuǎn)換，對環(huán)境危害極小。而光伏發(fā)電技術(shù)存在致命弱點為太陽能電池在生產(chǎn)過程中對環(huán)境的損耗較大，是高能耗、高污染的生產(chǎn)流程。

5 結(jié)束語

常規(guī)的光伏發(fā)電技術(shù)，在我國已經(jīng)發(fā)展穩(wěn)定，技術(shù)相對成熟。而光熱發(fā)電，雖然很早就在國外興起，但是在我國來說，依然處于技術(shù)不斷的創(chuàng)新與改進的階段，需要莘莘學(xué)子和廣大科研工作者持之以恒加以探究和實踐。