太陽(yáng)能聚熱發(fā)電方式的選擇

嚴(yán)剛峰，方紅，程浩，李紅連

（ 成都大學(xué)電子信息工程學(xué)院，成都 610106）

1 太陽(yáng)能聚熱發(fā)電的重要意義

如何高效獲取能源在人類社會(huì)發(fā)展以及人類社會(huì)的文明進(jìn)程中占有極其重要的地位，在過(guò)去的一個(gè)世紀(jì)中，煤炭、石油、天然氣等化石能源的開(kāi)發(fā)與利用揭開(kāi)了大工業(yè)時(shí)代的序幕，近百年以來(lái)，人類總的年能源供應(yīng)量增長(zhǎng)了近十倍。然而，無(wú)節(jié)制的資源開(kāi)發(fā)和低效的能源利用造成了大量的資源浪費(fèi)與日益嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境污染，人類的生存空間受到了極大影響，在新的世紀(jì)里，能源科學(xué)不得不同時(shí)面對(duì)資源短缺與環(huán)境污染的雙重壓力，因此，高效開(kāi)發(fā)可再生資源具有重要意義［1－4］。

我國(guó)是一個(gè)人口眾多、經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)的發(fā)展中國(guó)家，能源量的發(fā)展與質(zhì)的改善是經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及人民生活改善的基本保證。如何滿足能源數(shù)量和質(zhì)量的需求，將會(huì)在相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)成為我國(guó)能源發(fā)展戰(zhàn)略制定的重要依據(jù)。我國(guó)能源消耗總量達(dá)到22.34億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，能源缺口為1.73億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，其中石油自給率為55.4%(2005年數(shù)據(jù))。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，清潔能源消耗和缺口還將進(jìn)一步加大，供需矛盾將日益明顯［5］。同時(shí)，從我國(guó)近年來(lái)的能源消耗統(tǒng)計(jì)可以看出，我國(guó)的能源發(fā)展存在三大矛盾:

(1)大量使用煤炭與環(huán)境保護(hù)以及減排溫室氣體的矛盾

(2)能源大量消耗和國(guó)內(nèi)油氣資源短缺的矛盾

(3)大量進(jìn)口石油天然氣和能源安全的矛盾

面對(duì)上述問(wèn)題，我們應(yīng)采取強(qiáng)化節(jié)能、提高能源的綜合利用效率的同時(shí)，更重要的是大力發(fā)展可再生能源來(lái)緩解上述矛盾。

世界能源儲(chǔ)量最多的是太陽(yáng)能(占再生能源的99%左右)，因其獨(dú)具的儲(chǔ)量“無(wú)限性”、存在的普遍性、開(kāi)發(fā)利用的清潔性，而受到廣泛關(guān)注，世界各國(guó)紛紛展開(kāi)對(duì)太陽(yáng)能利用的研究工作，其中包括太陽(yáng)能的收集、轉(zhuǎn)換、儲(chǔ)存及輸運(yùn)等，并取得顯著進(jìn)展。世界能源發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)也是建立以太陽(yáng)能為主的可持續(xù)發(fā)展結(jié)構(gòu)體系，其重要性將與日俱增。許多發(fā)達(dá)國(guó)家都把太陽(yáng)能等可再生能源從原來(lái)的補(bǔ)充能源上升到戰(zhàn)略替代能源的地位。在我國(guó)，隨著建設(shè)資源節(jié)約、環(huán)境友好型社會(huì)目標(biāo)的提出，太陽(yáng)能等可再生能源利用己成為我國(guó)能源戰(zhàn)略和能源安全的重要內(nèi)容。2005年國(guó)家政府報(bào)告《國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要2006－2020年》強(qiáng)調(diào)指出:太陽(yáng)能作為我國(guó)首要發(fā)展的可再生能源技術(shù)，己成為無(wú)可爭(zhēng)議的可持續(xù)發(fā)展能源的必由之路。因此，從能源戰(zhàn)略和能源安全的角度看，盡快大力發(fā)展太陽(yáng)能，探索和開(kāi)發(fā)創(chuàng)新技術(shù)，具有十分重要的意義。

