聚光太陽能發(fā)電技術應用與前景

陳于平

（重慶三峽水利電力集團，重慶 404000）

0 引言

太陽能是取之不盡用之不竭的資源，目前主要有2種方法利用太陽能，一是采用反射鏡把太陽光反射并聚集到接收器，該接收器能夠聚集太陽能并將其轉換為熱能，利用這種熱能生產的熱蒸汽，推動渦輪發(fā)動機，從而驅動發(fā)電機發(fā)電，滿足電力需求，這種技術被稱為聚光太陽能發(fā)電（簡稱CSP）技術。二是利用半導體制成的光伏太陽能電池板，把光伏電池板可以直接安裝在屋頂上，將太陽能直接轉化為電能供建筑物使用。

太陽能到電能的高效率轉換特性，使CSP技術成為具有吸引力的可再生能源項目，要求有廣闊的場地以及較長的能源傳輸線，為了克服太陽能容易受多云天氣和夜間的影響，科學家們研究開發(fā)了熱量存儲技術。

美國內華達一號太陽能發(fā)電廠于2007年投產，擁有182萬塊凹面鏡，見圖1。凹面鏡組成的太陽能槽式設備將太陽的能量聚焦在位于鏡子焦點線上的不銹鋼接收器管，而鋼管內裝有可流動的油等傳熱液體，在高溫作用下油的溫度升高至750塒(約398.9℃)，巨型的散熱器吸收其中的熱量給水加熱產生蒸汽，蒸汽帶動高壓驅動渦輪機和發(fā)電機運轉，從而產生電能。這座發(fā)電廠每年可產生6 400萬kW·h，足夠供14萬戶家庭或者幾家拉斯維加斯賭場使用。與昂貴的光伏太陽能板相比，政府部門往往更青睞于這種方式。在晴朗的夏天，太陽直射的情況下，該發(fā)電廠能將21%的太陽光轉化成電能。每隔30 s，凹面鏡就會隨太陽的移動改變朝向，直至正午完全朝上。760列凹面鏡，每一列鏡子能夠生產84萬W的電力。太陽能的優(yōu)勢在于來源免費，而且不會產生溫室氣體，與其他形式的可再生能源相比如風能，太陽能是來源最為豐富且最穩(wěn)定的能源。

圖1 位于美國內華達州莫哈韋沙漠的一號太陽能電廠的凹面鏡正在采集陽光

按照聚集太陽能的方式，聚光太陽能發(fā)電系統(tǒng)技術分為線性聚光系統(tǒng)、碟/引擎系統(tǒng)、電力塔系統(tǒng)3種方式。線性聚光系統(tǒng)和電力塔系統(tǒng)都易于與熱量存儲系統(tǒng)集成在一起，從而有助于在多云天氣或在夜間實現(xiàn)發(fā)電。另外，還可與天然氣結合起來，采用混合動力發(fā)電。聚光太陽能發(fā)電系統(tǒng)結構拓撲圖見圖2。

圖2 聚光太陽能發(fā)電系統(tǒng)結構拓撲圖

1 線性聚光系統(tǒng)

線性聚光太陽能發(fā)電（CSP）采用線聚焦技術，線性聚光器包括拋物面槽式系統(tǒng)和線性菲涅耳反射系統(tǒng)2種，利用很大的反射鏡來捕獲太陽的能量，并把太陽光反射和對焦集中到焦線上，在這條焦線上安裝有線性管狀集熱器，集熱器吸收聚焦后的太陽輻射能，把吸熱管內的流體加熱，然后產生過熱蒸汽，驅動渦輪發(fā)電機產生電力。線性集中聚光器系統(tǒng)通常由按南北向平行排列的大量聚光器組成，這樣保證最大限度地聚集太陽能。利用單軸太陽跟蹤系統(tǒng)，使反射鏡在白天能夠隨時追蹤太陽的方位，以確保太陽光能不斷地反射到吸熱管。這種發(fā)電方式的特點是在太陽能聚集系統(tǒng)中直接產生蒸汽，不需要昂貴的換熱器，但需要安裝大量的傳熱管道，費用十分昂貴，而且運行溫度也比較低。

1.1 拋物面槽式系統(tǒng)

