太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)的現(xiàn)狀及開展趨勢(shì)【摘要】能源與環(huán)境的突出矛盾，給太陽(yáng)能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了新的契機(jī)．從全球太陽(yáng)能熱發(fā)電的現(xiàn)狀出發(fā)，簡(jiǎn)要介紹了塔式、槽式、碟式等太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)及國(guó)內(nèi)外的研究成果，并對(duì)這3種主流的太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了分析和比擬，最后立足本國(guó)實(shí)際，指出了我國(guó)太陽(yáng)能熱發(fā)電行業(yè)面臨的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，提出其廣闊的開展前景．［關(guān)鍵詞］太陽(yáng)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(shì)【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(lái)越多的關(guān)注，各國(guó)競(jìng)相開展以風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物能、地?zé)崮?、海洋能等可再生綠色能源為主的研究和應(yīng)用．同時(shí)從國(guó)家能源局得悉，我國(guó)首輪太陽(yáng)能光熱發(fā)電特許權(quán)招標(biāo)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(gè)發(fā)電行業(yè)的局面，意味著太陽(yáng)能因其儲(chǔ)量的無(wú)限性、利用的清潔性等特點(diǎn)一躍成為最熱門的新能源之一，太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)將迅速進(jìn)入商業(yè)化成長(zhǎng)時(shí)期，成為解決當(dāng)前能源、資源、環(huán)境等一系列問(wèn)題的新興產(chǎn)業(yè)．人們最早對(duì)太陽(yáng)能熱發(fā)電的研究，可以追溯到18世紀(jì)70年代在巴黎建立的第一個(gè)小型點(diǎn)聚集太陽(yáng)能熱交互蒸汽機(jī)，自此之后，各國(guó)對(duì)太陽(yáng)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(jí)太陽(yáng)能熱發(fā)電試驗(yàn)電站20余座(塔式為主);另外在1985至1991的6年間，在美國(guó)加州沙漠建成的9座槽式太陽(yáng)能發(fā)電站，更是將發(fā)電本錢降至8美分/kWh，太陽(yáng)能熱發(fā)電工程已成為各國(guó)建立新能源系統(tǒng)的方向之一［1］．經(jīng)過(guò)近30年的開展，局部太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)已完成試驗(yàn)和示范階段，正向低本錢、高產(chǎn)業(yè)化邁進(jìn)．本文以目前研究最為廣泛的聚光式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)為對(duì)象，對(duì)各種聚光式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)進(jìn)行介紹、分析和比擬，希望能得出對(duì)我國(guó)太陽(yáng)能熱發(fā)電行業(yè)具有建設(shè)性的意見．1太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)的概念與分類太陽(yáng)能熱發(fā)電主要是將聚集到的太陽(yáng)輻射能，通過(guò)換熱裝置產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)發(fā)電．太陽(yáng)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(guò)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(yáng)能發(fā)電的熱源來(lái)自太陽(yáng)輻射，因而如何用聚光裝置將太陽(yáng)能收集起來(lái)是大多數(shù)太陽(yáng)能熱發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)之一．此外，考慮到太陽(yáng)能的間歇性，需要配置蓄熱系統(tǒng)儲(chǔ)存收集到的太陽(yáng)能，用以夜間或輻射缺乏時(shí)進(jìn)行發(fā)電，因此成熟的蓄熱技術(shù)成為太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能熱離子發(fā)電、太陽(yáng)能溫差發(fā)電和太陽(yáng)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(yáng)采集方式可分為太陽(yáng)能塔式發(fā)電、太陽(yáng)能槽式發(fā)電和太陽(yáng)能碟式發(fā)電;非聚光類主要有太陽(yáng)能真空管發(fā)電、太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電和太陽(yáng)能熱池發(fā)電等［3］．通常所說(shuō)的太陽(yáng)能熱發(fā)電，主要指間接光發(fā)電，直接光發(fā)電尚在實(shí)驗(yàn)階段．