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一 引言

太陽能資源極為豐富，可為人類提供無限的能源。它是地球上觸手可得、取之不盡、用之不竭的能源。因此，人類很早就已開始尋找各種各樣的途徑和辦法去利用它。太陽能發(fā)電技術(shù)就是一種有效利用太陽能資源的形式。

目前世界上有兩種截然不同的太陽能發(fā)電方式，即光伏發(fā)電和太陽能熱發(fā)電。

光伏發(fā)電是利用太陽電池將太陽輻射能轉(zhuǎn)換為電能的發(fā)電方式。目前，光伏發(fā)電已在世界許多國家開始大量推廣使用。

太陽能熱發(fā)電是一種新興的太陽能發(fā)電技術(shù)。它利用聚光集熱器把太陽能聚集起來，并通過光熱轉(zhuǎn)換裝置將太陽能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，將某種工質(zhì)加熱到數(shù)百甚至1000℃以上的高溫，然后經(jīng)過蒸汽發(fā)生器將水加熱成過熱蒸汽，驅(qū)動汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。太陽能熱發(fā)電方式因采用了蓄熱儲能技術(shù)，整體效率高于光伏發(fā)電，因此，近幾年來引起了世界各國的高度重視并得到發(fā)展。

目前，已經(jīng)進(jìn)行深入研發(fā)及投入使用或即將投入商業(yè)運(yùn)行的太陽能熱電發(fā)方式有3種：槽式、塔式和碟式太陽能熱發(fā)電。

不管采取哪種發(fā)電方式，都面臨著一個相同的問題，就是如何降低太陽能熱發(fā)電的成本。要想降低太陽能熱發(fā)電成本，一個重要的方面就是要提高系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的轉(zhuǎn)換效率，最大限度地將所接收到的太陽能轉(zhuǎn)變成電能，以實(shí)現(xiàn)收益最大化。因此，提高太陽能熱發(fā)電整個系統(tǒng)效率對降低成本具有非常重要的作用和意義。本文就這個人們所關(guān)心的問題進(jìn)行較詳盡的分析論述。

二 提高太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)效率的主要措施

1 提高聚光集熱裝置及光熱轉(zhuǎn)換裝置的光熱轉(zhuǎn)換效率

太陽能熱發(fā)電3種方式明顯的不同之處在于聚光集熱裝置及光熱轉(zhuǎn)換裝置的形式不同。

槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)采用的是槽型拋物面聚光集熱器，將眾多的槽型拋物面聚光集熱器串并聯(lián)排列，并通過真空管光熱轉(zhuǎn)換器，將光能轉(zhuǎn)換為熱能，并以油為傳熱介質(zhì)載體，輸送至蒸汽發(fā)生器，加熱水產(chǎn)生過熱蒸汽，驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電。槽式熱發(fā)電的聚光集熱裝置及光熱轉(zhuǎn)換裝置如圖1所示。

塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是利用眾多的平面反射鏡陣列，將太陽輻射反射到置于高塔頂部的太陽能接收器上，并通過光熱轉(zhuǎn)換器將光能轉(zhuǎn)換為熱能，加熱水產(chǎn)生過熱蒸汽，驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電。塔式熱發(fā)電的聚光集熱裝置及光熱轉(zhuǎn)換裝置如圖2所示。

圖1 槽式熱發(fā)電的聚光集熱裝置及光熱轉(zhuǎn)換裝置

圖2 塔式熱發(fā)電的聚光集熱裝置及光熱轉(zhuǎn)換裝置

碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)是由多個碟式太陽聚焦鏡組成的陣列，將太陽光聚焦產(chǎn)生860℃以上的高溫，通過安裝在焦點(diǎn)處的光熱轉(zhuǎn)換器將熱能傳遞給傳熱介質(zhì)載體空氣，并輸送到蒸汽發(fā)生器或蓄熱器，加熱水產(chǎn)生過熱蒸汽，驅(qū)動汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。碟式熱發(fā)電的聚光集熱裝置及光熱轉(zhuǎn)換裝置如圖3所示。