太陽(yáng)能發(fā)電分為太陽(yáng)能直接光發(fā)電和太陽(yáng)能間接光發(fā)電。太陽(yáng)能直接光發(fā)電有太陽(yáng)能光伏發(fā)電、太陽(yáng)能光感應(yīng)發(fā)電等。太陽(yáng)能間接光發(fā)電有太陽(yáng)能熱發(fā)電、太陽(yáng)能光化學(xué)發(fā)電、太陽(yáng)能光生物發(fā)電等。太陽(yáng)能熱發(fā)電分為太陽(yáng)能熱直接發(fā)電和太陽(yáng)能熱間接發(fā)電。太陽(yáng)能熱直接發(fā)電有太陽(yáng)能熱離子發(fā)電、太陽(yáng)能熱光伏發(fā)電、太陽(yáng)能熱溫差發(fā)電和太陽(yáng)能熱磁流體發(fā)電等。太陽(yáng)能熱間接發(fā)電分為非聚光類太陽(yáng)能熱發(fā)電(低溫)和聚光類太陽(yáng)能熱發(fā)電(中、高溫)。非聚光類太陽(yáng)能熱發(fā)電有太陽(yáng)池?zé)岚l(fā)電、太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電等。聚光類太陽(yáng)能熱發(fā)電有塔式太陽(yáng)能聚熱發(fā)電、槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電、碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電等。目前，較為成熟的太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)是光伏發(fā)電和太陽(yáng)能熱發(fā)電。在太陽(yáng)能熱發(fā)電中，通過(guò)聚光產(chǎn)生高溫進(jìn)而發(fā)電，其效率較高，更具應(yīng)用前景。

太陽(yáng)熱能發(fā)電是一項(xiàng)綜合性技術(shù)，涉及太陽(yáng)能利用、儲(chǔ)能、新型材料技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和高效汽輪機(jī)技術(shù)等問(wèn)題，是當(dāng)今世界在太陽(yáng)熱能利用方面研究的重要內(nèi)容。自從1878年在巴黎建立了第一個(gè)小型點(diǎn)聚焦太陽(yáng)能熱交換式蒸汽機(jī)以來(lái)，能源領(lǐng)域?qū)＜覐母鱾€(gè)方面對(duì)太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)展開(kāi)了深入的探討，目前美國(guó)、德國(guó)、以色列、法國(guó)、西班牙等國(guó)都在深入開(kāi)展太陽(yáng)能熱力發(fā)電的研究與開(kāi)發(fā)，并在設(shè)計(jì)理論、材料工藝和熱儲(chǔ)存系統(tǒng)等方面取得了較大進(jìn)步。特別是近幾十年來(lái)，美國(guó)、日本和歐洲等國(guó)相繼建立起各種不同類型的試驗(yàn)示范裝置和商業(yè)化運(yùn)行裝置，促進(jìn)了太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展和商業(yè)化的進(jìn)程，太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)取得了顯著的提高。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅在近十年間，全世界就組建了500 KW以上的太陽(yáng)能熱發(fā)電站幾十座。據(jù)最新報(bào)道，美國(guó)已通過(guò)《美國(guó)復(fù)蘇與再投資法》的法案，計(jì)劃向可再生能源生產(chǎn)領(lǐng)域投入230億美元，近期美國(guó)能源部就將投入近20億美元資助兩家公司興建太陽(yáng)能發(fā)電廠，以支持美國(guó)太陽(yáng)能行業(yè)的發(fā)展。德國(guó)則計(jì)劃投資4000億歐元，在北非建立超大型聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電站，將可滿足歐洲15%的用電需求。

