主頁 > 新聞動態(tài) > 太陽能光熱發(fā)電技術組成原理與優(yōu)點 2021-12-07

太陽能光熱發(fā)電技術組成原理與優(yōu)點

太陽能光熱發(fā)電是新能源利用的一個重要方向。主要形式有槽式、塔式，碟式（盤式）三種系統(tǒng)。光熱發(fā)電最大的優(yōu)勢在于電力輸出平穩(wěn)，可做基礎電力、可做調(diào)峰；另外其成熟可靠的儲能（儲熱）配置可以在夜間持續(xù)發(fā)電。利用大規(guī)模陣列拋物或碟形鏡面收集太陽熱能，通過換熱裝置提供蒸汽，結(jié)合傳統(tǒng)汽輪發(fā)電機的工藝，從而達到發(fā)電的目的。采用太陽能光熱發(fā)電技術，避免了昂貴的硅晶光電轉(zhuǎn)換工藝，可以大大降低太陽能發(fā)電的成本。而且，這種形式的太陽能利用還有一個其他形式的太陽能轉(zhuǎn)換所無法比擬的優(yōu)勢，即太陽能所燒熱的水可以儲存在巨大的容器中，在太陽落山后幾個小時仍然能夠帶動汽輪發(fā)電。

一、陽能光熱發(fā)電技術優(yōu)點
1.太陽能是取之不盡、用之不竭的潔凈能源，而且太陽能光伏發(fā)電是安全可靠的，不會受到能源危機和燃料市場不穩(wěn)定因素的影響；
2.太陽光普照大地，太陽能是隨處可得的，太陽能光伏發(fā)電對于偏遠無電地區(qū)尤其適用，而且會降低長距離電網(wǎng)的建設和輸電線路上的電能損失；
3.太陽能的產(chǎn)生不需要燃料，使得運行成本大大降低；
4.除了跟蹤式外，太陽能光伏發(fā)電沒有運動部件，因此不易損毀，安裝相對容易，維護簡單；
5.太陽能光伏發(fā)電不會產(chǎn)生任何廢棄物，并且不會產(chǎn)生噪音、溫室及有毒氣體，是很理想的潔凈能源。安裝1KW光伏發(fā)電系統(tǒng)，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頂和墻壁，不需要占用大量土地，而且太陽能發(fā)電板可以直接吸收太陽能，進而降低墻壁和屋頂?shù)臏囟�，減少室內(nèi)空調(diào)的負荷；
7.太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的建設周期短，而且發(fā)電組件的使用壽命長、發(fā)電方式比較靈活，發(fā)電系統(tǒng)的能量回收周期短；
8.不受資源分布地域的限制；可在用電處就近發(fā)電。
二、太陽能光熱發(fā)電原理
太陽能發(fā)電是利用電池組件將太陽能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿难b置。太陽能電池組件（Solar cells）是利用半導體材料的電子學特性實現(xiàn)P-V轉(zhuǎn)換的固體裝置，在廣大的無電力網(wǎng)地區(qū)，該裝置可以方便地實現(xiàn)為用戶照明及生活供電，一些發(fā)達國家還可與區(qū)域電網(wǎng)并網(wǎng)實現(xiàn)互補。目前從民用的角度，在國外技術研究趨于成熟且初具產(chǎn)業(yè)化的是"光伏--建筑（照明）一體化"技術，而國內(nèi)主要研究生產(chǎn)適用于無電地區(qū)家庭照明用的小型太陽能發(fā)電系統(tǒng)。

太陽能發(fā)電系統(tǒng)主要包括：太陽能電池組件（陣列）、控制器、蓄電池、逆變器、用戶即照明負載等組成。其中，太陽能電池組件和蓄電池為電源系統(tǒng)，控制器和逆變器為控制保護系統(tǒng)，負載為系統(tǒng)終端。
太陽能電池與蓄電池組成系統(tǒng)的電源單元，因此蓄電池性能直接影響著系統(tǒng)工作特性。

