太陽能熱發(fā)電原理

太陽能熱發(fā)電原理王志峰中國科學院電工研究所2012年2月27日北京太陽能熱發(fā)電的含義太陽能熱發(fā)電是利用太陽能聚光器先將太陽輻射能轉(zhuǎn)化為熱能，然后經(jīng)過各種方式轉(zhuǎn)換為電能的技術(shù)形式。太陽能熱發(fā)電包括：聚光太陽能熱發(fā)電（CSP）、太陽能半導體溫差發(fā)電、太陽能煙囪發(fā)電、太陽池發(fā)電和太陽能熱聲發(fā)電等。聚光太陽能熱發(fā)電（CSP）是目前已經(jīng)商業(yè)化大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)形式。CSP是通過“光-熱-功”的轉(zhuǎn)化過程實現(xiàn)發(fā)電的一種技術(shù)形式，其在原理上和傳統(tǒng)的化石燃料電站類似。二者最大的區(qū)別在于輸入的能源不同，太陽能熱發(fā)電采用的是太陽能：聚光器將低密度的太陽能轉(zhuǎn)換成高密度的能量，經(jīng)由傳熱介質(zhì)將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，通過熱力循環(huán)做功，實現(xiàn)到電能的轉(zhuǎn)換。CSP的技術(shù)形式塔式槽式碟式/斯特林線性菲涅爾點聚焦技術(shù)：定日鏡自動跟蹤太陽，聚焦的陽光反射到位于塔頂?shù)奈鼰崞鲀?nèi)。吸熱器加熱管內(nèi)的傳熱介質(zhì)，將太陽光能轉(zhuǎn)變成熱能，再通過熱力循環(huán)實現(xiàn)發(fā)電。聚光比300-1000。系統(tǒng)綜合效率高。吸熱器類型：水/蒸氣、熔鹽、空氣等。商業(yè)化初期的電站多使用水/蒸氣作為工作介質(zhì)（主要考慮到技術(shù)風險較小、結(jié)構(gòu)相對簡單）傳熱介質(zhì)的工作溫度范圍在250～1200℃，可采用汽輪機或燃氣輪機。西班牙PS10電站定日鏡吸熱器（1）塔式4（2）槽式線聚焦技術(shù)：采用拋物面槽式反射鏡將太陽光聚集到位于焦線的吸熱管上，加熱管內(nèi)的傳熱工質(zhì)（油或水），然后經(jīng)熱交換器產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動汽輪發(fā)電機組發(fā)電。聚光比在70-80之間；系統(tǒng)綜合效率較低。吸熱器內(nèi)工作介質(zhì)：合成油、水等，當前介質(zhì)的工作溫度一般在400℃以內(nèi)。美國354MWSEGS電站建于上個世紀80年代，至今已運行20多年。美國SEGS槽式電站5槽式反射鏡吸熱管（3）碟式點聚焦技術(shù)：利用旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡，將入射陽光聚集在鏡面焦點處，在該處可放置太陽能吸熱器吸收熱能加熱工質(zhì)驅(qū)動汽輪發(fā)電機組發(fā)電，也可放置太陽能斯特林發(fā)電裝置或高倍比聚光光伏系統(tǒng)（CPV）直接發(fā)電。。聚光比1000-3000；系統(tǒng)效率高單機規(guī)模小，非常適合分布式發(fā)電。今年1月份全球首座商業(yè)化碟式斯特林系統(tǒng)在美國投入運行，總?cè)萘?.5MW，由60個單機25kW的系統(tǒng)組成。截至2010年10月，美國加州批準了總計1372.5MW的碟式斯特林電站項目。6（4）線性菲涅爾

線聚焦技術(shù)：槽式系統(tǒng)的簡化；平面鏡代替拋物面型曲面鏡，通過調(diào)整、控制平面鏡的傾斜角度，將陽光反射到集熱管上，加熱內(nèi)部工作介質(zhì)，產(chǎn)生蒸汽驅(qū)動汽輪機做功發(fā)電。聚光比25-100；系統(tǒng)效率較低。鏡場可布置非常緊湊，土地利用率高，初投資相對較低。目前在建最大規(guī)模為30MW電站，其中關(guān)鍵部件集熱管由皇明公司出口供應(yīng)?；拭鞴?.5MW示范系統(tǒng)7反射鏡集熱管槽式塔式碟式菲涅爾式聚光比70-80300-10001000-300025-100可采用的動力循環(huán)模式郎肯循環(huán)1)郎肯循環(huán)2)布雷頓循環(huán)3)聯(lián)合循環(huán)斯特林郎肯循環(huán)峰值系統(tǒng)效率21%(d)20%(d)29%(d)20%(p)35%(p)系統(tǒng)年均效率10-15%(d)10-16%(d)16-18%(d)9-11%(p)17-18%(p)15-25%(p)18%-23%(p)熱循環(huán)效率30-40%ST30-40%ST30-40%SE30-40%ST45-55%CC20-30%GT容量因子24%(d)25-90%(p)25%(p)25-70%(p)25-90%(p)已建單機最大容量80MW20MW1.5MW(25kW×60)5MW各種CSP技術(shù)方式的性能（來源：DLR，2004）注：(d)=示范，(p)=預計，ST蒸汽輪機，CC聯(lián)合循環(huán)，SE斯特林機，GT燃氣輪機聚光集熱子系統(tǒng)熱-功-電轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)儲熱子系統(tǒng)

