● 上海大學(xué) 毛岳珂

根據(jù)太陽(yáng)輻射能量進(jìn)行轉(zhuǎn)化形式的不同，太陽(yáng)能的利用可以分為光伏和光熱兩大類別。一種是光伏發(fā)電，利用太陽(yáng)能電池板將光能轉(zhuǎn)化為電能；另外一種是光熱技術(shù)，利用太陽(yáng)能的高溫將光能轉(zhuǎn)化成熱能。我國(guó)太陽(yáng)能光熱發(fā)電正處于起步階段，目前光熱技術(shù)主要是以太陽(yáng)能熱水器或者太陽(yáng)能聚熱廚具為主。隨著國(guó)家的重視與提倡，光熱發(fā)電技術(shù)正以一種蓬勃的姿態(tài)展現(xiàn)在人們的視野之中。

1 光熱技術(shù)的發(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(yīng)用技術(shù)，它是一個(gè)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能，再將熱能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程。利用聚光鏡等聚熱器采集的太陽(yáng)熱能，將傳熱介質(zhì)加熱到幾百攝氏度的高溫，傳熱介質(zhì)經(jīng)過(guò)換熱器后產(chǎn)生高溫蒸汽，從而帶動(dòng)汽輪機(jī)產(chǎn)生電能。太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)發(fā)電原理如圖1所示。

2 光熱發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成

通常整個(gè)的光熱發(fā)電系統(tǒng)會(huì)由4部分構(gòu)成：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)。

2.1 集熱系統(tǒng)

集熱系統(tǒng)包括聚光裝置、接收器、跟蹤機(jī)構(gòu)等部件。聚光裝置即為聚光鏡或者定日鏡等，其反射率、焦點(diǎn)偏差等均能影響發(fā)電效率。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的聚光鏡，效率可以達(dá)到94%，與國(guó)外生產(chǎn)的聚光鏡效率相差不大。

圖1 太陽(yáng)能光熱發(fā)電原理圖

2.2 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(lái)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(dǎo)熱油和熔鹽。理論上，熔鹽比導(dǎo)熱油溫度高，發(fā)電效率大，也更安全。

2.3 蓄熱與熱交換系統(tǒng)

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(duì)比光伏發(fā)電技術(shù)的優(yōu)勢(shì)：將太陽(yáng)熱能儲(chǔ)存起來(lái)，既可以在夜間發(fā)電，也可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐挠秒娯?fù)荷，適應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度發(fā)電。目前我國(guó)正在研究蓄熱的各種新材料，更有觀點(diǎn)提出用陶瓷等價(jià)格低廉的固體蓄熱，以達(dá)到降低發(fā)電成本的效果。

2.4 發(fā)電系統(tǒng)

用于太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)有汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、低沸點(diǎn)工質(zhì)汽輪機(jī)、斯特林發(fā)電機(jī)等。這些發(fā)電裝置，可根據(jù)汽輪機(jī)入口熱能的溫度等級(jí)及熱量、蒸汽壓力等情況進(jìn)行選擇。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)，但它要求汽輪機(jī)具有快速啟動(dòng)、頻繁啟停、低載運(yùn)行、高效性能等特點(diǎn)。

3 光熱發(fā)電系統(tǒng)的分類

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4種。

3.1 塔式發(fā)電系統(tǒng)

塔式發(fā)電系統(tǒng)為點(diǎn)式聚焦系統(tǒng)，其利用大規(guī)模的定日鏡形成的定日鏡場(chǎng)陣列，將太陽(yáng)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(dòng)汽輪機(jī)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(diǎn)，但塔式系統(tǒng)必須規(guī)模化利用，占地要求高，單次投資較大，采用雙軸跟蹤系統(tǒng)，鏡場(chǎng)的控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。

3.2 槽式與菲涅爾式發(fā)電系統(tǒng)

