太陽能熱發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

太陽能熱發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀及開展趨勢【摘要】能源與環(huán)境的突出矛盾，給太陽能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)帶來了新的契機．從全球太陽能熱發(fā)電的現(xiàn)狀出發(fā)，簡要介紹了塔式、槽式、碟式等太陽能熱發(fā)電技術(shù)及國內(nèi)外的研究成果，并對這3種主流的太陽能熱發(fā)電技術(shù)進行了分析和比擬，最后立足本國實際，指出了我國太陽能熱發(fā)電行業(yè)面臨的問題和挑戰(zhàn)，提出其廣闊的開展前景．［關(guān)鍵詞］太陽能熱發(fā)電，塔式熱發(fā)電，槽式熱發(fā)電，碟式熱發(fā)電，現(xiàn)狀及開展趨勢【Abstract】Theprominentcontradictionbetweenenergyandenvironmenthasbroughtsolarthermalpowerindustrynewopportunities．Basedonthepresentsituationofglobalsolarthermalpower，threemainformsofsolarthermalpowerarebrieflyintroducedandcompared:towersolarpower，groovesolarpoweranddisctypesolarpower，includingresearchre-sultsathomeandabroad．Consideringthesituationofourcountry，theproblemsandchallengesofsolarthermalpowerinChinawereproposed，andthebroaddevelopmentprospectswerealsoputforwardinthepaper．【Keywords】solarthermalpower，towersolarpower，groovesolarpower，disctypesolarpower在全球可持續(xù)開展的大背景下，“綠色能源〞和“低碳生活〞的概念正受到越來越多的關(guān)注，各國競相開展以風能、太陽能、生物能、地熱能、海洋能等可再生綠色能源為主的研究和應(yīng)用．同時從國家能源局得悉，我國首輪太陽能光熱發(fā)電特許權(quán)招標工程，已于2023年6月底至7月初正式開始．此政策的公布，打破了常規(guī)化石燃料發(fā)電占據(jù)整個發(fā)電行業(yè)的局面，意味著太陽能因其儲量的無限性、利用的清潔性等特點一躍成為最熱門的新能源之一，太陽能熱發(fā)電技術(shù)將迅速進入商業(yè)化成長時期，成為解決當前能源、資源、環(huán)境等一系列問題的新興產(chǎn)業(yè)．人們最早對太陽能熱發(fā)電的研究，可以追溯到18世紀70年代在巴黎建立的第一個小型點聚集太陽能熱交互蒸汽機，自此之后，各國對太陽能熱發(fā)電技術(shù)的研究從未終止．在1981年至1991年間，全世界建造了多種不同形式的兆瓦級太陽能熱發(fā)電試驗電站20余座(塔式為主);另外在1985至1991的6年間，在美國加州沙漠建成的9座槽式太陽能發(fā)電站，更是將發(fā)電本錢降至8美分/kWh，太陽能熱發(fā)電工程已成為各國建立新能源系統(tǒng)的方向之一［1］．經(jīng)過近30年的開展，局部太陽能熱發(fā)電技術(shù)已完成試驗和示范階段，正向低本錢、高產(chǎn)業(yè)化邁進．本文以目前研究最為廣泛的聚光式太陽能熱發(fā)電技術(shù)為對象，對各種聚光式太陽能熱發(fā)電技術(shù)進行介紹、分析和比擬，希望能得出對我國太陽能熱發(fā)電行業(yè)具有建設(shè)性的意見．1太陽能熱發(fā)電技術(shù)的概念與分類太陽能熱發(fā)電主要是將聚集到的太陽輻射能，通過換熱裝置產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動蒸汽輪機發(fā)電．太陽能熱發(fā)電與常規(guī)化石能源在熱力發(fā)電方式上的原理是相同的，都是通過Rankine循環(huán)、Brayton循環(huán)或Stirling循環(huán)將熱能轉(zhuǎn)換為電能，區(qū)別在于熱源不同，太陽能發(fā)電的熱源來自太陽輻射，因而如何用聚光裝置將太陽能收集起來是大多數(shù)太陽能熱發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)之一．此外，考慮到太陽能的間歇性，需要配置蓄熱系統(tǒng)儲存收集到的太陽能，用以夜間或輻射缺乏時進行發(fā)電，因此成熟的蓄熱技術(shù)成為太陽能熱發(fā)電中的另一關(guān)鍵技術(shù)．