圖3 碟式熱發(fā)電的聚光集熱裝置及光熱轉(zhuǎn)換裝置

目前這3種形式的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，從聚光集熱裝置及光熱轉(zhuǎn)換裝置的光熱轉(zhuǎn)換效率上看，碟式最高，約為85%；塔式次之，約為70%；槽式最低，約為60%。其主要原因是這幾種形式的聚光集熱裝置的幾何聚焦比不同(分別約為200～3000，600～1000和8～80)，從而導(dǎo)致被加熱后載熱介質(zhì)的溫度不同(分別約為500～1500℃，500～1000℃和260～570℃)。另外，載熱介質(zhì)的溫度不同還與所選用的載熱介質(zhì)的種類及轉(zhuǎn)換裝置的結(jié)構(gòu)不同有關(guān)。例如，槽式系統(tǒng)采用導(dǎo)熱油或融熔鹽作為載熱介質(zhì)，溫度只能控制在其沸點(diǎn)以下的某一溫度，而碟式或塔式系統(tǒng)采用空氣為載熱介質(zhì)，其溫度可達(dá)上千度。從光熱轉(zhuǎn)換裝置上看，槽式系統(tǒng)采用的是線聚焦，管式光熱轉(zhuǎn)換裝置逐級加熱的方式；而碟式和塔式采用的是點(diǎn)聚焦，蜂窩或多孔材料輻射對流加導(dǎo)熱的光熱轉(zhuǎn)換方式，這都是導(dǎo)致光熱轉(zhuǎn)換效率不同的因素。

除上述因素外，減小聚光集熱裝置的余弦效應(yīng)也可提高光熱轉(zhuǎn)換效率。如碟式和塔式熱發(fā)電采用雙軸跟蹤系統(tǒng)，余弦效應(yīng)明顯小于單軸跟蹤的槽式熱發(fā)電。尤其是碟式的全方位雙軸跟蹤，余弦效應(yīng)幾乎接近于0。

因此，要提高太陽能熱發(fā)電的光熱轉(zhuǎn)換效率，就要盡量采用幾何聚焦比較高的聚光集熱裝置，以及耐高溫的載熱介質(zhì)和換熱效率較高的光熱轉(zhuǎn)換裝置。同時，還要盡量采用雙軸跟蹤方式，以減小余弦效應(yīng)，使光能利用最大化。

2 提高太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)載熱介質(zhì)的傳輸效率

太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)均是通過某種載熱介質(zhì)將光能轉(zhuǎn)化來的熱能傳輸至蒸汽發(fā)生器。在熱能傳輸?shù)倪^程中，由于管道的散熱損失，導(dǎo)致了部分熱能的損失。根據(jù)傳熱學(xué)原理，介質(zhì)的溫度越高，與傳輸管道外的環(huán)境溫差越大，越容易散熱，熱能損失也越大。因此，需要采取更好的保溫材料(如選取導(dǎo)熱系數(shù)盡量小的保溫材料)及保溫措施，盡量減少載熱介質(zhì)熱能損失，以提高載熱介質(zhì)的傳輸效率。

目前，當(dāng)溫度低于400℃時，通常可采用價格低廉的巖棉、玻璃棉、珍珠巖等產(chǎn)品作為保溫材料；溫度高于400℃時，尤其是超過600℃時，雖可用硅酸鋁(鈣)陶瓷纖維制品作為保溫材料，但由于其導(dǎo)熱系數(shù)較大，保溫效果并不好。所以需要尋找耐高溫、導(dǎo)熱系數(shù)更小的保溫材料進(jìn)行替代。目前已研制出的一種名為氣凝膠的產(chǎn)品完全可以滿足這一要求，其導(dǎo)熱系數(shù)在常溫時小于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，約為0.02W/(m·℃)；當(dāng)溫度為960℃時，其導(dǎo)熱系數(shù)約為0.06W/(m·℃)。因此，該材料適用于碟式及塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)高溫管道及設(shè)備的保溫。

3 提高太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的蒸汽發(fā)生器效率

(1)太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)蒸汽發(fā)生器的效率公式

太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)蒸汽發(fā)生器效率的計算方法不同于燃煤電站的鍋爐。