表1 四種光熱發(fā)電技術的特性對比表

三、太陽能光熱發(fā)電技術種類
按照聚能方式及其結(jié)構(gòu)進行分類，主要有塔式、槽式、碟式、菲濕爾式太陽能光熱發(fā)電四大類技術(見表1所示)，塔式和槽式光熱發(fā)電技術商用更廣泛。
1.塔式太陽能光熱發(fā)電
塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)為點式聚焦集熱系統(tǒng)，利用大規(guī)模自動跟蹤太陽的定日鏡場陣列，將太陽熱輻射能精準反射到置于高塔頂部的集熱器，投射到集熱器的陽光被吸收轉(zhuǎn)變成熱能并加熱中間介質(zhì)，使其直接或間接產(chǎn)生540℃～560℃蒸汽，其中一部分用來發(fā)電，另一部分熱量則被儲存，以備早晚或沒有陽光時發(fā)電使用。塔式系統(tǒng)具有熱傳遞路程短、高溫蓄熱、綜合效率高等優(yōu)點，新建的光熱發(fā)電項目中塔式光熱發(fā)電技術越來越多，塔式是未來太陽熱輻射能光熱發(fā)電的主要技術。

2.槽式太陽能光熱發(fā)電
槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)全稱為槽式拋物面反射鏡太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，是將多個槽型拋物面聚光集熱器經(jīng)過串并聯(lián)的排列，加熱工質(zhì)，產(chǎn)生高溫蒸汽，驅(qū)動汽輪機發(fā)電機組發(fā)電。

