太陽(yáng)能光熱：新能源利用重要發(fā)展方向

太陽(yáng)能光熱發(fā)電是新能源利用的一個(gè)重要方向。它可以大大降低太陽(yáng)能發(fā)電的成本，主要形式有槽式、塔式，碟式(盤(pán)式)三種系統(tǒng)。

太陽(yáng)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(yáng)熱能，通過(guò)換熱裝置提供蒸汽，結(jié)合傳統(tǒng)汽輪發(fā)電機(jī)的工藝，從而達(dá)到發(fā)電的目的。采用太陽(yáng)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(yáng)能發(fā)電的成本。而且，這種形式的太陽(yáng)能利用還有一個(gè)其他形式的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，即太陽(yáng)能所燒熱的水可以?xún)?chǔ)存在巨大的容器中，在太陽(yáng)落山后幾個(gè)小時(shí)仍然能夠帶動(dòng)汽輪發(fā)電。

太陽(yáng)能光熱發(fā)電-形式

[1]一般來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能光熱發(fā)電形式有槽式、塔式，碟式(盤(pán)式)三種系統(tǒng)。

槽式系統(tǒng)

槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)全稱(chēng)為槽式拋物面反射鏡太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)，是將多個(gè)槽型拋物面聚光集熱器經(jīng)過(guò)串并聯(lián)的排列，加熱工質(zhì)，產(chǎn)生高溫蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電。

20世紀(jì)80年代初期，以色列和美國(guó)聯(lián)合組建了LUZ太陽(yáng)能熱發(fā)電國(guó)際有限公司。從成立開(kāi)始，該公司集中力量研究開(kāi)發(fā)槽式拋物面聚光反射鏡太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)。從1985年-1991年的6年間，在美國(guó)加州沙漠相繼建成了9座槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電站，總裝機(jī)容量353.8MW，并投入網(wǎng)營(yíng)運(yùn)。經(jīng)過(guò)努力，電站的初次投資由1號(hào)電站的4490美元/KW降到8號(hào)電站的2650美元/kW，發(fā)電成本從24美分/KWh降到8美分/KWh。

為繼續(xù)推動(dòng)太陽(yáng)能熱發(fā)電的發(fā)展，以色列、德國(guó)和美國(guó)幾家公司進(jìn)行使用，他們計(jì)劃在美國(guó)內(nèi)華達(dá)州建造兩座80MW槽式太陽(yáng)能熱電站，兩座100MW太陽(yáng)能與燃?xì)廨啓C(jī)聯(lián)合循環(huán)電站。在西班牙和摩洛哥分別建造135MW和18MW太陽(yáng)能熱發(fā)電站各一座。

建于西班牙的Acurex槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)，借助槽形拋物面聚光器將太陽(yáng)光聚焦反射到接收聚熱管上，通過(guò)管內(nèi)熱載體將太陽(yáng)光聚焦反射到接收聚熱管上，通過(guò)管內(nèi)熱載體將水加熱成蒸汽，推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。作為太陽(yáng)能量不足時(shí)的備用，系統(tǒng)配備有一個(gè)輔助燃燒爐，用天然氣或燃油來(lái)產(chǎn)生蒸汽。

要提高槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的效率與正常運(yùn)行，涉及到兩個(gè)方面的控制問(wèn)題，一個(gè)是自動(dòng)跟蹤裝置，要求使得槽式聚光器時(shí)刻對(duì)準(zhǔn)太陽(yáng)，以保證從源頭上最大限度的吸收太陽(yáng)能，據(jù)統(tǒng)計(jì)跟蹤比非跟蹤所獲得的能量要高出37.7%。另外一個(gè)是要控制傳熱液體回路的溫度與壓力，滿(mǎn)足汽輪機(jī)的要求實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的正常發(fā)電。針對(duì)這兩個(gè)控制問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者都展開(kāi)了研究，取得了一定的研究進(jìn)展。

目前，德州華園新能源應(yīng)用技術(shù)研究所與中科院電工所、清華大學(xué)等科研單位聯(lián)手研制開(kāi)發(fā)的槽式太陽(yáng)能中高溫?zé)崂孟到y(tǒng)，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、而且安裝方便，整體使用壽命可達(dá)20年，可以很好的應(yīng)用于槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)。由于太陽(yáng)能反射鏡是固定在地上的，所以不僅能更有效地抵御風(fēng)雨的侵蝕破壞，而且還大大降低了反射鏡支架的造價(jià)。更為重要的是，該設(shè)備技術(shù)突破了以往一套控制裝置只能控制一面反射鏡的限制。采用菲涅爾凸透鏡技術(shù)可以對(duì)數(shù)百面反射鏡進(jìn)行同時(shí)跟蹤，將數(shù)百或數(shù)千平方米的陽(yáng)光聚焦到光能轉(zhuǎn)換部件上(聚光度約50倍，可以產(chǎn)生三、四百度的高溫)，改變了以往整個(gè)工程造價(jià)大部分為跟蹤控制系統(tǒng)成本的局面，使其在整個(gè)工程造價(jià)中只占很小的一部分。