因此，大力發(fā)展太陽(yáng)能聚熱發(fā)電是世界各國(guó)能源戰(zhàn)略的重要組成，是解決社會(huì)發(fā)展能源短缺的重要途徑。

2 太陽(yáng)能聚熱發(fā)電方式

按照集熱溫度的高低，太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)大致可以分為槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)、碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)和塔式太陽(yáng)能聚熱發(fā)電系統(tǒng)。下面簡(jiǎn)要敘述這幾類系統(tǒng)的基本原理、特點(diǎn)和存在的問(wèn)題。

2.1 槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)

槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)是利用槽形拋物面反射鏡將太陽(yáng)光線聚焦到吸熱器上，聚光吸熱器由眾多分散布置的槽形拋物面聚光吸熱器串、并聯(lián)組成，對(duì)傳熱工質(zhì)進(jìn)行加熱，經(jīng)換熱產(chǎn)生蒸汽，推動(dòng)汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的能源動(dòng)力系統(tǒng)［6］。

槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)分為兩種形式:一種是傳熱工質(zhì)在各個(gè)分散的聚光吸熱器中被加熱形成蒸汽匯聚到汽輪機(jī)，稱之為單回路系統(tǒng)，另一種是傳熱工質(zhì)在各個(gè)分散的聚光吸熱器中被加熱匯聚到熱交換器，經(jīng)換熱器再把熱量傳遞給汽輪機(jī)回路，稱之為雙回路系統(tǒng)。槽式系統(tǒng)以線聚焦取代點(diǎn)聚焦，并且聚焦的管線，隨著圓柱拋物面反射鏡一起跟蹤太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)，可以將光熱轉(zhuǎn)換效率提高到70%左右。圖1為美國(guó)加州建成的SEGS槽式太陽(yáng)能聚熱發(fā)電站。

圖1 美國(guó)加州建成的SEGS槽式太陽(yáng)能聚熱發(fā)電站

槽式系統(tǒng)的主要特點(diǎn)在于:

(1)槽形拋物面吸熱器是一種線聚焦吸熱器，對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行一維跟蹤，其聚光比在10到30之間，集熱溫度一般低于400℃，屬于中溫系統(tǒng)，這種系統(tǒng)容量可大可小，商業(yè)化運(yùn)營(yíng)對(duì)系統(tǒng)容量沒(méi)有要求;

(2)吸熱器等裝置都布置于地面上，安裝和維護(hù)比較方便;

(3)各聚光吸熱器可同步跟蹤，使得成本相對(duì)較低。

槽式系統(tǒng)的主要問(wèn)題在于:

(1)由于太陽(yáng)能吸熱器(中間的聚焦管線)固定在槽式反射鏡上，隨著反射鏡一起運(yùn)動(dòng)，因而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械裝置比較笨重，而且熱管的連接點(diǎn)必須是活動(dòng)性的，這種結(jié)構(gòu)保溫較為困難，并且容易損壞。

(2)槽式系統(tǒng)的抗風(fēng)能力較差，不適宜工作在大風(fēng)地區(qū)，每個(gè)槽式反射鏡的風(fēng)阻很大。因此，國(guó)外現(xiàn)有的槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)一般應(yīng)用于無(wú)風(fēng)或微風(fēng)的地區(qū)。這與我國(guó)北方多風(fēng)甚至大風(fēng)的氣候條件有很大差異，在我國(guó)應(yīng)用必須要改變或加強(qiáng)反射鏡的支撐結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)槽式系統(tǒng)的抗風(fēng)性能，這樣必然導(dǎo)致投資成本和熱發(fā)電成本大幅增加。

(3)槽式系統(tǒng)的太陽(yáng)能吸熱器是很長(zhǎng)的集熱管，盡管發(fā)展了許多新的集熱技術(shù)，但其散熱，包括由熱輻射造成的散熱面積要比其有效的受光面積大，因此與點(diǎn)聚光系統(tǒng)，如碟式和塔式相比，槽式系統(tǒng)的熱損耗很大。