其計算公式為：

(2)提高太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)蒸汽發(fā)生器的效率的措施

因各種太陽能熱發(fā)電技術(shù)的蒸汽發(fā)生器在加熱介質(zhì)種類及溫度上有所不同，采用的換熱方式也不相同，故現(xiàn)僅以碟式發(fā)電系統(tǒng)的蒸汽發(fā)生器為例進(jìn)行分析論述。提高碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)蒸汽發(fā)生器效率的措施包括：

① 采用新型的開口翅片管技術(shù)

為了提高蒸汽發(fā)生器的熱轉(zhuǎn)換效率，在蒸汽發(fā)生器各部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計上要充分考慮效率最高這一理念。例如，由于碟式發(fā)電系統(tǒng)采用的載熱介質(zhì)為空氣，空氣較常規(guī)的燃煤鍋爐的煙氣干凈得多，故在設(shè)計時無需考慮蒸汽發(fā)生器積灰堵灰等問題，在省煤器的設(shè)計上可采用新型的開口翅片管技術(shù)，這相當(dāng)于增加了省煤器的換熱面積，與直接采用光管的形式相比，效率可提高30%以上。

② 盡量提高加熱介質(zhì)的進(jìn)口參數(shù)

提高蒸汽發(fā)生器入口熱空氣的參數(shù)，相當(dāng)于提高加熱介質(zhì)的入口焓值，增大加熱面兩側(cè)的傳熱端差，可增強(qiáng)傳熱效果，提高傳熱效率。因此，蒸汽發(fā)生器入口的空氣溫度越高，設(shè)備效率越高。

③ 降低加熱介質(zhì)的出口參數(shù)

降低蒸汽發(fā)生器加熱介質(zhì)的出口參數(shù)，可增大加熱介質(zhì)的焓降，同時減小尾部排放損失，從而提高蒸汽發(fā)生器的熱轉(zhuǎn)換效率。由于熱空氣不像燃煤鍋爐的煙氣含有SO2成分，可不用考慮蒸汽發(fā)生器的尾部煙道腐蝕問題，故可以盡量降低蒸汽發(fā)生器的排風(fēng)溫度，以減小排放損失。

受蒸汽發(fā)生器給水溫度的限制，蒸汽發(fā)生器的排風(fēng)溫度不可能無限度降低。常規(guī)火電廠由于考慮蒸汽發(fā)生器尾部煙道低溫硫酸腐蝕，排煙溫度一般設(shè)計在160℃以上，對應(yīng)的給水溫度約為150℃。由于碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)使用熱空氣作為加熱介質(zhì)，基本不含有硫化物，故可不考慮此限制。為此，在蒸汽發(fā)生器及汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計過程中，可考慮采用盡量降低給水溫度的辦法來降低蒸汽發(fā)生器出口的排風(fēng)溫度。

蒸汽發(fā)生器給水需要進(jìn)行充分除氧。目前給水除氧主要采用化學(xué)除氧和熱力除氧兩種方式。兩種除氧方式比較，采用熱力除氧方式除氧效果較好，更適用于該系統(tǒng)。但采用熱力除氧方式，蒸汽發(fā)生器給水溫度要達(dá)到104℃以上，此時蒸汽發(fā)生器出口的排風(fēng)溫度要高于120℃，這就限制了蒸汽發(fā)生器排風(fēng)溫度的降低。為了解決這一問題，保證在不影響蒸汽發(fā)生器給水除氧效果的前提下仍能進(jìn)一步降低蒸汽發(fā)生器出口的排風(fēng)溫度，可對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，從而使蒸汽發(fā)生器給水溫度降低到約60℃，排氣溫度降至約75℃。除氧給水優(yōu)化改進(jìn)后的系統(tǒng)如圖4所示。

另外，槽式熱發(fā)電方式對加熱介質(zhì)采用閉式循環(huán)的方式，完全消除了蒸汽發(fā)生器的冷端損失，可大大提高蒸汽發(fā)生器的效率，從而提高整個系統(tǒng)的效率。

4 提高太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)汽輪發(fā)電機(jī)組的效率

在當(dāng)前市場上，汽輪發(fā)電機(jī)組是較成熟的常規(guī)產(chǎn)品。通過對比分析發(fā)現(xiàn)，提高汽輪發(fā)電機(jī)組的效率主要有以下幾種方法：