直接光發(fā)電和間接光發(fā)電是太陽能熱發(fā)電中最常用的分類方式．直接光發(fā)電可分為太陽能熱離子發(fā)電、太陽能溫差發(fā)電和太陽能熱磁體發(fā)電;間接光發(fā)電可分為聚光類和非聚光類，其中聚光類按照太陽采集方式可分為太陽能塔式發(fā)電、太陽能槽式發(fā)電和太陽能碟式發(fā)電;非聚光類主要有太陽能真空管發(fā)電、太陽能熱氣流發(fā)電和太陽能熱池發(fā)電等［3］．通常所說的太陽能熱發(fā)電，主要指間接光發(fā)電，直接光發(fā)電尚在實驗階段．目前主流的太陽能熱發(fā)電技術(shù)集中在塔式、槽式和碟式，它們因開發(fā)前景巨大而受到極大的關(guān)注．2聚光式太陽能熱發(fā)電技術(shù)塔式太陽能熱發(fā)電塔式太陽能發(fā)電主要由大量的跟蹤太陽的定向反射鏡(定日鏡)和裝在中央塔上的熱接收器這兩大局部組成，成千上萬面定日鏡將太陽光聚焦到中央接收器上，接收器將聚集的太陽輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，然后再將熱能傳遞給熱力循環(huán)工具，驅(qū)動熱機做功發(fā)電．隨著鏡場中定日鏡數(shù)目的增加，塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)的聚光比也隨之上升，最高可達1500，運行溫度為1000℃～1500℃［4］．它因其聚光倍數(shù)高、能量集中過程簡便、熱轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點，極適合太陽能并網(wǎng)發(fā)電。圖1為塔式太陽能發(fā)電的系統(tǒng)圖．從圖1可以看出，塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)包括:跟蹤太陽光的定日鏡、接收器、工質(zhì)加熱器、儲能系統(tǒng)以及汽輪機組等局部．收集裝置由多面定日鏡、跟蹤裝置、支撐結(jié)構(gòu)等構(gòu)成．系統(tǒng)通過對收集裝置的控制，實現(xiàn)對太陽的最正確跟蹤，從而將太陽的反射光準確聚焦到中央接收器內(nèi)的吸熱器中，使傳熱介質(zhì)受熱升溫，進入蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生蒸汽，最終驅(qū)動汽輪機組進行發(fā)電．此外，為了保證持續(xù)供電，需要蓄熱裝置將頂峰時段的熱量進行存儲以備早晚和陰雨間隙使用．作為歐洲首座商業(yè)性太陽能發(fā)電廠，2007年3月，PS10電站，如圖2所示，利用624個面積均為120m2的巨大日光反射器將太陽光聚焦在高約90m的塔上，產(chǎn)生1．1萬kW的電力，電站每年向電網(wǎng)供電1920萬kWh，年平均發(fā)電效率可達10.5%［6］．2023年5月，在PS10電站的根底上，PS20電站正式開工．PS20電站使用1225個面積為120m2的定日鏡將太陽光聚集在高約為162m的塔上，能提供滿足18萬個家庭日常需求的用電量，整個電站計在2023年竣工。我國在這方面起步較晚，并且由于工藝、材料、部件及其相關(guān)技術(shù)尚未得到根本性的解決，加上經(jīng)費缺乏，一直裹足不前．近年來，中國工程學院院士張耀明教授帶著團隊刻苦鉆研，在自動跟蹤、聚光、集熱等技術(shù)上取得了突破．國內(nèi)首座“70kW塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)〞已于2005年10月在南京江寧順利建成并成功投入并網(wǎng)發(fā)電［7］，填補了我國在這方面的空白．槽式太陽能熱發(fā)電槽式太陽能發(fā)電采用多個槽形拋物面式聚光器，將太陽光聚集到接收裝置的集熱管上，加熱工質(zhì)，產(chǎn)生高溫蒸汽后推動汽輪機發(fā)電．收集裝置的幾何特性決定了槽式太陽能發(fā)電的聚光比要低于塔式，通常在10～100之間，運行溫度達400℃［8］．如圖3所示［1］，槽式太陽能發(fā)電包括聚光集熱局部、換熱局部、發(fā)電儲能局部。其中，發(fā)電儲能局部與塔式根本相似，不同之處在于聚光集熱和換熱局部．聚光集熱是整個槽式發(fā)電系統(tǒng)的核心，它由聚光陣列、集熱器和跟蹤裝置組成．在此局部，集熱器大多采用串、并聯(lián)排列的方式，可按南北、東西和極軸3個方向?qū)μ柟膺M行一維跟蹤．在換熱局部，預(yù)熱器、蒸汽發(fā)生器、過熱器和再熱器4組件實現(xiàn)了工質(zhì)加熱、換熱、產(chǎn)生蒸汽、進行發(fā)電的過程．由于槽式發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對緊湊，其收集裝置的占地面積比起塔式和碟式來說，相對較小，因而為槽式太陽能發(fā)電向產(chǎn)業(yè)化開展奠定了根底．