馮志武

(陽泉煤業(yè)化工集團，山西 太原 030000)

1 太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)

進入21世紀以來，隨著人口數(shù)量和經濟總量的增加，能源需求總量將持續(xù)增長，據研究，石油和天然氣將在21世紀中葉趨于枯竭，化石能源存在污染嚴重、不可再生的缺點，發(fā)展清潔、可再生能源替代化石資源，勢在必行。太陽能儲量豐富，是一種環(huán)保清潔的可再生能源，具有資源豐富、分布廣泛、安全、清潔等優(yōu)點。另據估算，地球表面每年接收的太陽輻射量高達5.4×1024J，相當于1.8×1014t標準煤。若將其中的0.1%按效率5%轉換為電能，則每年的發(fā)電量可達5 600 TWh，相當于目前全世界能耗的40倍。因此，利用太陽能進行發(fā)電對今后的能源發(fā)展有著十分重要的意義[1]。

目前已發(fā)展的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，也稱聚光太陽能系統(tǒng)，主要有四種應用形式：槽式系統(tǒng)、塔式系統(tǒng)、碟式系統(tǒng)、線性菲涅爾系統(tǒng)。目前，槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的技術相對最成熟，整體投資最少，經濟效益最好。槽形拋物面太陽能發(fā)電站的功率為10 MW～100 MW，是目前所有太陽能熱發(fā)電站中功率最大的[2]。

1.1 槽式太陽能發(fā)電系統(tǒng)[3-5]

槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)全稱為槽式拋物面反射鏡太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，是將多個槽型拋物面聚光集熱器經過串、并聯(lián)的排列，加熱工質，產生高溫蒸汽，驅動汽輪機發(fā)電機組發(fā)電，見圖1。

槽式電站的優(yōu)點：

1) 結構簡單、 成本較低；

圖1 槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)原理圖

2) 可通過多個聚光-吸熱裝置的串、并聯(lián)組合，構成較大容量的光熱發(fā)電系統(tǒng)；

3) 技術成熟，采用導熱油，運行溫度最高可達400 ℃。

槽式電站的缺點：

1) 熱傳輸管道特別長，熱量損失比較大，高海拔地區(qū)氣候比較寒冷，100 MW的槽式電站需要超過100 km長的集熱管，這些集熱管長期暴露于寒冷的環(huán)境中，無法保溫，集熱管里的導熱油在晚上無法抽出，這時就變成了巨大的散熱場。目前，全球所有在運行的槽式電站沒有一個位于海拔超過2 000 m的地區(qū)；

2) 長距離傳輸管道采用的集熱管如是真空管，在運行過程中的維修和維護成本比較高；

3) 使用導熱油作為傳熱介質，限制了運行溫度，最高可達400 ℃，只能產生中等品質的蒸汽，使用熔鹽作為傳熱介質時使用溫度可達550 ℃，但在輸送距離較長情況下，光照不足，熔鹽就可能出現(xiàn)堵管現(xiàn)象。

1.2 塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)

塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是利用獨立跟蹤太陽的定日鏡群，將陽光聚集到固定在塔頂部的接收器上，使接收器表面產生高溫，加熱工質產生過熱蒸汽或高溫氣體，驅動汽輪機發(fā)電機組或燃氣輪機發(fā)電機組發(fā)電，從而將太陽能轉換為電能[6]。塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)原理圖見圖2。

圖2 塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)原理圖

塔式電站的優(yōu)點：

1) 槽式的聚光比小，一般在50左右，為維持高溫時的運行效率，必須使用真空管作為吸熱器件。而塔式的聚光比大，一般可達300～1 500，因此，可以使用非真空的吸熱器進行光熱轉換，塔式電站熱轉換系統(tǒng)壽命優(yōu)于依賴于真空技術的槽式聚光系統(tǒng)。