3.碟式太陽能光熱發(fā)電
盤式（又稱碟式）太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)（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)的傳熱工質(zhì)被加熱到750℃左右，驅(qū)動發(fā)動機進行發(fā)電。4.菲涅爾式太陽能光熱發(fā)電
菲濕爾式光熱發(fā)電工作原理類似槽式光熱發(fā)電，只是采用多個平面或微彎曲的光學鏡組成的菲涅爾結(jié)構(gòu)聚光鏡來替代拋面鏡，眾多平放的單軸轉(zhuǎn)動的反射鏡組成的矩形鏡場自動跟蹤太陽，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，進而轉(zhuǎn)化為電能。特點是系統(tǒng)簡單、直接使用導熱介質(zhì)產(chǎn)生蒸汽，其建設和維護成本相對較低。
四、太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)組成
太陽能光熱發(fā)電實質(zhì)是由光能到熱能再到電能的能量轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)將太陽光熱輻射能到電能的產(chǎn)生與輸出，四種光熱發(fā)電技術按發(fā)電原理主要分為集熱系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)、蓄熱換熱系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)。
1.集熱系統(tǒng)
利用控制裝置保證鏡場光學器件對太陽的跟蹤，通過反射、聚焦和吸收等過程匯集光能，形成較高的能流密度，實現(xiàn)光能到熱能的轉(zhuǎn)化，聚集的熱能主要用于光熱發(fā)電，剩余熱能用于儲熱。太陽能集熱系統(tǒng)包括聚光裝置、吸熱器、跟蹤控制裝置等主要部件。
聚光裝置作為集熱系統(tǒng)的核心，主要由凹面反射鏡、平面鏡等光學器件組成聚光鏡場，將光能聚集傳遞給位于焦點或焦線的吸熱器或集熱管，聚集太陽熱輻射能，現(xiàn)國內(nèi)制造的聚光鏡效率已達到94%，基本等同國外聚光鏡效率。
吸熱器承擔著吸收太陽熱輻射能的重要作用，主要功能是吸熱聚光裝置反射的太陽熱輻射能，直接加熱集熱器內(nèi)工質(zhì)轉(zhuǎn)換成熱能，用來發(fā)電或儲熱等不同用途。吸熱器有真空管式和腔體容積式，選用原則根據(jù)工程條件、鏡場容量及布置等因素，重點是提高吸熱器單位面積熱流量，降低熱損失。選擇吸熱器主體材料應考慮耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞等，以保證吸熱器設備的安全性和較長服役期。
跟蹤控制裝置除具有一維跟蹤或二維跟蹤等控制能力，具有定期自檢、定期清理等功能，保證陣列鏡場和太陽直射光線的形成穩(wěn)定角度，有效調(diào)節(jié)太陽能集熱裝置的焦距，始終保持整個鏡場對太陽的跟蹤，從而實現(xiàn)太陽熱輻射能有效地反射到吸熱器，吸熱器吸收這部分輻射能并將其轉(zhuǎn)換成為熱能直接利用。
2.蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)
蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)包括預熱器、蒸發(fā)器、過熱器和再熱器等，集熱系統(tǒng)吸收太陽熱輻射能，通過熔鹽、導熱油等熱能載體在蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)換熱產(chǎn)生高能蒸汽去驅(qū)動汽輪機做功，此系統(tǒng)相當于火力發(fā)電機組的鍋爐。光熱發(fā)電配套使用的蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)有單列和雙列布置，系統(tǒng)輸送工質(zhì)無論采用強制循環(huán)還是采用自然循環(huán)，均要保證系統(tǒng)所需的循環(huán)倍率。
研制蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)設備首先要綜合考慮設備間相互匹配溫升、換熱能力、介質(zhì)阻力，其次要重點研究分析換熱工質(zhì)的變溫范圍大導致設備承載的溫差應力，再有要全面考慮光熱發(fā)電頻繁啟停特殊性和低負荷運行工況產(chǎn)生的疲勞。實現(xiàn)熱能消耗少、阻力小，提高蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)經(jīng)濟性。
系統(tǒng)配置的換熱器均為管殼式結(jié)構(gòu)，有釜式蒸發(fā)器，發(fā)卡式或集箱式蛇形管過熱器，U管或直管換熱器。研究和設計所述設備即要在系統(tǒng)設計和設備設計兩個層面考慮熔鹽凝固、泄露等風險，又要關注各設備內(nèi)熔鹽和水的流程，且要配備電伴熱等防凝措施。對于熔鹽工質(zhì)的蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)應采用預熱、蒸發(fā)和過熱多級受熱面設計，且宜帶有強制循環(huán)泵的蒸發(fā)器，確保蒸發(fā)器局部受熱面在不同負荷時不超金屬材料的安全使用溫度。
3.蓄熱和換熱系統(tǒng)
太陽能的儲存主要有兩種方法:一種是將太陽能直接收集以熱能方法進行儲存，有顯熱儲熱、潛熱儲熱和化學反應儲熱進行太陽能直接儲存(見表2所示);另一種是把太陽能先轉(zhuǎn)換成其他能量方式再進行儲存，一般可先轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芎蜋C械能，再使用相應方法儲存電能和機械能。
光熱發(fā)電最大優(yōu)勢是能夠進行熱能儲存，熱量富裕進行儲熱，熱量不足能夠釋放，適應電網(wǎng)24小時調(diào)峰發(fā)電需求。蓄熱系統(tǒng)由真空絕熱或以絕熱材料包覆的蓄熱器組成，商業(yè)化光熱發(fā)電主要蓄熱方法是熔融鹽雙罐直接儲能。因為熔鹽比導熱油溫度高，發(fā)電效率大，故目前商業(yè)化光熱發(fā)電中常用的是二元熔鹽，其主要成分是硝酸鈉和硝酸鉀。各國研究的新型儲能技術有液態(tài)金屬儲能、納米復合相變材料儲能、新型鹽結(jié)晶儲能等。
換熱系統(tǒng)主要是指實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換工序過程所配置的設備，保障在不同工質(zhì)間進行熱能形式轉(zhuǎn)換，配備的設備要傳熱面積大，熱損耗小，設備抗腐蝕性、抗疲勞性和抗氧化性強。

