太阳能光热发电技术组成原理与优点

太阳能光热发电是新能源利用的一个重要方向。主要形式有槽式、塔式，碟式（盘式）三种系统。光热发电最大的优势在于电力输出平稳，可做基础电力、可做调峰；另外其成熟可靠的储能（储热）配置可以在夜间持续发电。利用大规模阵列抛物或碟形镜面收集太阳热能，通过换热装置提供蒸汽，结合传统汽轮发电机的工艺，从而达到发电的目的。采用太阳能光热发电技术，避免了昂贵的硅晶光电转换工艺，可以大大降低太阳能发电的成本。而且，这种形式的太阳能利用还有一个其他形式的太阳能转换所无法比拟的优势，即太阳能所烧热的水可以储存在巨大的容器中，在太阳落山后几个小时仍然能够带动汽轮发电。

一、阳能光热发电技术优点
1.太阳能是取之不尽、用之不竭的洁净能源，而且太阳能光伏发电是安全可靠的，不会受到能源危机和燃料市场不稳定因素的影响；
2.太阳光普照大地，太阳能是随处可得的，太阳能光伏发电对于偏远无电地区尤其适用，而且会降低长距离电网的建设和输电线路上的电能损失；
3.太阳能的产生不需要燃料，使得运行成本大大降低；
4.除了跟踪式外，太阳能光伏发电没有运动部件，因此不易损毁，安装相对容易，维护简单；
5.太阳能光伏发电不会产生任何废弃物，并且不会产生噪音、温室及有毒气体，是很理想的洁净能源。安装1KW光伏发电系统，每年可少排放CO2600～2300kg，NOx16kg，SOx9kg及其他微粒0.6kg；
6.可以有效利用建筑物的屋顶和墙壁，不需要占用大量土地，而且太阳能发电板可以直接吸收太阳能，进而降低墙壁和屋顶的温度，减少室内空调的负荷；
7.太阳能光伏发电系统的建设周期短，而且发电组件的使用寿命长、发电方式比较灵活，发电系统的能量回收周期短；
8.不受资源分布地域的限制；可在用电处就近发电。
二、太阳能光热发电原理
太阳能发电是利用电池组件将太阳能直接转变为电能的装置。太阳能电池组件（Solar cells）是利用半导体材料的电子学特性实现P-V转换的固体装置，在广大的无电力网地区，该装置可以方便地实现为用户照明及生活供电，一些发达国家还可与区域电网并网实现互补。目前从民用的角度，在国外技术研究趋于成熟且初具产业化的是"光伏--建筑（照明）一体化"技术，而国内主要研究生产适用于无电地区家庭照明用的小型太阳能发电系统。

太阳能发电系统主要包括：太阳能电池组件（阵列）、控制器、蓄电池、逆变器、用户即照明负载等组成。其中，太阳能电池组件和蓄电池为电源系统，控制器和逆变器为控制保护系统，负载为系统终端。
太阳能电池与蓄电池组成系统的电源单元，因此蓄电池性能直接影响着系统工作特性。

表1 四种光热发电技术的特性对比表

三、太阳能光热发电技术种类
按照聚能方式及其结构进行分类，主要有塔式、槽式、碟式、菲湿尔式太阳能光热发电四大类技术(见表1所示)，塔式和槽式光热发电技术商用更广泛。
1.塔式太阳能光热发电
塔式光热发电系统为点式聚焦集热系统，利用大规模自动跟踪太阳的定日镜场阵列，将太阳热辐射能精准反射到置于高塔顶部的集热器，投射到集热器的阳光被吸收转变成热能并加热中间介质，使其直接或间接产生540℃～560℃蒸汽，其中一部分用来发电，另一部分热量则被储存，以备早晚或没有阳光时发电使用。塔式系统具有热传递路程短、高温蓄热、综合效率高等优点，新建的光热发电项目中塔式光热发电技术越来越多，塔式是未来太阳热辐射能光热发电的主要技术。

2.槽式太阳能光热发电
槽式太阳能热发电系统全称为槽式抛物面反射镜太阳能热发电系统，是将多个槽型抛物面聚光集热器经过串并联的排列，加热工质，产生高温蒸汽，驱动汽轮机发电机组发电。