槽式與菲涅爾式發(fā)電系統(tǒng)都屬于線性聚焦系統(tǒng)，二者的聚光形式相同，聚光方法不同。菲涅爾式發(fā)電系統(tǒng)聚光方法為：具有跟蹤太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)裝置的主反射鏡列將太陽(yáng)光反射聚集到具有二次曲面的二級(jí)反射鏡和線性集熱器上，集熱器將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能。槽式發(fā)電系統(tǒng)為利用槽型拋物面反射鏡將太陽(yáng)光聚焦到線性集熱器上，對(duì)傳熱介質(zhì)加熱，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能。其余部分相同，所以將這二者放在一起闡述。

3.3 碟式系統(tǒng)

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(diǎn)上，接收器內(nèi)的傳熱介質(zhì)被加熱后，驅(qū)動(dòng)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行發(fā)電。

4 光熱發(fā)電與光伏發(fā)電的區(qū)別

光熱發(fā)電與光伏發(fā)電的對(duì)比分析見表1。

表1 光熱發(fā)電與光伏發(fā)電的對(duì)比分析表

4.1 發(fā)電原理不同

常規(guī)光伏電站是利用太陽(yáng)能電池板吸收太陽(yáng)光中的可見光形成光電子，產(chǎn)生電流。光熱發(fā)電利用熔鹽或者油等介質(zhì)吸收太陽(yáng)光中的熱能，使用汽輪機(jī)將其轉(zhuǎn)化為電能。

4.2 并網(wǎng)難易程度不同

目前太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統(tǒng)可以通過(guò)增加儲(chǔ)熱單元或通過(guò)補(bǔ)燃或與常規(guī)火電聯(lián)合運(yùn)行改善出力特性，輸出電力穩(wěn)定，電力具有可調(diào)節(jié)性。而光伏發(fā)電受日光照射強(qiáng)度影響較大，上網(wǎng)后給電網(wǎng)帶來(lái)較大壓力。光熱發(fā)電通過(guò)儲(chǔ)熱改善出力特性，白天將多余熱量?jī)?chǔ)存，晚間再用儲(chǔ)存的熱量釋放發(fā)電，這樣可以實(shí)現(xiàn)光熱發(fā)電連續(xù)供電，保證電流穩(wěn)定，避免了光伏發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電難以解決的入網(wǎng)調(diào)峰問(wèn)題。根據(jù)不同的儲(chǔ)熱模式，可一定程度上提高電站利用小時(shí)數(shù)和發(fā)電量，提高電站調(diào)節(jié)性能。

通過(guò)補(bǔ)燃或與常規(guī)火電聯(lián)合運(yùn)行改善光熱發(fā)電出力特性。太陽(yáng)能光熱發(fā)電站可利用化石燃料補(bǔ)燃或與常規(guī)火電聯(lián)合運(yùn)行，使其可以在晚上或連續(xù)陰天時(shí)持續(xù)發(fā)電，甚至可以以穩(wěn)定出力承擔(dān)基荷運(yùn)行，從而使年發(fā)電利用達(dá)到7000小時(shí)左右。

4.3 對(duì)環(huán)境的污染程度不同

光熱發(fā)電是清潔生產(chǎn)過(guò)程，基本采用物理手段進(jìn)行光電能量轉(zhuǎn)換，對(duì)環(huán)境危害極小。而光伏發(fā)電技術(shù)存在致命弱點(diǎn)為太陽(yáng)能電池在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)環(huán)境的損耗較大，是高能耗、高污染的生產(chǎn)流程。

5 結(jié)束語(yǔ)

常規(guī)的光伏發(fā)電技術(shù)，在我國(guó)已經(jīng)發(fā)展穩(wěn)定，技術(shù)相對(duì)成熟。而光熱發(fā)電，雖然很早就在國(guó)外興起，但是在我國(guó)來(lái)說(shuō)，依然處于技術(shù)不斷的創(chuàng)新與改進(jìn)的階段，需要莘莘學(xué)子和廣大科研工作者持之以恒加以探究和實(shí)踐。