一文看懂太陽能光熱發(fā)電原理及分類

　　什么是太陽能光熱發(fā)電

　　太陽能光熱發(fā)電是指利用大規(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(shù)，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。

　　光熱發(fā)電原理

　　光熱發(fā)電技術(shù)，是不同于光伏發(fā)電的全新的新能源應用技術(shù)。它是一個將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，再將熱能轉(zhuǎn)化為電能的過程。利用聚光鏡等聚熱器采集的太陽熱能，將傳熱介質(zhì)加熱到幾百度的高溫，傳熱介質(zhì)經(jīng)過換熱器后產(chǎn)生高溫蒸汽，從而帶動汽輪機產(chǎn)生電能。此處的傳熱介質(zhì)多為導熱油與熔鹽。通常我們將整個的光熱發(fā)電系統(tǒng)分成四部分：集熱系統(tǒng)、熱傳輸系統(tǒng)、蓄熱與熱交換系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)。

　　集熱系統(tǒng)：集熱系統(tǒng)包括聚光裝置、接收器、跟蹤機構(gòu)等部件。如果說集熱系統(tǒng)是整個光熱發(fā)電的核心，那么聚光裝置就是集熱系統(tǒng)的核心。聚光裝置即為聚光鏡或者定日鏡等。其反射率、焦點偏差等均能影響發(fā)電效率。目前國內(nèi)生產(chǎn)的聚光鏡，效率可以達到94%，與國外生產(chǎn)的聚光鏡效率相差不大。集熱系統(tǒng)采集太陽能，將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能。

　　熱傳輸系統(tǒng)：熱傳輸系統(tǒng)主要是傳輸集熱系統(tǒng)收集起來的熱能。利用傳熱介質(zhì)將熱能輸送給蓄熱系統(tǒng)。傳熱介質(zhì)多為導熱油和熔鹽。理論上，熔鹽比導熱油溫度高，發(fā)電效率大，也更安全。熱傳輸系統(tǒng)一般有預熱器、蒸汽發(fā)生器、過熱器和再熱器等組成。熱傳輸系統(tǒng)的基本要求是：傳熱管道損耗小、輸送傳熱介質(zhì)的泵功率小、熱量傳輸?shù)某杀镜?。在熱傳輸過程中，傳熱管道越短，熱損耗就越小。

　　蓄熱與熱交換系統(tǒng)：個人認為，光熱發(fā)電技術(shù)在蓄熱與熱交換系統(tǒng)中充分體現(xiàn)了對比光伏發(fā)電技術(shù)的優(yōu)勢。即將太陽熱能儲存起來?？梢栽谝归g發(fā)電，也可以根據(jù)當?shù)氐挠秒娯摵桑m應電網(wǎng)調(diào)度發(fā)電。蓄熱裝置常由真空絕熱或以絕熱材料包覆的蓄熱器構(gòu)成。蓄熱系統(tǒng)中對儲熱介質(zhì)的要求為：儲能密度大，來源豐富且價格低廉，性能穩(wěn)定，無腐蝕性，安全性好，傳熱面積大，熱交換器導熱性能好，儲熱介質(zhì)具有較好的黏性。目前我國正在研究蓄熱的各種新技術(shù)新材料，更有專家提出用陶瓷等價格低廉的固體蓄熱，以達到降低發(fā)電成本的效果。

　　發(fā)電系統(tǒng)：用于太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機有汽輪機、燃氣輪機、低沸點工質(zhì)汽輪機、斯特林發(fā)電機等。這些發(fā)電裝置，可根據(jù)汽輪機入口熱能的溫度等級及熱量、蒸汽壓力等情況進行選擇。對于大型光熱發(fā)電系統(tǒng)，由于其溫度等級與火力發(fā)電系統(tǒng)基本相同，可選用常規(guī)的汽輪機；工作溫度在800℃以上時，可選用燃氣輪機；對于小功率或者低溫的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，則可選用低沸點工質(zhì)汽輪機或斯特林發(fā)動機。目前使用的汽輪機，空冷居多。雖然光熱技術(shù)的發(fā)電系統(tǒng)類似于火力發(fā)電系統(tǒng)，但是還是有一定的區(qū)別，這樣就要要求汽輪機具有頻繁啟停、快速啟動、低負荷運行、高效性等特點。

　　太陽能光熱發(fā)電分類

　　依照聚焦方式及結(jié)構(gòu)的不同，光熱技術(shù)可以分為塔式、槽式、碟式、菲涅爾式四種。

　　1、塔式發(fā)電系統(tǒng)