目前主流的太陽(yáng)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(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電塔式太陽(yáng)能發(fā)電主要由大量的跟蹤太陽(yáng)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(wàn)面定日鏡將太陽(yáng)光聚焦到中央接收器上，接收器將聚集的太陽(yáng)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(dòng)熱機(jī)做功發(fā)電．隨著鏡場(chǎng)中定日鏡數(shù)目的增加，塔式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的聚光比也隨之上升，最高可達(dá)1500，運(yùn)行溫度為1000℃～1500℃［4］．它因其聚光倍數(shù)高、能量集中過(guò)程簡(jiǎn)便、熱轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點(diǎn)，極適合太陽(yáng)能并網(wǎng)發(fā)電。圖1為塔式太陽(yáng)能發(fā)電的系統(tǒng)圖．從圖1可以看出，塔式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)包括:跟蹤太陽(yáng)光的定日鏡、接收器、工質(zhì)加熱器、儲(chǔ)能系統(tǒng)以及汽輪機(jī)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(guò)對(duì)收集裝置的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)的最正確跟蹤，從而將太陽(yáng)的反射光準(zhǔn)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(jìn)入蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生蒸汽，最終驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)組進(jìn)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(shí)段的熱量進(jìn)行存儲(chǔ)以備早晚和陰雨間隙使用．作為歐洲首座商業(yè)性太陽(yáng)能發(fā)電廠，2007年3月，PS10電站，如圖2所示，利用624個(gè)面積均為120m2的巨大日光反射器將太陽(yáng)光聚焦在高約90m的塔上，產(chǎn)生1．1萬(wàn)kW的電力，電站每年向電網(wǎng)供電1920萬(wàn)kWh，年平均發(fā)電效率可達(dá)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(gè)面積為120m2的定日鏡將太陽(yáng)光聚集在高約為162m的塔上，能提供滿足18萬(wàn)個(gè)家庭日常需求的用電量，整個(gè)電站計(jì)在2023年竣工。我國(guó)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(fèi)缺乏，一直裹足不前．近年來(lái)，中國(guó)工程學(xué)院院士張耀明教授帶著團(tuán)隊(duì)刻苦鉆研，在自動(dòng)跟蹤、聚光、集熱等技術(shù)上取得了突破．國(guó)內(nèi)首座“70kW塔式太陽(yáng)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(bǔ)了我國(guó)在這方面的空白．槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電槽式太陽(yáng)能發(fā)電采用多個(gè)槽形拋物面式聚光器，將太陽(yáng)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(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電．收集裝置的幾何特性決定了槽式太陽(yáng)能發(fā)電的聚光比要低于塔式，通常在10～100之間，運(yùn)行溫度達(dá)400℃［8］．如圖3所示［1］，槽式太陽(yáng)能發(fā)電包括聚光集熱局部、換熱局部、發(fā)電儲(chǔ)能局部。其中，發(fā)電儲(chǔ)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(gè)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(gè)方向?qū)μ?yáng)光進(jìn)行一維跟蹤．在換熱局部，預(yù)熱器、蒸汽發(fā)生器、過(guò)熱器和再熱器4組件實(shí)現(xiàn)了工質(zhì)加熱、換熱、產(chǎn)生蒸汽、進(jìn)行發(fā)電的過(guò)程．由于槽式發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)緊湊，其收集裝置的占地面積比起塔式和碟式來(lái)說(shuō)，相對(duì)較小，因而為槽式太陽(yáng)能發(fā)電向產(chǎn)業(yè)化開展奠定了根底．自上世紀(jì)80年代起，美國(guó)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(jī)容量為35．4萬(wàn)kW，年發(fā)電總量108億kWh，產(chǎn)生的電力可供50萬(wàn)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(jī)容量的投資己由6000美元降至2000多美元，電費(fèi)也由每度24美分降至7.5美分．自1984年以來(lái)，Luz公司先后開發(fā)了1．4萬(wàn)kW、3萬(wàn)kW和8萬(wàn)kW的多種系統(tǒng)，太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化至電能的最高瞬時(shí)效率可達(dá)24%，年平均效率最高為15%．