目前，在美國太陽能熱發(fā)電領域中占主導地位的是拋物面槽式線性聚光系統(tǒng)，槽式太陽能發(fā)電系統(tǒng)由太陽能聚光器，以及吸熱配件或接收器和跟蹤機構組成。其中太陽能聚光器由許多彎曲的反射鏡組合裝配而成，安裝在支架上。吸熱管或接收器管沿著每個拋物形反射鏡的焦線固定安裝，用以吸收太陽輻射能，傳熱工質(不管是傳熱流體還是水/蒸汽)都要從太陽能集熱管中流過，從而產生過熱蒸汽，直接輸送到渦輪機用以發(fā)電。槽式太陽能熱發(fā)電的聚光比為10～100，溫度可達400℃。跟蹤機構對支架進行控制下，使吸熱管能充分吸收來自反射鏡反射的陽光。目前，最大的拋物面槽式系統(tǒng)能產生80 MW的電力，正在開發(fā)能產生250 MW電力的拋物面槽式系統(tǒng)，見圖3。

圖3 采用拋物面槽式聚光器的線性聚光發(fā)電廠

在圖3中，拋物面槽把太陽光反射到接收器，高溫傳熱流體（圖中紅色）從接收器中流出，流進管道，通過渦輪驅動發(fā)電機輸出電力，向電網提供電力；低溫傳熱流體（藍色）從管道流出，流進蒸汽冷凝器進一步冷卻，回流到太陽聚集系統(tǒng)。熱量存儲罐位于管道和蒸汽冷凝器之間，如果采用特大型的聚光器系統(tǒng)，那么在白天對存儲系統(tǒng)進行加熱，這樣熱量存儲系統(tǒng)可以在晚上或多云天氣下運行，從而產生額外更多的蒸汽實現(xiàn)發(fā)電。拋物面槽電廠也可采用混合設計，也就是說可采用礦石作為補充燃料，以補充在太陽低輻射時期的太陽能，還可采用天然氣熱水器或燃氣蒸汽鍋爐/再熱器。在將來，拋物面槽可能與現(xiàn)有或新建的聯(lián)合循環(huán)天然氣和煤炭發(fā)電廠結合在一起。

1.2 線性菲涅爾反射器系統(tǒng)

第二種線性聚光技術是線性菲涅爾反射器系統(tǒng)，該系統(tǒng)由反射鏡、聚光器和跟蹤機構組成。把平坦的或略有彎曲的反射鏡安裝配置在跟蹤器上，在反射鏡上方的空間安裝吸熱管，反射鏡把陽光反射到吸熱管。有時在聚光器的頂部加裝小型拋物面反射鏡，以加強陽光的聚焦，見圖4。

圖4 線性菲涅爾反射器發(fā)電廠

在圖4中，太陽光通過安裝在地面的反射鏡向上反射到接收器，接收器安裝在反射器的上方。高溫傳熱流體從接收器中流出，流進管道，通過渦輪驅動發(fā)電機輸出電力，向電網提供電力；低溫傳熱流體（藍色）從管道流出，流進蒸汽冷凝器進一步冷卻，回流到太陽聚集系統(tǒng)。其特點是集熱器不采用真空技術，由此增加了集熱管的長度，提高了可用率，而且聚光效果是常規(guī)槽式線聚焦集熱器的3倍，而且建造費用降低了50%。缺點是工作效率只有普通集熱器的70%，因而需要進一步完善。

1.3 線性聚光系統(tǒng)關鍵技術的研究

在美國能源部的支持下，為了提高拋物面槽聚光器系統(tǒng)的性能和降低其成本，美國國家可再生能源實驗室和桑迪亞國家實驗室對線性聚光系統(tǒng)，特別是拋物面槽發(fā)電廠的關鍵技術進行研究，主要包括提高聚光器的裝配光學精度，以改善光線聚集度；開發(fā)先進的吸收材料，以提高運行溫度，改善和提高動力循環(huán)效率，減少用水量；以及如何減少接收器的熱量損耗的技術措施，目標就是要改善槽式太陽能發(fā)電系統(tǒng)的性能，提高拋物面槽的光學效率，并支持下一代拋物面槽的發(fā)展及推廣應用。

2 碟式/引擎系統(tǒng)

與其他聚光太陽能發(fā)電（CSP）技術相比，碟式/引擎系統(tǒng)產生的電力功率相對較少，通常在3～25萬kW的范圍內，很適合分布式應用，如果將多個這樣分布安裝的單元碟式/引擎系統(tǒng)整合成一簇，可以實現(xiàn)集中向電網供電，不但能緩解電力能源需求，還可以提高整個電網的運行安全性。整個發(fā)電系統(tǒng)安裝在一個雙軸跟蹤支撐機構上，實現(xiàn)定日跟蹤，連續(xù)發(fā)電，發(fā)電效率高達30%，在相同的運行溫度下，發(fā)電效率明顯高于槽式和塔式，是所有太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中效率最高的。缺點是碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的單元發(fā)電容量較小。