3.碟式太阳能光热发电
盘式（又称碟式）太阳能热发电系统（抛物面反射镜斯特林系统）是由许多镜子组成的抛物面反射镜组成，接收在抛物面的焦点上，接收器内的传热工质被加热到750℃左右，驱动发动机进行发电。4.菲涅尔式太阳能光热发电
菲湿尔式光热发电工作原理类似槽式光热发电，只是采用多个平面或微弯曲的光学镜组成的菲涅尔结构聚光镜来替代抛面镜，众多平放的单轴转动的反射镜组成的矩形镜场自动跟踪太阳，将太阳光反射聚集到具有二次曲面的二级反射镜和线性集热器上，集热器将太阳能转化为热能，进而转化为电能。特点是系统简单、直接使用导热介质产生蒸汽，其建设和维护成本相对较低。
四、太阳能光热发电系统组成
太阳能光热发电实质是由光能到热能再到电能的能量转换，实现将太阳光热辐射能到电能的产生与输出，四种光热发电技术按发电原理主要分为集热系统、蒸汽发生器系统、蓄热换热系统、发电系统。
1.集热系统
利用控制装置保证镜场光学器件对太阳的跟踪，通过反射、聚焦和吸收等过程汇集光能，形成较高的能流密度，实现光能到热能的转化，聚集的热能主要用于光热发电，剩余热能用于储热。太阳能集热系统包括聚光装置、吸热器、跟踪控制装置等主要部件。
聚光装置作为集热系统的核心，主要由凹面反射镜、平面镜等光学器件组成聚光镜场，将光能聚集传递给位于焦点或焦线的吸热器或集热管，聚集太阳热辐射能，现国内制造的聚光镜效率已达到94%，基本等同国外聚光镜效率。
吸热器承担着吸收太阳热辐射能的重要作用，主要功能是吸热聚光装置反射的太阳热辐射能，直接加热集热器内工质转换成热能，用来发电或储热等不同用途。吸热器有真空管式和腔体容积式，选用原则根据工程条件、镜场容量及布置等因素，重点是提高吸热器单位面积热流量，降低热损失。选择吸热器主体材料应考虑耐高温、耐腐蚀、耐疲劳等，以保证吸热器设备的安全性和较长服役期。
跟踪控制装置除具有一维跟踪或二维跟踪等控制能力，具有定期自检、定期清理等功能，保证阵列镜场和太阳直射光线的形成稳定角度，有效调节太阳能集热装置的焦距，始终保持整个镜场对太阳的跟踪，从而实现太阳热辐射能有效地反射到吸热器，吸热器吸收这部分辐射能并将其转换成为热能直接利用。
2.蒸汽发生器系统
蒸汽发生器系统包括预热器、蒸发器、过热器和再热器等，集热系统吸收太阳热辐射能，通过熔盐、导热油等热能载体在蒸汽发生器系统换热产生高能蒸汽去驱动汽轮机做功，此系统相当于火力发电机组的锅炉。光热发电配套使用的蒸汽发生器系统有单列和双列布置，系统输送工质无论采用强制循环还是采用自然循环，均要保证系统所需的循环倍率。
研制蒸汽发生器系统设备首先要综合考虑设备间相互匹配温升、换热能力、介质阻力，其次要重点研究分析换热工质的变温范围大导致设备承载的温差应力，再有要全面考虑光热发电频繁启停特殊性和低负荷运行工况产生的疲劳。实现热能消耗少、阻力小，提高蒸汽发生器系统经济性。
系统配置的换热器均为管壳式结构，有釜式蒸发器，发卡式或集箱式蛇形管过热器，U管或直管换热器。研究和设计所述设备即要在系统设计和设备设计两个层面考虑熔盐凝固、泄露等风险，又要关注各设备内熔盐和水的流程，且要配备电伴热等防凝措施。对于熔盐工质的蒸汽发生器系统应采用预热、蒸发和过热多级受热面设计，且宜带有强制循环泵的蒸发器，确保蒸发器局部受热面在不同负荷时不超金属材料的安全使用温度。
3.蓄热和换热系统
太阳能的储存主要有两种方法:一种是将太阳能直接收集以热能方法进行储存，有显热储热、潜热储热和化学反应储热进行太阳能直接储存(见表2所示);另一种是把太阳能先转换成其他能量方式再进行储存，一般可先转变为电能和机械能，再使用相应方法储存电能和机械能。
光热发电最大优势是能够进行热能储存，热量富裕进行储热，热量不足能够释放，适应电网24小时调峰发电需求。蓄热系统由真空绝热或以绝热材料包覆的蓄热器组成，商业化光热发电主要蓄热方法是熔融盐双罐直接储能。因为熔盐比导热油温度高，发电效率大，故目前商业化光热发电中常用的是二元熔盐，其主要成分是硝酸钠和硝酸钾。各国研究的新型储能技术有液态金属储能、纳米复合相变材料储能、新型盐结晶储能等。
换热系统主要是指实现能量转换工序过程所配置的设备，保障在不同工质间进行热能形式转换，配备的设备要传热面积大，热损耗小，设备抗腐蚀性、抗疲劳性和抗氧化性强。