同時(shí)對(duì)集熱核心部件鏡面反射材料，以及太陽(yáng)能中高溫直通管采取國(guó)產(chǎn)化市場(chǎng)化生產(chǎn)，降低了成本，并且在運(yùn)輸安裝費(fèi)用上降低大量費(fèi)用。這兩項(xiàng)突破徹底克服了長(zhǎng)期制約槽式太陽(yáng)能在中高溫領(lǐng)域內(nèi)大規(guī)模應(yīng)用的技術(shù)障礙，為實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能中高溫設(shè)備制造標(biāo)準(zhǔn)化和產(chǎn)業(yè)化規(guī)?；\(yùn)作開(kāi)辟了廣闊的道路。

塔式系統(tǒng)

1973年，世界性石油危機(jī)的爆發(fā)刺激了人們對(duì)太陽(yáng)能技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)。相對(duì)于太陽(yáng)能電池的價(jià)格昂貴、效率較低，太陽(yáng)能熱發(fā)電的效率較高、技術(shù)比較成熟。許多工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，都將太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)作為國(guó)家研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。從1981-1991年10年間，全世界建造了裝機(jī)容量500kW以上的各種不同形式的兆瓦級(jí)太陽(yáng)能熱發(fā)電試驗(yàn)電站余座，其中主要形式是塔式電站，最大發(fā)電功率為80MW。由于單位容量投資過(guò)大，且降低造價(jià)十分困難，因此太陽(yáng)能熱發(fā)電站的建設(shè)逐漸冷落下來(lái)。

但對(duì)塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電的研究開(kāi)發(fā)并未完全中止。1980年美國(guó)在加州建成太陽(yáng)I號(hào)塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站，裝機(jī)容量10MW。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間試驗(yàn)運(yùn)行后，在此基礎(chǔ)上又建造了太陽(yáng)II號(hào)塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站，并于1996年1月投入試驗(yàn)運(yùn)行。

碟式(盤(pán)式)系統(tǒng)

盤(pán)式(又稱(chēng)碟式)太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)是世界上最早出現(xiàn)的太陽(yáng)能動(dòng)力系統(tǒng)。近年來(lái)，盤(pán)式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)主要開(kāi)發(fā)單位功率質(zhì)量比更小的空間電源。盤(pán)式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)應(yīng)用于空間，與光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，具有氣動(dòng)阻力低、發(fā)射質(zhì)量小和運(yùn)行費(fèi)用便宜等優(yōu)點(diǎn)，美國(guó)從1988年開(kāi)始進(jìn)行可行性研究，計(jì)劃在近期進(jìn)行發(fā)射試驗(yàn)。例如，1983年美國(guó)加州噴氣推進(jìn)試驗(yàn)室完成的盤(pán)式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)，其聚光器直徑為11m，最大發(fā)電功率為24.6kW，轉(zhuǎn)換效率為29%。1992年德國(guó)一家工程公司開(kāi)發(fā)的一種盤(pán)式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率為9kW，到1995年3月底，累計(jì)運(yùn)行了17000h，峰值凈效率20%，月凈效率16%，該公司計(jì)劃用100臺(tái)這樣的發(fā)電系統(tǒng)組建一座MW的盤(pán)式太陽(yáng)能熱發(fā)電示范電站。

盤(pán)式(又稱(chēng)碟式)太陽(yáng)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(diǎn)上，接收器內(nèi)的傳熱工質(zhì)被加熱到750℃左右，驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行發(fā)電。

美國(guó)熱發(fā)電計(jì)劃與Cummins公司合作，1991年開(kāi)始開(kāi)發(fā)商用的7千瓦碟式/斯特林發(fā)電系統(tǒng)，5年投入經(jīng)費(fèi)1800萬(wàn)美元。1996年Cummins向電力部門(mén)和工業(yè)用戶(hù)交付7臺(tái)碟式發(fā)電系統(tǒng)，計(jì)劃1997年生產(chǎn)25臺(tái)以上。Cummins預(yù)計(jì)10年后年生產(chǎn)超過(guò)1000臺(tái)。該種系統(tǒng)適用于邊遠(yuǎn)地區(qū)獨(dú)立電站。

太陽(yáng)能光熱發(fā)電-商業(yè)化前景

以上三種系統(tǒng)性能比較。三種系統(tǒng)目前只有槽式線聚焦系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，其他兩種處在示范階段，有實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的可能和前景。三種系統(tǒng)均可單獨(dú)使用太陽(yáng)能運(yùn)行，安裝成燃料混合(如與天然氣、生物質(zhì)氣等)互補(bǔ)系統(tǒng)是其突出的優(yōu)點(diǎn)。

就幾種形式的太陽(yáng)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(dá)到商業(yè)化發(fā)展的技術(shù)，塔式熱發(fā)電系統(tǒng)的成熟度目前不如拋物面槽式熱發(fā)電系統(tǒng)，而配以斯特林發(fā)電機(jī)的拋物面盤(pán)式熱發(fā)電系統(tǒng)雖然有比較優(yōu)良的性能指標(biāo)，但目前主要還是用于邊遠(yuǎn)地區(qū)的小型獨(dú)立供電，大規(guī)模應(yīng)用成熟度則稍遜一籌。應(yīng)該指出，槽式、塔式和盤(pán)式太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)同樣受到世界各國(guó)的重視，并正在積極開(kāi)展工作。