碟式/引擎系統(tǒng)主要由太陽能聚光器和電力轉換裝置2個部分組成。由許多反射鏡組成的拋物面碟把太陽光引導和集中到一個中央引擎，中央引擎產生電能。碟式/引擎系統(tǒng)的結構見圖5。

圖5 碟式/引擎發(fā)電廠

太陽能聚光器或碟，把直接來自太陽的太陽能聚集起來，聚集的太陽光光束被反射到一個熱接收器，熱接收器聚集了太陽熱量。碟安裝在一個跟蹤支撐機構上，全日跟蹤太陽，每一個反射鏡陣列會朝向太陽，盡可能持續(xù)地把太陽光高效率反射到熱接收器中。電力轉換單元包括熱接收器和發(fā)動機/發(fā)電機。熱接收器是碟和發(fā)動機/發(fā)電機之間的接口，它吸收太陽能的集中光束，將它們轉換成熱量，然后把熱量傳輸?shù)桨l(fā)動機/發(fā)電機。

熱接收器的管道中裝有冷卻流體，冷卻流體通常是氫和氦，一般是作為傳熱介質，也作為發(fā)動機的工作流體。發(fā)動機/發(fā)電機子系統(tǒng)從熱接收器中接收熱量，并利用熱量來產生電力。目前，在碟式/引擎系統(tǒng)中應用的最常見的熱發(fā)動機類型是斯特林發(fā)動機，再驅動活塞工作產生電能。斯特林發(fā)動機利用被加熱的流體來推動活塞產生機械功，發(fā)動機的機軸以旋轉的方式驅動發(fā)電機產生電力。

斯特林發(fā)動機作為一種外燃的、封閉循環(huán)往復式熱力發(fā)動機，它的運動部件間沒有機械連接，無須潤滑、密封簡單，和太陽能聚光器非常好地結合在一起，高效率地產生電能，這種技術有幾個優(yōu)勢，一是能量轉換效率高，二是機器非?！鞍察o”，三是壽命長，四是非常環(huán)保，完全燃燒后只產生很少量的氧氮化物和CO，內燃機在這方面遠不能與它相比。

碟式拋物面斯特林發(fā)電系統(tǒng)獨立分布運行的特點，非常適合急需電力補充的發(fā)展中國家的邊遠地區(qū)，在我國西藏、青海、新疆、內蒙古南部、山西、陜西北部、河北、山東、遼寧、云南中部和西南部、廣東東南部、福建東南部、海南島東部和西部以及臺灣省的西南部等廣大地區(qū)的太陽輻射總量都很大，西藏，新疆和內蒙古地域遼闊，土地資源豐富，農(牧)民居住分散，適于建造分散式太陽能斯特林熱電站，而建立大規(guī)模大容量集中式的太陽能熱發(fā)電站，采取遠距離輸變電方式是不經濟的，發(fā)展太陽能斯特林發(fā)電在節(jié)約水資源上還具有優(yōu)越性。斯特林發(fā)動機冷卻采用空冷方式，系統(tǒng)耗水量低，所以在缺水的內蒙古西部沙漠地區(qū)很適合建立大面積、大容量的蝶式斯特林太陽能熱發(fā)電站，也能部分解決內蒙古地區(qū)發(fā)展火電站缺水的問題。

3 塔式系統(tǒng)

塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)主要由日光反射鏡子系統(tǒng)、接收器組成，見圖6。其中日光反射鏡子系統(tǒng)由大量大型、平坦的太陽跟蹤反射鏡構成，對太陽進行實時跟蹤，把太陽光聚焦到塔頂?shù)慕邮掌?。在接收器中對傳熱流體進行加熱，產生高溫過熱蒸汽，過熱蒸汽推動常規(guī)渦輪發(fā)電機組發(fā)電。一些電力塔利用水/蒸汽作為傳熱流體。由于其卓越的傳熱和能量存儲能力，在其他先進的設計中，對其進行了熔融硝酸鹽試驗。具有商業(yè)規(guī)模的工廠可以生產200 MW的電力。造價十分昂貴，建設電站的投資很高。

圖6 電力塔發(fā)電廠

在圖6中，塔的周圍是日光反射鏡，日光反射鏡直接將收集到的陽光反射到發(fā)電塔頂端的接收器，接收器對傳熱流體進行加熱，加熱后的傳熱流體（紅色所示）從接收器流出進入給水再熱器，經過再熱器后進入渦輪發(fā)動機，從而驅動汽輪發(fā)電機發(fā)電。冷的傳熱流體（藍色所示）從渦輪流出進入蒸汽冷凝器進行冷卻，冷卻后的傳熱流體重新回流到塔頂?shù)慕邮掌鳌?/p>