自上世紀80年代起，美國Luz公司在加州莫哈維沙漠陸續(xù)建成了9座槽式聚光熱發(fā)電站(SEGSⅠ－SEGSⅨ)［9］，總裝機容量為35．4萬kW，年發(fā)電總量108億kWh，產(chǎn)生的電力可供50萬人使用．隨著技術(shù)不斷開展，系統(tǒng)效率由起初的11.5%提高到13.6%，每kW電能裝機容量的投資己由6000美元降至2000多美元，電費也由每度24美分降至7.5美分．自1984年以來，Luz公司先后開發(fā)了1．4萬kW、3萬kW和8萬kW的多種系統(tǒng)，太陽輻射能轉(zhuǎn)化至電能的最高瞬時效率可達24%，年平均效率最高為15%．在廣泛采納和吸取SEGS電站多年運行經(jīng)驗的根底上，在內(nèi)華達州建造的裝機容量為6．4萬kW的槽式太陽能熱發(fā)電站SOLAR－1，只需要30min的儲熱容量和2%的天然氣作為輔助能源即可保證投入并網(wǎng)發(fā)電［10］，且運行結(jié)果說明該電站在效率和穩(wěn)定性方面均有一定提高．在槽式太陽能發(fā)電領(lǐng)域，我國已在太陽光方位傳感器、自動跟蹤系統(tǒng)、拋物面反射鏡、接收器方面取得了突破性進展，并且擁有具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的100kW槽式太陽能熱發(fā)電試驗裝置［11］．國際權(quán)威機構(gòu)的統(tǒng)計顯示，截止2023年，全世界運行的槽式光熱發(fā)電站占整個光熱發(fā)電站的88%，占在建工程的97.5%，可見槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)已取得了大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)的能力．值得注意的是，雖然槽式太陽能熱發(fā)電已具備了大規(guī)模投產(chǎn)的條件，然而其核心部件高溫真空管仍存在技術(shù)缺陷，涂層技術(shù)還有待改良，因而加強核心部件的技術(shù)研發(fā)、工藝改良將是今后提高槽式太陽能熱發(fā)電效率、降低本錢的關(guān)鍵，也將成為推動槽式太陽能開展的重要動力．碟式太陽能熱發(fā)電作為目前熱發(fā)電效率最高的方式，碟式太陽能發(fā)電整合多個反射鏡組成拋物面蝶形聚光鏡，通過對其的旋轉(zhuǎn)，將太陽光聚集到接收器中，經(jīng)接收器吸熱后加熱工質(zhì)，進一步驅(qū)動發(fā)電機組發(fā)電［12］．旋轉(zhuǎn)拋物面蝶形聚光鏡的應(yīng)用使得碟式太陽能發(fā)電的聚光比到達3000以上，這一方面有效地提高了光熱轉(zhuǎn)換的效率，但是另一方面也由于其較高的接收溫度，對接收器的材料和工藝提出了更高的要求．從圖4看出，碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)包括拋物面蝶形聚光鏡、高溫接收器、跟蹤傳動裝置、發(fā)電儲能裝置等．與塔式和槽式不同的是，碟式太陽能發(fā)電主要采用斯特林(Stirling)熱力循環(huán)，完成熱能到機械能的轉(zhuǎn)化，但由于斯特林(Stirling)熱機的技術(shù)開發(fā)尚未成熟，因而碟式太陽能發(fā)電尚在試驗示范階段。國外對碟式太陽能發(fā)電的研究已有20余年，自1982年美國加州建造的碟式斯特林太陽能發(fā)電實驗裝置起，美國、沙特、德國、日本、西班牙等國相繼建設(shè)了不同形式的碟式太陽能發(fā)電示范工程，碟式太陽能發(fā)電的研究得到了迅速開展．國內(nèi)一些高校和科研院所也對此做過一些實驗研究:中國科學電工研究所與皇明太陽能集團及新疆新能源公司聯(lián)合研制了4套太陽能發(fā)電多碟聚光器和單碟聚光器［14］，多碟式聚光器采用多碟復(fù)合聚光方式，采光5m，輸出的峰值熱功率為12kW，系統(tǒng)跟蹤精度達3.14mrad．其他方式近來，一種新型的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計引起了廣泛的關(guān)注．該設(shè)計采用一列同軸排列的反射鏡取代傳統(tǒng)意義上的拋物面反射鏡，將太陽光首先聚焦在上部的中央反射鏡上，再由中央反射鏡向下反射，將太陽光聚焦到地面接收器中，這種新型的聚光方式稱為向下反射式或菲涅爾反射式(如圖5)．由于二次聚焦，保證了較高的聚光比;同時，向下反射的方式不但防止了高塔上安裝接收器的風險，也解決了塔頂熱量損失大、安裝維護本錢高等問題，勢必成為未來太陽能熱發(fā)電的一個重要研究方向［5］．2.53種太陽能熱發(fā)電技術(shù)的比擬上述3種太陽能熱發(fā)電方式各有優(yōu)點，就理論而言，塔式太陽能發(fā)電由于聚光比高、運行溫度高、系統(tǒng)容量大和熱轉(zhuǎn)換效率高等特點，較適合大規(guī)模生產(chǎn);槽式太陽能發(fā)電因其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單、技術(shù)較為成熟，成為了第一個進入商業(yè)化生產(chǎn)的熱發(fā)電方式;而碟式太陽能發(fā)電因其熱效率最高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便等特點，非常適合分布式小規(guī)模能源系統(tǒng)．