在廣泛采納和吸取SEGS電站多年運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的根底上，在內(nèi)華達(dá)州建造的裝機(jī)容量為6．4萬(wàn)kW的槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電站SOLAR－1，只需要30min的儲(chǔ)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(yùn)行結(jié)果說(shuō)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(yáng)能發(fā)電領(lǐng)域，我國(guó)已在太陽(yáng)光方位傳感器、自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)、拋物面反射鏡、接收器方面取得了突破性進(jìn)展，并且擁有具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的100kW槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電試驗(yàn)裝置［11］．國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計(jì)顯示，截止2023年，全世界運(yùn)行的槽式光熱發(fā)電站占整個(gè)光熱發(fā)電站的88%，占在建工程的97.5%，可見槽式太陽(yáng)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(yáng)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(qiáng)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(yáng)能熱發(fā)電效率、降低本錢的關(guān)鍵，也將成為推動(dòng)槽式太陽(yáng)能開展的重要?jiǎng)恿Γ教?yáng)能熱發(fā)電作為目前熱發(fā)電效率最高的方式，碟式太陽(yáng)能發(fā)電整合多個(gè)反射鏡組成拋物面蝶形聚光鏡，通過(guò)對(duì)其的旋轉(zhuǎn)，將太陽(yáng)光聚集到接收器中，經(jīng)接收器吸熱后加熱工質(zhì)，進(jìn)一步驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)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(yáng)能發(fā)電的聚光比到達(dá)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(duì)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(yáng)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(dòng)裝置、發(fā)電儲(chǔ)能裝置等．與塔式和槽式不同的是，碟式太陽(yáng)能發(fā)電主要采用斯特林(Stirling)熱力循環(huán)，完成熱能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)化，但由于斯特林(Stirling)熱機(jī)的技術(shù)開發(fā)尚未成熟，因而碟式太陽(yáng)能發(fā)電尚在試驗(yàn)示范階段。國(guó)外對(duì)碟式太陽(yáng)能發(fā)電的研究已有20余年，自1982年美國(guó)加州建造的碟式斯特林太陽(yáng)能發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置起，美國(guó)、沙特、德國(guó)、日本、西班牙等國(guó)相繼建設(shè)了不同形式的碟式太陽(yáng)能發(fā)電示范工程，碟式太陽(yáng)能發(fā)電的研究得到了迅速開展．國(guó)內(nèi)一些高校和科研院所也對(duì)此做過(guò)一些實(shí)驗(yàn)研究:中國(guó)科學(xué)電工研究所與皇明太陽(yáng)能集團(tuán)及新疆新能源公司聯(lián)合研制了4套太陽(yáng)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(dá)3.14mrad．其他方式近來(lái)，一種新型的太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)引起了廣泛的關(guān)注．該設(shè)計(jì)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(yáng)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(yáng)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(shí)，向下反射的方式不但防止了高塔上安裝接收器的風(fēng)險(xiǎn)，也解決了塔頂熱量損失大、安裝維護(hù)本錢高等問(wèn)題，勢(shì)必成為未來(lái)太陽(yáng)能熱發(fā)電的一個(gè)重要研究方向［5］．