(1)提高汽輪機(jī)的進(jìn)汽參數(shù)，降低排汽參數(shù)

提高汽輪機(jī)的進(jìn)汽參數(shù)，降低排汽參數(shù)，相當(dāng)于增大蒸汽在汽輪機(jī)中的焓降，即提高蒸汽的做功能力，這是提高汽輪機(jī)功率和效率非常有效的手段。

汽輪機(jī)排汽參數(shù)的降低對汽輪機(jī)效率的提高影響較大，但排汽參數(shù)一般受當(dāng)?shù)貧夂驐l件如氣壓、溫度、濕度等的影響，不可能降得很低。因此，當(dāng)汽輪機(jī)的進(jìn)汽量和排汽參數(shù)一定時，提高汽輪機(jī)的進(jìn)汽壓力和溫度，就成為提高效率的最有效措施。對于同樣裝機(jī)容量的汽輪發(fā)電機(jī)組，汽輪機(jī)的進(jìn)汽壓力和溫度越高，則汽輪發(fā)電機(jī)組效率越高，發(fā)同樣電量時所需的蒸汽量越少。

對于非再熱純凝機(jī)組，熱電轉(zhuǎn)換效率η的計算公式為：

表1是對杭州汽輪機(jī)廠不同進(jìn)汽參數(shù)機(jī)組熱電轉(zhuǎn)換效率的對比。從表中的數(shù)值可以看出，汽輪機(jī)的熱電轉(zhuǎn)換效率隨著汽輪機(jī)進(jìn)汽參數(shù)(即進(jìn)汽壓力、溫度)的提高而提高。

表1 杭州汽輪機(jī)廠不同進(jìn)汽參數(shù)機(jī)組熱電轉(zhuǎn)換效率的對比

(2)提高汽輪發(fā)電機(jī)組的裝機(jī)容量

汽輪機(jī)的熱電轉(zhuǎn)換效率隨汽輪機(jī)進(jìn)汽量的提高而提高。而提高進(jìn)汽量，就是要盡量提高機(jī)組的單機(jī)裝機(jī)容量。

表2為南京汽輪機(jī)廠幾種不同純凝機(jī)型熱電轉(zhuǎn)換效率的對比。從表中的數(shù)值可以看出，當(dāng)進(jìn)汽壓力和溫度相同時，汽輪機(jī)的熱電轉(zhuǎn)換效率隨汽輪機(jī)進(jìn)汽量(即機(jī)組容量)的提高而提高。

表2 南京汽輪機(jī)廠不同容量的機(jī)組熱電轉(zhuǎn)換效率的對比

(3)采用再熱式機(jī)組

對于再熱機(jī)組，進(jìn)入汽輪機(jī)的總熱能不僅包括進(jìn)入汽輪機(jī)新蒸汽的熱能，還應(yīng)包括進(jìn)入汽輪機(jī)再熱蒸汽的熱能。故熱電轉(zhuǎn)換效率η的計算公式為：

采用再熱，相當(dāng)于減少了汽輪機(jī)的部分冷源損失，即部分蒸汽在汽機(jī)高壓缸內(nèi)做功后，不經(jīng)過冷凝器冷凝，直接進(jìn)入蒸汽發(fā)生器進(jìn)行再熱，然后再進(jìn)入汽輪機(jī)進(jìn)行做功，從而提高了系統(tǒng)的整體效率。

通常，再熱機(jī)組的效率要比相同容量的非再熱純凝機(jī)組高約3%～5%。但目前采用再熱形式的機(jī)組多為50MW以上的較大機(jī)組，小機(jī)組因采用再熱形式不太容易實(shí)現(xiàn)，故當(dāng)前市場上很少被采用。

三 結(jié)論

綜上所述，提高太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的效率主要可從以下幾個方面進(jìn)行：

1 盡量提高太陽能熱發(fā)電聚光集熱裝置及光熱轉(zhuǎn)換裝置的光熱轉(zhuǎn)換效率；

2 盡量提高太陽能熱發(fā)電載熱介質(zhì)的傳輸效率；

3 盡量提高太陽能熱發(fā)電蒸汽發(fā)生器的效率；

4 盡量提高太陽能熱發(fā)電的汽輪發(fā)電機(jī)組的效率。

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