CSP電站系統(tǒng)的基本組成白天工作模式1—直接發(fā)電聚光集熱子系統(tǒng)熱-功-電轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)儲熱子系統(tǒng)白天工作模式2—儲熱+發(fā)電聚光集熱子系統(tǒng)熱-功-電轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)儲熱子系統(tǒng)夜間工作模式—利用儲熱發(fā)電聚光集熱子系統(tǒng)熱-功-電轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)儲熱子系統(tǒng)13CSP&光伏發(fā)電的電力輸出太陽能熱發(fā)電輸出電力相對平穩(wěn)CSP優(yōu)勢——系統(tǒng)友好性、可控性系統(tǒng)友好性是指清潔能源在其開發(fā)、輸送和使用的全過程中與電網(wǎng)、電源以及其它能源系統(tǒng)相適應(yīng)、相協(xié)調(diào)的技術(shù)品質(zhì)與特性。風能及光伏發(fā)電，其出力具有顯著的間歇性和不確定性。并網(wǎng)運行后出力的劇烈變化將對電力系統(tǒng)實時平衡和穩(wěn)定運行帶來挑戰(zhàn)。受電源結(jié)構(gòu)制約，長期以來我國電力系統(tǒng)調(diào)峰能力一直不足。煤電裝機占全國發(fā)電總裝機的四分之三（其中供熱機組又占了20%以上）。系統(tǒng)調(diào)峰問題將是影響制約我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和清潔能源發(fā)展的長期性問題。

CSP電站可以儲熱，也可以利用化石燃料補燃；實現(xiàn)發(fā)電功率平穩(wěn)、可控輸出?？勺鳛檎{(diào)峰電源；未來隨著技術(shù)提升，可承擔電力系統(tǒng)基礎(chǔ)負荷。美國亞利桑那州電力負荷曲線聚光比、吸熱器溫度集熱效率*透平效率馬鞍點提高效率途徑——聚光比與吸熱溫度的協(xié)同提高提高聚光比：塔式和碟式，其聚光比分別300-1000和1000-3000之間；槽式和菲涅爾式，其聚光比分別在70-80和25-100之間；二次聚光：第一次聚光比*第二次聚光比（10，000）提高吸熱器的工作溫度：傳熱介質(zhì)(水、油、熔融鹽、空氣、離子液體、液態(tài)金屬、固體材料)吸熱窗口瞬時能量分布（2008.09.27,13:16）投入吸熱器窗口能量隨時間變化“材料——光學——熱學”耦合

輻射能量的非均勻、非穩(wěn)定，傳熱條件惡化儲熱材料：水、油、熔融鹽、離子液體、液態(tài)金屬、無機非金屬材料（陶瓷）、混合材料第19頁國外CSP現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢CSP市場現(xiàn)狀Source:IEECAS202010年底，全球累計商業(yè)化運行的CSP裝機約1071MW，其中，主要市場在西班牙和美國；主要技術(shù)形式為槽式。目前全球在建裝機容量超過2000MW，預計2013年全部并網(wǎng)發(fā)電。各國CSP規(guī)劃美國：2010年8月-12月，加州能源局批準了總量達4242MW的CSP項目西班牙：太陽能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)，共計1372MW熱發(fā)電項目已經(jīng)進行了申報登記。西班牙政府規(guī)定到2013年國內(nèi)CSP裝機實現(xiàn)2.5GW，產(chǎn)業(yè)協(xié)會的目標是2020年突破10GW。印度：根據(jù)國家太陽能計劃，2022年印度太陽能光伏和光熱裝機容量要達到20GW。其中第一階段（至2013年3月）的目標是，安裝1100MW的并網(wǎng)太陽能電站，100MW屋頂光伏和小型太陽能電站，200MW的離網(wǎng)太陽能應(yīng)用項目以及幾百萬平米的太陽能集熱系統(tǒng)。目前第一批太陽能熱發(fā)電項目招標已經(jīng)結(jié)束。上網(wǎng)電價為0.32美元/kWh。摩洛哥：摩洛哥太陽能署正在進行熱發(fā)電項目預招標，2012年在

Quarzazate太陽能園區(qū)安裝500MW太陽能電力，其中包括一座光伏電站。澳大利亞：13.65億澳元的太陽能旗艦項目，包括4個大規(guī)模太陽能發(fā)電站（熱發(fā)電和光伏各占一半），總預期裝機容量為1GW。中國：

50MW電站特許權(quán)招標2011年1月23日已經(jīng)完成。2009年7月，12家大型公司在德國慕尼黑啟動沙漠行動計劃，計劃投資4000億歐元，通過在中東及北非地區(qū)建立一系列聯(lián)網(wǎng)的太陽能熱發(fā)電站，滿足歐洲15%的電力需求以及電站所在國家的部分電力需求。2009年10月30，DII有限責任公司成立。目前公司股東數(shù)目從13家增至19家。2010年7月，歐洲能源官員