2) 相比于槽式電站，100 MW的熔鹽塔式電站僅需要600 m的管道，所有的熔鹽管道都加了極厚的保溫層并位于建筑結構內，管道里的熔鹽在晚上流回保溫能力強的罐內，無需天然氣或其他輔助燃料保溫。

3) 塔的吸熱器可以在500 ℃～1 500 ℃的溫度范圍內運行，對提高發(fā)電效率，有很大的潛力。而槽式的工作溫度一般在400 ℃以內，限制了發(fā)電透平部分的熱電轉換效率。接收器散熱面積相對較小，因而可得到較高的光熱轉換效率。

塔式電站的缺點：

1) 塔式光熱電站的吸熱塔高100 m以上，維修及維護較為困難；

2) 定日鏡追日系統(tǒng)復雜，每隔一定時間，追日系統(tǒng)參數(shù)需要進行改變，遠距離跟蹤條件下，任何微小的傳動誤差，都會造成反射光線脫離目標，造成聚焦溫度急劇下降。

1.3 碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)

碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是世界上最早出現(xiàn)的太陽能動力系統(tǒng)，是目前太陽能發(fā)電效率最高的系統(tǒng)，最高可達29.4%。該系統(tǒng)采用旋轉拋物面匯聚太陽光，旋轉拋物面是拋物線繞軸線旋轉形成的面，與拋物面軸線平行的光線照射到鏡面時，光線會聚焦到焦點，可使傳熱介質加熱到750 ℃，然后，驅動斯特林發(fā)動機進行發(fā)電，可實現(xiàn)大功率的太陽能發(fā)電[7-8]。碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)原理圖見圖3。

圖3 碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)原理圖

碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點：

1) 碟式太陽能系統(tǒng)的聚光比約1 000～4 000，因而可以產生非常高的溫度。在其接收器上安裝熱電轉換裝置，如，斯特林發(fā)動機或朗肯循環(huán)熱機等，從而將熱能直接轉換成電能，熱電轉化率較高，可達30%；

2) 碟式太陽能系統(tǒng)結構緊湊、安裝方便，且用水量較少;

3) 碟式太陽能系統(tǒng)可以單臺使用或多臺并聯(lián)使用，適宜小規(guī)模發(fā)電，所以適合偏遠山區(qū)遠離電網地區(qū)，進行分布式離網供電。

碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)的缺點:

1) 陽光并不是垂直射到集熱器，反射過程中有一定的能量損失，且系統(tǒng)接收器一般采用線聚焦，造成加熱點分散，難以使工質獲得高溫。集熱器還需在高溫下長期旋轉，很容易發(fā)生接口開裂、管路破損等狀況。

2) 受熱器的幾何尺寸受到限制，因為大面積的受熱器會對陽光造成遮擋，若減小集熱器的面積則會降低集熱效率。

3) 收集器的位置不固定，各種管道連接或是轉動相當困難，不利于組成穩(wěn)定的結構。這就制約了碟式系統(tǒng)的大規(guī)模生產[9]。

1.4 線性菲涅爾式熱發(fā)電系統(tǒng)

線性菲涅爾式熱發(fā)電系統(tǒng)類似于拋物面槽式熱發(fā)電,由許多平放單軸轉動的反射鏡組成矩形鏡面自動跟蹤太陽,將反射太陽光聚集到固定的集熱管上,加熱管中流體介質,直接或間接產生蒸汽,推動汽輪機組發(fā)電。線性菲涅爾式熱發(fā)電系統(tǒng)較簡單,反射鏡可采用平板式鏡面,成本較低,但系統(tǒng)效率也低。該系統(tǒng)結構相對簡單,傳動機構易于操作,集熱管可采用鋼制管材,因而成本比槽式系統(tǒng)低。世界上目前在運行的最大的菲涅爾式光熱發(fā)電站，30 MW的Puerto Errado 2光熱電站在西班牙運行情況良好[10-11]。線性菲涅爾式太陽能發(fā)電系統(tǒng)原理圖見圖4。