(4)高質(zhì)量的槽形拋物面聚光鏡以及集熱管的加工都存在較困難的工藝問(wèn)題，損壞后維修成本也很高。

2.2 碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)

碟式系統(tǒng)也稱之為盤(pán)式系統(tǒng)，是采用盤(pán)狀拋物面鏡進(jìn)行聚光集熱［7］。其結(jié)構(gòu)從外形上看類似于大型拋物面雷達(dá)天線。由于盤(pán)狀拋物面鏡是一種點(diǎn)聚焦吸熱器，其聚光比可以高達(dá)數(shù)百到數(shù)千，因而可以產(chǎn)生非常高的溫度。這種系統(tǒng)可以獨(dú)立運(yùn)行，其功率一般為幾十千瓦，聚光鏡直徑約10～15 m。碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)也可以做成較大的系統(tǒng)，即可以將多臺(tái)裝置并聯(lián)起來(lái)，組成小型太陽(yáng)能熱發(fā)電電站，為用戶提供電力需求。圖2為Zenith Solar公司所建的碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電站。

圖2 Zenith Solar公司的碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電站

碟式系統(tǒng)的主要特點(diǎn)在于:

光熱轉(zhuǎn)換效率高，發(fā)電系統(tǒng)壽命長(zhǎng)、效率高、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)，可以單臺(tái)供電，也可以多套并聯(lián)使用，非常適合邊遠(yuǎn)地區(qū)和山區(qū)發(fā)電。

中國(guó)有色金屬工業(yè)協(xié)會(huì)會(huì)長(zhǎng)陳全訓(xùn)出席投產(chǎn)儀式，青海省副省長(zhǎng)王黎明宣布項(xiàng)目投產(chǎn)，集團(tuán)公司黨委書(shū)記、董事長(zhǎng)張永利，西寧市委常委、西寧(國(guó)家級(jí))經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)管委會(huì)常務(wù)副主任許國(guó)成分別致辭。

碟式系統(tǒng)的主要問(wèn)題在于:

(1)斯特林發(fā)電機(jī)效率較低，致使商業(yè)運(yùn)營(yíng)成本很高;

(2)斯特林發(fā)電機(jī)要求在高溫下工作，考慮到太陽(yáng)能的分散性，增大聚光反射鏡面積來(lái)提高發(fā)動(dòng)機(jī)的輸出功率是有效的，但過(guò)于龐大的聚光反射鏡因抗風(fēng)和跟蹤等條件的限制，使得工藝結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本昂貴。

2.3 塔式太陽(yáng)能聚熱發(fā)電系統(tǒng)

塔式系統(tǒng)又稱為集中型系統(tǒng)，其聚光裝置由許多安裝在場(chǎng)地上的大型反射鏡場(chǎng)組成，這些反射鏡通常稱為定日鏡。每臺(tái)定日鏡都配有太陽(yáng)跟蹤機(jī)構(gòu)，對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行雙軸跟蹤，準(zhǔn)確地將太陽(yáng)光反射集中到一個(gè)高塔頂部的吸熱器上［8］。塔式系統(tǒng)的聚光比通常在500～3000之間，系統(tǒng)最高運(yùn)行溫度理論上可達(dá)到2000℃。經(jīng)定日鏡反射的太陽(yáng)能聚集到塔頂?shù)奈鼰崞魃希訜嵛鼰崞髦械膫鳠峁べ|(zhì)，生產(chǎn)出過(guò)熱蒸汽，推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。圖3為eSolar公司的Sierra塔式太陽(yáng)能聚熱發(fā)電站。

塔式系統(tǒng)的主要特點(diǎn)在于:

(1)平面反射鏡量產(chǎn)成本較低，維護(hù)和更換成本也較低;

(2)聚光倍數(shù)高，容易達(dá)到較高的工作溫度;

(3)能量集中過(guò)程是靠反射光線一次完成的，方法簡(jiǎn)單有效;