　　塔式發(fā)電系統(tǒng)為點式聚焦系統(tǒng)，其利用大規(guī)模的定日鏡形成的定日鏡場陣列，將太陽輻射反射到置于高塔頂部的吸熱器上，加熱傳熱介質(zhì)，使其直接產(chǎn)生蒸汽或者換熱后再產(chǎn)生蒸汽，以此驅(qū)動汽輪機發(fā)電。塔式系統(tǒng)具有熱傳遞路程短、熱損耗小、聚光比和溫度較高等優(yōu)點，但塔式系統(tǒng)必須規(guī)?；?，占地要求高，單次投資較大，采用雙軸跟蹤系統(tǒng)，鏡場的控制系統(tǒng)較為復雜。

　　2、槽式發(fā)電系統(tǒng)

　　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)生過熱蒸汽，驅(qū)動汽輪機發(fā)電機組發(fā)電。

　　3、碟式系統(tǒng)

　　碟式系統(tǒng)也是點式聚焦系統(tǒng)，它應該是太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是世界上最早出現(xiàn)的太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)了。碟式系統(tǒng)也稱為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)的傳熱介質(zhì)被加熱后，驅(qū)動斯特林發(fā)動機進行發(fā)電。碟式系統(tǒng)的聚光比非常高，從幾百至上千都可達到，聚焦溫度甚至可以達到1000℃以上，效率較高，對于地面坡度要求也更為靈活。但成本上還缺少優(yōu)勢，技術(shù)上也有待于完善。碟式系統(tǒng)較適用于邊遠地區(qū)獨立電站。可以單臺使用或多臺并聯(lián)使用，適宜小規(guī)模發(fā)電。

　　4、菲涅爾式發(fā)電系統(tǒng)

　　菲涅爾式發(fā)電系統(tǒng)的工作原理類似槽式光熱發(fā)電，只是采用菲涅爾結(jié)構(gòu)的聚光鏡來替代拋面鏡。這使得它的成本相對來說低廉，但效率也相應降低。

　　此類系統(tǒng)由于聚光倍數(shù)只有數(shù)十倍，因此加熱的水蒸氣質(zhì)量不高，使整個系統(tǒng)的年發(fā)電效率僅能達到10%左右；但由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、直接使用導熱介質(zhì)產(chǎn)生蒸汽等特點，其建設(shè)和維護成本也相對較低。

　　光熱發(fā)電的優(yōu)點

　　1、電能質(zhì)量優(yōu)良，可直接無障礙并網(wǎng)。

　　太陽能光熱發(fā)電與常規(guī)化石能源在熱力發(fā)電上原理相同，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，直接輸出交流電，不必像光伏或風電一樣還需要逆變器轉(zhuǎn)換，電量傳輸技術(shù)相對較為成熟，穩(wěn)定性高，因此更方便與目前國內(nèi)的電網(wǎng)對接，且電力品質(zhì)好。

　　2、可儲能，可調(diào)峰，實現(xiàn)連續(xù)發(fā)電。

　　電網(wǎng)的負荷曲線形狀在白天與太陽能發(fā)電自然曲線相似，上午負荷隨時間上升，下午隨時間下降，因此太陽能發(fā)電是天然的電網(wǎng)調(diào)峰負荷，可根據(jù)電網(wǎng)白天和晚上的最大負荷差確定負荷比例，一般可占10-20%的比例；

　　受益于熱能的易儲存性，所有太陽能光熱發(fā)電電站都有一定程度的調(diào)峰、調(diào)度能力，即通過熱的轉(zhuǎn)換實現(xiàn)發(fā)電的緩沖和平滑，并可應對太陽能短暫的不穩(wěn)定狀況；

　　儲能是可再生能源發(fā)展的一大瓶頸，實踐證明儲熱的效率和經(jīng)濟性顯著優(yōu)于儲電和抽水蓄能。配備專門蓄熱裝置的太陽能光熱發(fā)電電站，不僅在啟動時和少云到多云狀態(tài)時可以補充能量，保證機組的穩(wěn)定運行，甚至可以實現(xiàn)日落后24小時不間斷發(fā)電，同時可根據(jù)負載、電網(wǎng)需求進行電力調(diào)峰、調(diào)度。

　　3、規(guī)模效應下成本優(yōu)勢突出。

　　因熱電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)與火電相同，太陽能光熱發(fā)電也與火電同樣具備顯著的規(guī)模效應，優(yōu)于風電和光伏等。隨著技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴大，太陽能光熱發(fā)電的成本將很快接近甚至低于傳統(tǒng)化石能源發(fā)電成本。

　　4、清潔無污染，助力碳減排。

　　光伏盡管是清潔發(fā)電，但硅片生產(chǎn)環(huán)節(jié)卻高耗能高污染，而太陽能光熱發(fā)電不需要提煉重金屬、稀有金屬和硅，生產(chǎn)與發(fā)電環(huán)節(jié)均無污染，是真正的清潔能源。

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