圖4 線性菲涅爾式太陽能發(fā)電系統(tǒng)原理圖

線性菲涅爾式太陽能發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點：

1) 聚光器采用平面反射鏡代替拋物面槽式反射鏡，聚光器離地面近、風載荷低、結構簡單，布置緊密，用地效率高；

2) 因主反射鏡采用平直或微彎的條形鏡面，二次反射鏡與拋物槽式反射鏡類似，生產工藝成本、反射鏡成本低，清洗成本低。

3) 集熱器管道固定主反射鏡跟蹤太陽而運動，相比槽式裝置，減少了很多管道的運動密封問題。

4) 吸熱管無需進行類似槽式裝置吸熱管那樣的真空處理，降低了技術難度和成本。

線性菲涅爾式太陽能發(fā)電系統(tǒng)的缺點：

1) 聚光比較低，運行溫度不高、系統(tǒng)熱電轉換效率不高；

2) 當前菲涅爾式系統(tǒng)采用水工質傳熱，無儲熱系統(tǒng)。

2 國際太陽能光熱發(fā)電發(fā)展狀況

目前，全球光熱發(fā)電總裝機規(guī)模約為5 GW，其中，槽式光熱電站約占4.5 GW，占比90%左右。圖5是近年來全球光熱發(fā)電系統(tǒng)裝機容量變化表[4]。

圖5 全球太陽能發(fā)電行業(yè)裝機容量變化[12]

當前，全球太陽能光熱發(fā)電市場呈現(xiàn)出美國、西班牙裝機總量領跑，新興市場光熱發(fā)電裝機量開始增加，整個產業(yè)在全球范圍呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的局面。目前，全球多個國家正陸續(xù)加入光熱發(fā)電項目開發(fā)的隊伍中來，表1是截止2017年11月，世界各國已建成和在建的太陽能光熱項目。

表1 全球太陽能光熱項目列表[12]

3 我國太陽能發(fā)電行業(yè)發(fā)展狀況

我國幅員遼闊，有著十分豐富的太陽能資源，陸地表面每年接受的太陽輻射能約為50×1018kJ。從全國太陽年輻射總量的分布來看，西藏、青海、甘肅、新疆、內蒙古南部等廣大地區(qū)的太陽輻射總量很大。中國光熱發(fā)電的資源潛力高達6TW，而美國是15TW，西班牙是0.72TW，但我國光熱發(fā)電行業(yè)行業(yè)發(fā)展緩慢，僅2013年有中控集團的德令哈1萬kW項目投入運行。

根據中國氣象局風能太陽能資源中心統(tǒng)計，中國擁有太陽能法向直接輻射量DNI>1 700 kWh/m2的可利用土地約94萬km2，這些土地基本上都是戈壁、沙漠。如果利用10萬平方公里的土地建設光熱發(fā)電廠的話，年發(fā)電量可達54 000億kWh，若按發(fā)電利用小時數(shù)為4 000 h計算，總裝機容量約為13.5億kW[13]。我國部分DNI值見表2。

表2 我國部分地區(qū)DNI值

2016年9月14日，國家能源局正式發(fā)布了《國家能源局關于建設太陽能熱發(fā)電示范項目的通知》，確定第一批20個太陽能熱發(fā)電示范項目名單，首批20個光熱示范項目分布于甘肅(9個)、青海(4個)、河北(4個)、內蒙古(2個)、新疆(1個)五地，這些地區(qū)全年日照時數(shù)約在3 000 h以上，基本都屬于我國太陽能資源較為豐富的地區(qū)。

20個光熱項目當中有9個塔式電站，7個槽式電站和4個菲涅爾電站，總裝機134.9萬kW光熱項目，各項目的裝機容量大部分在50 MW左右。截至2018年5月1日，有16個項目處于建設和規(guī)劃階段，其中5個項目可在2018年12月底進行投運。