圖3 eSolar公司的Sierra塔式太陽(yáng)能聚熱發(fā)電站

塔式系統(tǒng)的主要問(wèn)題在于:

(1)定日鏡的高精度跟蹤與低成本的矛盾;

(2)高效吸熱器的耐高溫吸熱材料及其制造工藝問(wèn)題;

(3)聚光集熱系統(tǒng)、儲(chǔ)熱系統(tǒng)和動(dòng)力系統(tǒng)的系統(tǒng)集成及其優(yōu)化方法。

三種太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)主要性能和特點(diǎn)比較如表 1［9］所示。

表1 三種太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)性能和特點(diǎn)的比較

3 塔式太陽(yáng)能聚熱發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

對(duì)于建立大規(guī)模太陽(yáng)能集中發(fā)電站而言，塔式太陽(yáng)能聚熱發(fā)電系統(tǒng)與槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)相比，雖然塔式系統(tǒng)熱發(fā)電的一次投資成本較槽式系統(tǒng)高略，但其它方面的優(yōu)勢(shì)明顯，體現(xiàn)在:

(1)聚光材料部分

塔式太陽(yáng)能聚熱發(fā)電系統(tǒng)的反射鏡量產(chǎn)成本低，維護(hù)和更換成本也較低。而槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)需要高質(zhì)量的槽形拋物面聚光鏡，高性能的集熱管。不僅槽形拋物面聚光鏡、集熱管制作存在較困難的理論以及工藝問(wèn)題，而且損壞后維修和更換成本也很高。

(2)聚光原理部分

塔式太陽(yáng)能聚熱發(fā)電系統(tǒng)是點(diǎn)聚光，其能量集中過(guò)程是靠反射光線一次完成的，方法簡(jiǎn)單有效，聚光倍數(shù)高，容易達(dá)到較高的工作溫度。而槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)是線聚光，需要通過(guò)很長(zhǎng)的集熱管完成，熱損耗大，不易達(dá)到較高的工作溫度。

(3)聚光場(chǎng)的維護(hù)

塔式太陽(yáng)能聚熱發(fā)電系統(tǒng)的聚光場(chǎng)是一組定日鏡，每個(gè)定日鏡均有控制機(jī)構(gòu)完成其定日功能，精度較高。而槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的聚焦管線均固定在槽式反射鏡上，隨著反射鏡一起運(yùn)動(dòng)，因而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)械裝置比較笨重，而且熱管的連接點(diǎn)必須是活動(dòng)性的，這種結(jié)構(gòu)導(dǎo)致保溫困難，容易損壞。

(4)集熱部分

塔式太陽(yáng)能聚熱發(fā)電系統(tǒng)的吸熱器需要引進(jìn)(目前，成熟的吸熱器供應(yīng)商有以色列和美國(guó)的相關(guān)公司)。槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)集熱管同樣需要引進(jìn)(玻璃管與金屬內(nèi)管的封接技術(shù)僅以色列掌握，世界各國(guó)均引進(jìn)以色列的這種產(chǎn)品來(lái)展開(kāi)槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的建設(shè))。

(5)儲(chǔ)熱部分

塔式太陽(yáng)能聚熱發(fā)電系統(tǒng)和槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)同樣面臨儲(chǔ)熱材料、儲(chǔ)熱技術(shù)方面的難題。

(6)汽輪發(fā)電系統(tǒng)、控制系統(tǒng)

這些部分，塔式太陽(yáng)能聚熱發(fā)電系統(tǒng)和槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)相比，結(jié)構(gòu)和組成相同，均無(wú)實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)。

因此，塔式太陽(yáng)能聚熱發(fā)電系統(tǒng)是下一代太陽(yáng)能大規(guī)模熱發(fā)電系統(tǒng)的理想方式，應(yīng)該大力發(fā)展塔式太陽(yáng)能聚熱發(fā)電電站。

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