关于太阳能光热发电的技术特点与应用分析

2023-08-09高宇张杰

中国设备工程 2023年14期

高宇，张杰

（中国电力工程顾问集团华东电力设计院有限公司，上海 200063）

随着世界能源种类与数量的变化，人们越来越重视清洁能源。太阳能具有环保、无污染、无二次废物的优点。因此，可再生能源技术中最有发展前景的就是太阳能发电技术。基于当前技术进行分析，太阳能发电技术分为光热发电和光伏发电两大类。接下来是对光热发电的分析。

1 太阳能发电技术概述

太阳能的特点是绿色、可再生、灵活。太阳能具有低密度、间歇性变化的空间，使得太阳能难以被收集和使用。然而，当光热发电的初始投资完成后，之后将产生巨大的经济效应。此外，化石燃料对区域环境的不利影响以及无法再生，使得各个国家都开始注重太阳能的发展。

2 太阳能光热发电原理

通过聚光设备将光能进行收集，之后短时间产生能量的方式就是太阳能光热发电。在整个过程中，设备飞速转动产生大量能量。太阳能发电和火力发电本质上是相同的，因此，如果太阳能供应持续，则可以向用户连续供电。近年来，电力公司发展迅速，实现了能量储存技术的优化，使得能够在夜间使用太阳能发电技术。太阳能发电机有着完全不一样的发电过程，通过太阳能板的转换作用将光能转换为电能，具体样式如图1所示。

图1 太阳能板发电

之后再加上能量储存技术的帮助，以此确保可以有能量供应。

3 光热发电技术类型

太阳能是一种清洁能源，在发电、热水器、照明、加热以及干燥等方面广泛应用，太阳能光热发电也称为会聚太阳能发电（CSP），这是大规模解决太阳能问题的有效途径。通过一些光学设备将太阳能进行收集，加热工作介质并产生高温蒸汽。与普通发电技术相比，发电效率高、结构完整、使用成本低。通过聚焦，光热发电技术有塔式发电、槽式发电和碟式发电三种方式。三种集中热方法的量差的直接反映是集中度的差异，聚光比是吸收器的平均能量通量密度和入射能量通量密度之比。然而，由于集热温度不同，对应于三种冷凝模式的三种组成系统存在固定差异。

3.1 槽式聚光发电系统

槽式聚光发电系统通过光学收集设备将太阳能量进行收集，太阳能收集器安装在太阳能辐射收集器中，太阳能被吸收并转换为热能。收集管通常是真空玻璃收集管，收集管由外部玻璃管和内部热管组成，两个管道之间的间隙被排空，以防止热量损失。吸热管由不锈钢制成，工作介质流经管道。不锈钢管表面涂有黑色吸热膜，对阳光的吸收率高，红外波段的发射率低，有效吸收太阳能。光收集系统需要配备控制系统，以适应太阳日角的变化。罐式集中吸热系统将来自收集管的太阳能转换为导热流体的热能。燃烧后，热材料被加热，水产生蒸汽，用于促进涡轮机的发展。太阳能型太阳能集光系统的最大集热为20～80℃，油为导热流体时的最大集热量为300～400℃，混合为导热流体，最大集热达到550℃。尽管后者优于提高发电效率，但总体发电效率仍然较低。此外，为了克服太阳能在时间上的不平衡分布，有必要建造一个蓄热系统或补充其他燃料。自20世纪80年代以来，世界上许多国家都在进行太阳能发电系统的研究和建设，目前，美国、以色列、澳大利亚和德国是世界上最大的太阳能能源国，也是槽式光热发电技术的强国。其中，鲁茨公司是应用槽式光伏发电技术的典范。1985～1991年，美国在南加州建造了9座太阳能发电厂，总容量为353.8MW。2010年10月，美国政府批准在南加州建设一个名为布莱斯太阳能项目的新能源项目。这是美国最大的光伏项目。布莱斯太阳能项目位于加利福尼亚州布莱斯附近的莫哈维尔沙漠，项目面积为2833公顷，耗资60亿美元。建成后，其容量将达到1000MW，从2011年年底到2012年发展。2010年初，中国科学院热电工程研究所和朝鲜电力公司成功开发了槽式光热发电系统的核心技术。2010年8月10日，中国第一个太阳能发电项目的第一个生产基地在前良区郊区举行，该项目通过了三项核心技术：聚光透镜、跟踪驱动和线聚焦收集器。中国是继美国、德国和以色列之后所有技术都本地化的国家。