4 技術路線對比

在西班牙已運行的50個電站當中，46個電站采用槽式導熱油傳熱，全球最大的裝機280 MW的美國Solana光熱電站采用的也是槽式導熱油技術，說明槽式導熱油技術是目前成熟的光熱發(fā)電技術。

雖然塔式熔鹽技術發(fā)展較晚，但其競爭優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿σ褟V受行業(yè)認可，在新開發(fā)的塔式項目中，包括摩洛哥NOOR3電站、南非Redstone電站等項目都采用了塔式熔鹽技術，美國五大光熱電站中裝機110 MW的Crescent Dunes電站，是全球第一個超過100 MW的光熱電站。表3是4種光熱發(fā)電工藝的優(yōu)、缺點對比。

表3 光熱發(fā)電技術路線對比[11]

目前國內首批的20個光熱電站項目中，有4個選擇退出，其余16個光熱電站中，7個采用塔式熔鹽技術，5個采用槽式導熱油路線，2個采用槽式熔鹽路線，1個采用菲涅爾式水工質路線，蘭州大成采用菲涅爾式熔鹽路線。表4是16個光熱項目技術路線表[14]。

首批16個項目當中，幾乎所有項目都采用熔鹽進行儲熱，說明目前熔鹽儲熱技術是主流。熔鹽儲熱傳熱的關鍵技術包括對低溫熔鹽的開發(fā)、高溫傳熱儲熱材料的制備以及熔鹽傳儲熱系統(tǒng)設備的設計與布置。

根據我國的環(huán)境條件，因我們DNI(太陽法向直射輻射強度)值小于西班牙、摩洛哥等國，且冬季溫度較低(甘肅玉門最低至-35 ℃)，美國內華達州的冬季溫度在0 ℃左右， 在冬季，我國的光熱電站運行相對西班牙和美國同類電站較為困難，根據對比我國和西班牙、美國的環(huán)境條件，筆者認為在國內首批16個光熱項目中，槽式導熱油路線、塔式熔鹽路線均可行，槽式熔鹽路線和菲涅爾式熔鹽路線不可行，理由主要是：

表4 首批16個光熱項目技術路線表

1) 熔鹽的關鍵指標主要是熔點、雜質含量及化學穩(wěn)定性，理想的熔鹽要求具有較高的使用溫度、低熔點、低雜質含量、高熱穩(wěn)定性、高比熱容、高對流傳熱系數(shù)、低黏度、低飽和蒸汽壓，我國當前對光熱電站所使用熔鹽的測試方法、測試項目、組分指標的要求尚沒有統(tǒng)一的衡量標準，市場上熔鹽魚龍混雜，質量有高有低。

2) 熔鹽的凍堵、腐蝕問題一直阻礙其在槽式電站集熱管上的應用，目前尚未得知熔鹽在管路內長時間的冷凝和熔化對管路有多大的影響。國外已運行的電站也沒有直接應用熔鹽傳熱的槽式工藝。所以，槽式熔鹽工藝可以作為研究開發(fā)，但直接應用于工業(yè)裝置，還有很長的一段路需要走。

塔式DSG技術也有很廣闊的發(fā)展前景，主要是因為在普通鍋爐的水冷壁管道中，水汽兩相共存，鍋爐能夠保證長期穩(wěn)定運行，并且在超臨界鍋爐的水冷壁管道內，水質工況更為惡劣，超臨界鍋爐也能夠長期穩(wěn)定運行，既然超臨界鍋爐中應用水工質沒有問題，那么塔式電站應用水工質也沒有太大的問題，美國Ivanpah電站采用的就是塔式水工質技術。塔式水工質技術的缺點就在于無儲熱系統(tǒng)，在未來一段時間內，隨著技術的發(fā)展，配備儲熱系統(tǒng)塔式DSG電站能穩(wěn)定調控管道內的蒸汽狀況，那樣塔式DSG光熱電站就會有較大的發(fā)展。