表2 太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)中蓄熱方式的特性對比

4.發(fā)電系統(tǒng)
光熱動力島發(fā)電系統(tǒng)相當于火電、核電的發(fā)電系統(tǒng)，將熱能轉(zhuǎn)化為電能并輸出。此系統(tǒng)配置裝備同火電基本類似，即要配置蒸汽輪機、燃氣輪機和發(fā)電機等主要設備，還要配置給水系統(tǒng)、回熱系統(tǒng)所需的給水泵、高低加等設備。發(fā)電系統(tǒng)的性能直接關系到太陽能光熱發(fā)電經(jīng)濟性，當發(fā)電系統(tǒng)效率提升1%，光熱發(fā)電將增長年收益2%以上。研制光熱發(fā)電動力島主要設備要特別關注發(fā)電頻繁啟停、快速啟動、低負荷等苛刻工況，采取相應措施保證發(fā)電系統(tǒng)設備的安全性和穩(wěn)定性。
五、太陽能光熱發(fā)電技術發(fā)展主要方向
1.光熱發(fā)電高參數(shù)、大容量、連續(xù)發(fā)電發(fā)展。太陽熱輻射能可直接發(fā)電能，且能進行熱能儲存，實現(xiàn)光熱發(fā)電長周期平穩(wěn)電力連續(xù)輸出。百兆瓦級塔式光熱發(fā)電站投入商業(yè)運行證明，塔式技術能實現(xiàn)更高的運行溫度，超強的集熱能力和儲熱能力，保證驅(qū)動汽輪機發(fā)電的工質(zhì)參數(shù)高，甚至實現(xiàn)超臨界技術發(fā)電。光熱發(fā)電在技術層面已具備大容量、高參數(shù)、連續(xù)發(fā)電的基本條件，工程層面要加快光熱發(fā)電技術向著高參數(shù)和大容量進程是總體大趨勢。
2.光熱發(fā)電技術互補，建設集合式光熱發(fā)電站。碟式技術效率高但儲能差;槽式技術成熟但熱輸出溫度較低;塔式聚光比高運行溫度但投資成本大。采用任何單一技術模式建設光熱發(fā)電站均有局限性，研究槽式、塔式、碟式、菲濕爾中兩種或三種光熱發(fā)電組合技術，取長補短充分發(fā)揮各自聚光比高、集熱技術成熟和總體效率高等技術優(yōu)勢，從建設和運維方面降低成本，提高光熱發(fā)電的運行效率，現(xiàn)已采用組合技術建設光熱發(fā)電站，探索研究更有利于發(fā)揮各自優(yōu)勢多種技術組合勢在必行。
3.組建風、光、熱等清潔能源多種組合模式發(fā)電站。將成熟的風、光、熱等各種清潔能源技術進行優(yōu)化組合，建立能源全方位利用機制，實現(xiàn)電力生產(chǎn)和輸出靈活性和總體輸出功率穩(wěn)定性，組建具有儲能的光熱、光伏、風能、生物質(zhì)等互補技術的新能源發(fā)電站，充分利用風電、光伏、光熱和儲能各自優(yōu)勢，有效解決電力調(diào)峰問題，提升電力系統(tǒng)風、光、電、儲等能源的利用效益，提高電力系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性。
4.建設光熱發(fā)電和傳統(tǒng)化石燃料聯(lián)合電站。隨著太陽能發(fā)電技術的成熟，將太陽能和煤電、天然氣等常規(guī)火電站有效對接，利用太陽能和化石能源各自特點，建設光熱發(fā)電與燃氣或燃油或煤電組合式聯(lián)合循環(huán)電站，充分利用太陽能再生清潔資源和規(guī)模化儲熱優(yōu)勢，降低化石能源的消耗比重，實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的電力供應滿足經(jīng)濟發(fā)展需要。
太陽能光熱發(fā)電技術同超臨界CO2技術結(jié)合是將來光熱發(fā)展的新方向，隨著新型熔鹽和液體金屬等傳熱工質(zhì)技術的成熟，太陽能光發(fā)電效率將不斷提高，太陽能利用將占有更大比重。
六、太陽能光熱發(fā)電技術結(jié)論
以上幾種系統(tǒng)性能比較。幾種系統(tǒng)只有槽式線聚焦系統(tǒng)實現(xiàn)了商業(yè)化，其他兩種處在示范階段，有實現(xiàn)商業(yè)化的可能和前景。幾種系統(tǒng)均可單獨使用太陽能運行，安裝成燃料混合（如與天然氣、生物質(zhì)氣等）互補系統(tǒng)是其突出的優(yōu)點。
就幾種形式的太陽熱發(fā)電系統(tǒng)相比較而言，槽式熱發(fā)電系統(tǒng)是最成熟，也是達到商業(yè)化發(fā)展的技術，塔式熱發(fā)電系統(tǒng)的成熟度不如拋物面槽式熱發(fā)電系統(tǒng)，而配以斯特林發(fā)電機的拋物面盤式熱發(fā)電系統(tǒng)雖然有比較優(yōu)良的性能指標，但主要還是用于邊遠地區(qū)的小型獨立供電，大規(guī)模應用成熟度則稍遜一籌。應該指出，槽式、塔式和盤式太陽能光熱發(fā)電技術同樣受到世界各國的重視，并正在積極開展工作。

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太陽能光熱發(fā)電技術組成原理與優(yōu)點

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