表2 太阳能光热发电系统中蓄热方式的特性对比

4.发电系统
光热动力岛发电系统相当于火电、核电的发电系统，将热能转化为电能并输出。此系统配置装备同火电基本类似，即要配置蒸汽轮机、燃气轮机和发电机等主要设备，还要配置给水系统、回热系统所需的给水泵、高低加等设备。发电系统的性能直接关系到太阳能光热发电经济性，当发电系统效率提升1%，光热发电将增长年收益2%以上。研制光热发电动力岛主要设备要特别关注发电频繁启停、快速启动、低负荷等苛刻工况，采取相应措施保证发电系统设备的安全性和稳定性。
五、太阳能光热发电技术发展主要方向
1.光热发电高参数、大容量、连续发电发展。太阳热辐射能可直接发电能，且能进行热能储存，实现光热发电长周期平稳电力连续输出。百兆瓦级塔式光热发电站投入商业运行证明，塔式技术能实现更高的运行温度，超强的集热能力和储热能力，保证驱动汽轮机发电的工质参数高，甚至实现超临界技术发电。光热发电在技术层面已具备大容量、高参数、连续发电的基本条件，工程层面要加快光热发电技术向着高参数和大容量进程是总体大趋势。
2.光热发电技术互补，建设集合式光热发电站。碟式技术效率高但储能差;槽式技术成熟但热输出温度较低;塔式聚光比高运行温度但投资成本大。采用任何单一技术模式建设光热发电站均有局限性，研究槽式、塔式、碟式、菲湿尔中两种或三种光热发电组合技术，取长补短充分发挥各自聚光比高、集热技术成熟和总体效率高等技术优势，从建设和运维方面降低成本，提高光热发电的运行效率，现已采用组合技术建设光热发电站，探索研究更有利于发挥各自优势多种技术组合势在必行。
3.组建风、光、热等清洁能源多种组合模式发电站。将成熟的风、光、热等各种清洁能源技术进行优化组合，建立能源全方位利用机制，实现电力生产和输出灵活性和总体输出功率稳定性，组建具有储能的光热、光伏、风能、生物质等互补技术的新能源发电站，充分利用风电、光伏、光热和储能各自优势，有效解决电力调峰问题，提升电力系统风、光、电、储等能源的利用效益，提高电力系统的可靠性和经济性。
4.建设光热发电和传统化石燃料联合电站。随着太阳能发电技术的成熟，将太阳能和煤电、天然气等常规火电站有效对接，利用太阳能和化石能源各自特点，建设光热发电与燃气或燃油或煤电组合式联合循环电站，充分利用太阳能再生清洁资源和规模化储热优势，降低化石能源的消耗比重，实现连续稳定的电力供应满足经济发展需要。
太阳能光热发电技术同超临界CO2技术结合是将来光热发展的新方向，随着新型熔盐和液体金属等传热工质技术的成熟，太阳能光发电效率将不断提高，太阳能利用将占有更大比重。
六、太阳能光热发电技术结论
以上几种系统性能比较。几种系统只有槽式线聚焦系统实现了商业化，其他两种处在示范阶段，有实现商业化的可能和前景。几种系统均可单独使用太阳能运行，安装成燃料混合（如与天然气、生物质气等）互补系统是其突出的优点。
就几种形式的太阳热发电系统相比较而言，槽式热发电系统是最成熟，也是达到商业化发展的技术，塔式热发电系统的成熟度不如抛物面槽式热发电系统，而配以斯特林发电机的抛物面盘式热发电系统虽然有比较优良的性能指标，但主要还是用于边远地区的小型独立供电，大规模应用成熟度则稍逊一筹。应该指出，槽式、塔式和盘式太阳能光热发电技术同样受到世界各国的重视，并正在积极开展工作。

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