2.53種太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)的比擬上述3種太陽(yáng)能熱發(fā)電方式各有優(yōu)點(diǎn)，就理論而言，塔式太陽(yáng)能發(fā)電由于聚光比高、運(yùn)行溫度高、系統(tǒng)容量大和熱轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn)，較適合大規(guī)模生產(chǎn);槽式太陽(yáng)能發(fā)電因其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、技術(shù)較為成熟，成為了第一個(gè)進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)的熱發(fā)電方式;而碟式太陽(yáng)能發(fā)電因其熱效率最高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便等特點(diǎn)，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(guò)高且難以降低本錢使得塔式太陽(yáng)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(wèn)題，阻礙了槽式太陽(yáng)能發(fā)電的推廣;碟式發(fā)電系統(tǒng)中，斯特林熱機(jī)關(guān)鍵技術(shù)難度大、開發(fā)時(shí)間短等原因，致使其仍處于試驗(yàn)示范階段．下表1給出了3種太陽(yáng)能熱發(fā)電的具體參數(shù)比擬［15］3開展趨勢(shì)〔前景與展望〕全世界能源危機(jī)與環(huán)境問(wèn)題的加重，迫使很多國(guó)家加快了開發(fā)太陽(yáng)能熱發(fā)電的步伐;在美國(guó)加州莫哈為沙漠，SES公司與電力公司SOE攜手合作，力爭(zhēng)在2023年建造一個(gè)占地1822hm2的巨型太陽(yáng)能發(fā)電站，預(yù)計(jì)發(fā)電功率可達(dá)50萬(wàn)kW;在西班牙的特萊斯坎多斯，一個(gè)發(fā)電功率達(dá)300MW的大型太陽(yáng)能發(fā)電廠也在建造中．此外，以色列、德國(guó)、澳大利亞也都有大型的太陽(yáng)能熱電站正在建設(shè)中［16］．我國(guó)也不甘落后，很多學(xué)者強(qiáng)烈呼吁大力開展太陽(yáng)能熱發(fā)電示范工程，有些地方正在籌措巨資購(gòu)置國(guó)外塔式或槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電設(shè)備，在國(guó)內(nèi)建設(shè)較大規(guī)模兆瓦級(jí)示范電站．國(guó)人的過(guò)度熱情，不禁讓人擔(dān)憂［17］．首先，國(guó)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(yáng)能熱發(fā)電站商業(yè)化上實(shí)現(xiàn)更大的突破;其次，如將國(guó)外的技術(shù)照搬過(guò)來(lái)而沒有考慮我國(guó)特殊的地形與氣候，大型太陽(yáng)能熱發(fā)電站的適用性不得而知．鑒于以上兩點(diǎn)原因，我國(guó)的太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)仍需要在充分認(rèn)清我國(guó)國(guó)情的根底上，做到以下幾個(gè)方面［18］:(1)充分了解我國(guó)的氣候與環(huán)境，因地制宜，采用適宜的太陽(yáng)熱發(fā)電方式．首先，調(diào)查氣象條件:只有在年太陽(yáng)輻射大于2200h的地區(qū)才適合采用太陽(yáng)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(yáng)熱電站，而在人口密集處不合理也不經(jīng)濟(jì)．第三，需要考慮建熱電站的財(cái)政投入問(wèn)題［19］:例如對(duì)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(jī)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(bǔ)充．(2)鑒于單純利用太陽(yáng)能進(jìn)行熱發(fā)電還存在許多問(wèn)題，特別是考慮到開發(fā)太陽(yáng)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(yáng)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(bǔ)的系統(tǒng)，既有效地解決了太陽(yáng)能利用不穩(wěn)定的問(wèn)題，同時(shí)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(yáng)能的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)和經(jīng)濟(jì)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有機(jī)集成，實(shí)現(xiàn)高效的熱工轉(zhuǎn)化，突破常規(guī)系統(tǒng)中太陽(yáng)能發(fā)電效率低的限制，增強(qiáng)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(guó)的太陽(yáng)能熱發(fā)電的開展方向應(yīng)是立足國(guó)情，選擇性地開展，因地制宜，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能向電能的高效轉(zhuǎn)化，努力將太陽(yáng)能熱發(fā)電開展成為低本錢、高效益、零污染的“陽(yáng)光〞產(chǎn)業(yè)!【參考文獻(xiàn)(References)】［1］袁建麗，林汝謀，金紅光，等．太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)與分類(上)［J］．太陽(yáng)能報(bào)，2007(4):27-33．YuanJianli，LinRumou，JinHongguang，etal．ClassificationofsolarthermalpowersystemI［J］．SolarEnergy，2007(4):27-32．(inChinese)［2］張耀明．太陽(yá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