3.2 碟式太阳能发电系统

碟式太阳能发电系统采用盘式冷凝的形式，具体如图2所示。

图2 碟式发电系统

盘状聚光系统的太阳辐射反射面呈盘状，聚光比可达到3000以上，产生高温，高于其他两种发电方式。由于工作温度高达750～1500℃，因此可以实现最高的热机效率。盘式光热系统包括集中器、接收器、热风、立柱和跟踪控制系统等主要组件。在系统运行时，聚光器反射的太阳能聚焦接收器通过热量将太阳能转换为热空气中工作介质的内能，提高介质的温度，驱动热量并驱动发电机发电。与槽式发电系统不同，斯特林机主要用作碟式光热发电系统的热功率转换设备的发电机，自由活塞斯特林发动机是活塞型外延发动机，气缸具有适当的活塞和动力活塞，气缸侧壁由活塞室和下室旁通，循环物料由旁通管替代，由阀活塞室和下室替代，上腔室和热源交换器耦合以将在上腔室中吸收的热量传输到工作介质，工作介质被加热和膨胀以驱动动力活塞输出动力，废热通过下落室中的介质回路传输至再生器，工作介质通过侧面再循环，斯特林加热器的最高热电效率可达40%。太阳辐射因天气变化很大，热点转换器产生的电力不稳定，无法直接提供给用户，输出220V工作频率需要一系列处理，与国内光伏系统一样，储能装置、电池和补充能源也是必要的。

与太阳能光伏发电模式相比，碟式发电模式尚未投入商业应用。国外已经建造了许多盘式太阳能发电厂和模型系统，并取得了成功。在美国、西班牙、德国和其他国家，9～25kW的发电系统已经建成并获得成功。中国拥有丰富的太阳能资源，20世纪70年代末以后，太阳能利用的研究开始了，主要研究方向是太阳能加热。中国科学院电气电子工程师研究所研究了碟式太阳能发电系统的集中器和跟踪控制系统，并构建了碟式光热发电测试系统。中国科学院热物理研究所对圆盘式太阳能发电系统中使用的直接传输接收器进行了模拟，并分析了影响其热性能的因素。总体而言，此项发电技术仍处于早期阶段，但由于其高效率，许多国家更感兴趣并积极开展相应的研究。

3.3 塔式太阳能发电系统

塔式太阳能光热系统由五部分组成：遮阳镜、接收器、蓄热箱、主控制系统和发电系统。大量遮阳镜安装在地面上，这是一组自动跟踪太阳的球面镜。该塔建造在郑日经集团的适当位置，接收器放置在塔的顶部，所有周日的镜子都会收集阳光并集中在锅炉上，将接收器的散热器输送至高温，通过管道输送至地面蒸汽发生器，并产生高温蒸汽。接收器是塔式光伏系统的重要组成部分，涡轮发电单元驱动接收器发电。热传导介质可分为外部水光型和空腔型。外部光接收器的一些技术类似太阳能收集器，但具有高工作温度和大体积，该接收器可以接收主要用于大型太阳能系统的环境光，缺点是热管直接暴露并且发生热损失。事实上，很难像普通收集器那样添加玻璃罩。因为接收器太大，腔体型，即腔体型接收器，是由高温材料制成的腔体。腔体的一个入口是石英玻璃，它具有透光性和耐高温性，空腔内壁设有金属丝网，以增加吸热和交换面积。封闭腔具有良好的吸热性能，收集的阳光可以通过石英玻璃窗使腔体变高。用于传热的工作介质（通常为高压空气）在腔室上方被加热到1000℃或更高的高温气体。空腔有绝缘层，热损失小，空气价格低，但空气的热容小，导热系数低。主要的技术问题是如何有效地传递热量，由于大多数腔体接收器只有一个窗口，因此接收阳光的角度受到限制，通常不超过120℃。谷歌投资了世界上最大的塔式太阳能发电项目，太阳能塔位于加利福尼亚州东南部的莫罕维尔沙漠，占地3600英亩（14.6平方公里）。太阳能收集系统在137米高的太阳能塔上放置了173000面镜子，重点关注太阳辐射。该发电厂将于2010年10月开工，2013年完工，发电能力将达到39.2万千瓦。中国还开发了太阳能塔式发电项目，亚洲第一座塔式太阳能发电厂位于八达岭，是中国科学院的太阳能发电技术和系统模型项目，我国太阳能发电技术的研究和开发为低成本商业发电厂提供了大规模技术路线。

4 各种发电技术的对比

槽式发电技术相对成熟，跟踪机制相对简单，容易进行，并且消耗的成本不高。随着槽式发电技术各项优化，其在建设时消耗的成本从每千瓦5976美元下降到3011美元，电力成本从每千瓦26.3美分下降到12美分。据估计，2020年，槽式发电技术的发电成本可以降低到每千瓦4美分，与传统火力发电的成本持平。碟式发电系统建设时需要的成本较高，且建设步骤复杂，无法大规模应用在如今的供电项目中。随着技术的进步，使用塔式发电系统能够降低建设成本，并且能够大规模发展利用，投资回报率较高。