4 3種聚光太陽能發(fā)電系統(tǒng)的經濟技術性能比較

表1所示為槽式、碟式及塔式聚光太陽能發(fā)電系統(tǒng)的經濟技術性能比較。

表1 3種類型發(fā)電系統(tǒng)的經濟技術性能比較

總體來看，槽式發(fā)電系統(tǒng)技術上最為成熟，且其跟蹤機構比較簡單，易于實現(xiàn)，總體成本最低，隨著技術的發(fā)展，槽式發(fā)電系統(tǒng)的建造費用由5976美元/kW降低到3 011美元/kW,發(fā)電成本由26.3美分/kW·h降低到12美分/kW·h，在2020年其發(fā)電成本有望達到約4美分/kW·h，基本相當于火力發(fā)電成本。

5 熱量存儲系統(tǒng)

熱能的儲存是當今任何一種CSP系統(tǒng)都需要部署的一個重要系統(tǒng)。太陽能的廣泛應用面臨著的一個挑戰(zhàn)。當太陽下山或有云層阻擋的時候，太陽能減少會限制電力能源的生產。熱能儲存系統(tǒng)提供了一個可行的解決方案來面對這一挑戰(zhàn)。在系統(tǒng)中，太陽光的光線被反射到一個接收器，接收器產生熱量，然后用于發(fā)電。如果這個接收器包含有作為傳熱介質的油或熔鹽，那么熱能可以被存儲起來供以后使用。

2008年，世界上第一座可存儲式的太陽能電站在西班牙投入商業(yè)運營。白天，凹面鏡吸收的太陽能給熔鹽加熱，晚上利用高溫熔鹽冷卻下來產生的熱量給水加熱產生蒸汽，就如同植物的光合作用。

熱能儲存系統(tǒng)包括雙罐直接系統(tǒng)，雙油箱間接系統(tǒng)，單罐溫躍層系統(tǒng)。這里介紹雙罐直接系統(tǒng)。

SolarⅡ太陽能電廠的雙罐直接熔鹽熱能存儲系統(tǒng)。在這個系統(tǒng)中把太陽熱能以液態(tài)儲存起來，流體存儲在雙罐中，一個罐是高溫罐，另一個罐是低溫罐，流體從低溫罐流經聚光器或接收器，在聚光器或接收器中，太陽能把流體加熱到高溫狀態(tài)，然后高溫流體流回到高溫罐存儲。來自高溫罐的流體流經換熱器，在換熱器產生蒸汽，以生產電力。流體以低溫狀態(tài)從換熱器退出，返回到低溫罐。在早期拋物面槽電廠中，采用雙罐直接存儲系統(tǒng)，加利福尼亞州的SolarⅡ太陽能發(fā)電廠就采用了雙罐直接存儲系統(tǒng)。

拋物面槽電廠采用礦物油作為傳熱和儲存液；SolarⅡ太陽能電廠采用熔鹽作為傳熱和儲存液。

6 前景

太陽能熱發(fā)電電站在節(jié)能減排方面作用非常顯著，以前面提到的年發(fā)電量達6400萬度的美國內華達一號太陽能發(fā)電廠為例，相比較傳統(tǒng)的火力電站，每年可以節(jié)約標準煤21 760 t，減少排放CO276 688.6 t、CO2576 t、粉塵顆粒4 492.8 t。美國國家可再生能源實驗室副主任羅伯特稱：“目前太陽能發(fā)電量只占全國總電量的0.1%，但是到2030年這一數(shù)字有望達到10%~20%?！睘榱私档统杀荆绹鴩铱稍偕茉磳嶒炇业目茖W家們正在研究用輕巧的聚合物制成凹面鏡來代替玻璃管和鋼管以期能吸收更多陽光又能減少熱能損耗，在保證能源轉換效率的前提下，進一步的降低成本。另外，科學家們正在研究如何存儲白天產生的電能以供晚上使用的方法。雖然目前在全世界范圍內太陽能技術在實際應用上還面臨種種困難，比如資金和技術，但技術的創(chuàng)新是永無止鏡的，太陽能作為人類未來可再生能源，前景是非常光明的。

[1] 于靜，車俊鐵，張吉月.太陽能發(fā)電技術綜述.世界科技研究與發(fā)展[J].2008,30（1）：56-59.