另一方面，前期投入過高且難以降低本錢使得塔式太陽能發(fā)電始終沒有廣泛投入商業(yè)化生產(chǎn);聚光比小、系統(tǒng)工作溫度低、核心部件真空管技術(shù)尚未成熟、吸收管外表選擇性涂層性能不穩(wěn)定等問題，阻礙了槽式太陽能發(fā)電的推廣;碟式發(fā)電系統(tǒng)中，斯特林熱機關(guān)鍵技術(shù)難度大、開發(fā)時間短等原因，致使其仍處于試驗示范階段．下表1給出了3種太陽能熱發(fā)電的具體參數(shù)比擬［15］3開展趨勢〔前景與展望〕全世界能源危機與環(huán)境問題的加重，迫使很多國家加快了開發(fā)太陽能熱發(fā)電的步伐;在美國加州莫哈為沙漠，SES公司與電力公司SOE攜手合作，力爭在2023年建造一個占地1822hm2的巨型太陽能發(fā)電站，預(yù)計發(fā)電功率可達50萬kW;在西班牙的特萊斯坎多斯，一個發(fā)電功率達300MW的大型太陽能發(fā)電廠也在建造中．此外，以色列、德國、澳大利亞也都有大型的太陽能熱電站正在建設(shè)中［16］．我國也不甘落后，很多學者強烈呼吁大力開展太陽能熱發(fā)電示范工程，有些地方正在籌措巨資購置國外塔式或槽式太陽能熱發(fā)電設(shè)備，在國內(nèi)建設(shè)較大規(guī)模兆瓦級示范電站．國人的過度熱情，不禁讓人擔憂［17］．首先，國外的技術(shù)尚未完全成熟，還需要解決一些關(guān)鍵技術(shù)才能在太陽能熱發(fā)電站商業(yè)化上實現(xiàn)更大的突破;其次，如將國外的技術(shù)照搬過來而沒有考慮我國特殊的地形與氣候，大型太陽能熱發(fā)電站的適用性不得而知．鑒于以上兩點原因，我國的太陽能熱發(fā)電技術(shù)仍需要在充分認清我國國情的根底上，做到以下幾個方面［18］:(1)充分了解我國的氣候與環(huán)境，因地制宜，采用適宜的太陽熱發(fā)電方式．首先，調(diào)查氣象條件:只有在年太陽輻射大于2200h的地區(qū)才適合采用太陽熱發(fā)電．第二，了解土地資源是否緊張:在地域遼闊、土地資源豐富、農(nóng)牧民居住分散的區(qū)域，可建立大規(guī)模大容量集中式的太陽熱電站，而在人口密集處不合理也不經(jīng)濟．第三，需要考慮建熱電站的財政投入問題［19］:例如對于一些交通不便、人力資源匱乏的區(qū)域，碟式拋物面斯特林發(fā)電系統(tǒng)較為適合，其單機容量為幾十kW至幾百kW，系統(tǒng)效率高，可以滿足急需的電力補充．(2)鑒于單純利用太陽能進行熱發(fā)電還存在許多問題，特別是考慮到開發(fā)太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的投資較大以及目前的蓄熱技術(shù)還不夠成熟，因而將太陽能發(fā)電系統(tǒng)與常規(guī)的發(fā)電系統(tǒng)整合成多能源互補的系統(tǒng)，既有效地解決了太陽能利用不穩(wěn)定的問題，同時也能利用成熟的常規(guī)發(fā)電技術(shù)，降低開發(fā)利用太陽能的技術(shù)風險和經(jīng)濟本錢［20］．(3)大力研發(fā)關(guān)鍵技術(shù)，完善工藝，降低本錢，并對系統(tǒng)進行有機集成，實現(xiàn)高效的熱工轉(zhuǎn)化，突破常規(guī)系統(tǒng)中太陽能發(fā)電效率低的限制，增強系統(tǒng)整體的可靠性和平安性，加快產(chǎn)業(yè)化的步伐．綜上所述，我國的太陽能熱發(fā)電的開展方向應(yīng)是立足國情，選擇性地開展，因地制宜，實現(xiàn)太陽能向電能的高效轉(zhuǎn)化，努力將太陽能熱發(fā)電開展成為低本錢、高效益、零污染的“陽光〞產(chǎn)業(yè)!【參考文獻(References)】［1］袁建麗，林汝謀，金紅光，等．太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)與分類(上)［J］．太陽能報，2007(4):27-33．YuanJianli，LinRumou，JinHongguang，etal．ClassificationofsolarthermalpowersystemI［J］．SolarEnergy，2007(4):27-32．(inChinese)［2］張耀明．太陽能熱發(fā)電技術(shù)［J］．高科技與產(chǎn)業(yè)化，2023(7):28-30．ZhangYaoming．Solarthermalpowergenerationtechnology［J］．HighTechnologyandIndustrialization，2023(7):28-30．(inChinese)［3］張耀明．太陽能熱發(fā)電技術(shù)［J］．山西能源與節(jié)能，2023(3):1-4．ZhangYaoming．Solarthermalpowergenerationtechnology［J］．ShanxiEnergyandConservation，2023(3):1-4．(inChi-nese)［4］宿建峰，李和平．太陽能熱發(fā)電技術(shù)的開展現(xiàn)狀及主要問題［J］．華電技術(shù)，2023，31(4):78-82．SuJianfeng，LiHeping．Developmentandmainproblemsofsolarthermalpowergenerationtechnology［J］．WaterConservancyandElectricPowerMachinery，2023，31(4):78-82．(inChinese)［5］楊敏林，楊曉西，林汝謀，等．太陽能熱發(fā)電技術(shù)與系統(tǒng)［J］．熱能動力工程，2023，23(3):221-226．YangMinlin，YangXiaoxi，LinRumou，etal．Systemsandtechnologyofsolarthermalpowergeneration［J］．JournalofEngi-neeringforThermalEnergyandPower，2023，23(3):221-226．(inChinese)［6］章國芳，朱天宇，王希晨．塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)進展及在我國的應(yīng)用前景［J］．太陽能，2023(11):33-37．ZhangGuofang，ZhuTianyu，WangXicheng．DevelopmentofsolarpowertowertechnologyanditsprospectinChina［J］．SolarEnergy，2023(11):33-37．(inChinese)［7］張耀明，劉德有，張文進．70kW塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)研究與開發(fā)(上)［J］．太陽能，2007(10):19-23．ZhangYaoming，LiuDeyou，ZhangWenjin．Researchanddevelopmentof70kWtowersolarthermalpowergenerationsystemⅠ［J］．SolarEnergy，2007(10):19-23．(inChinese)［8］湯延令．太陽能熱發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀及開展［J］．福建電力與電工，2023，28(4):12-16．TangYanling．Statusanddevelopmentofelectricpowergenerationtechnologyfromsolarthermalpower［J］．FujianElectricPowerandElectricalEngineering，2023，28(4):12-16．(inChinese)［9］羅智慧，龍新峰．槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)研究現(xiàn)狀與開展［J］．電力設(shè)備，2006，7(11):29-32．LuoZhihui，LongXinfeng．Stateandtrendofsolarparabolictroughpowergenerationtechnology［J］．ElectricalEquipment，2006，7(11):29-32．(inChinese)［10］安翠翠，張耀明，王軍．國際主要槽式太陽能熱發(fā)電站介紹［J］．太陽能，2007(7):16-20．AnCuicui，ZhangYaoming，WangJun．Introductionofinternationalsolartroughpowerplants［J］．SolarEnergy，2007(7):16-20．(inChinese)［11］高嵩，侯紅娟．太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)分析［J］．華電技術(shù)，2023，31(1):70-74．GaoSong，HouHongjuan．Analysisofsolarthermalelectricpowergenerationsystem［J］．WaterConservancyandElectricPowerMachinery，2023，31(1):70-74．(inChinese)［12］許輝，張紅，丁莉．碟式太陽能熱發(fā)電技術(shù)綜述［J］．熱力發(fā)電，2023，38(5):5-17．Xu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