太陽能光熱發(fā)電技術(shù)

太陽能光熱發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用與開展####################摘要：太陽能是一種用之不盡、取之不竭的清潔能源，在能源與環(huán)境問題日趨嚴峻的今天，很多國家都對太陽能發(fā)電技術(shù)進行了研究和實踐，并取得了一些成果。太陽能光熱發(fā)電是太陽能利用的一種有效方式，目前有槽式、碟式和塔式三種典型的太陽能光熱發(fā)電方式。比之傳統(tǒng)的火力發(fā)電方式，太陽能有其環(huán)保的優(yōu)勢，但是也存在一些問題需要去克服。隨著人類對清潔能源的需求太陽能發(fā)電技術(shù)將會得到更加深入的開展。關(guān)鍵詞：太陽能光熱發(fā)電CPS應(yīng)用開展趨勢1.太陽能熱發(fā)電技術(shù)概述能源與環(huán)境問題是當今世界面臨的兩個重要問題，隨著化石能源的日趨枯竭，一次能源的利用本錢也不斷增加，由于大量的燃燒礦石燃料，使環(huán)境問題日益嚴重，溫室效應(yīng)、空氣污染越來越引起人們的重視。近年來一些可再生能源受到了人們的推崇，為各國所重視。太陽能是一種取之不盡、用之不竭的清潔能源，利用太陽能直接發(fā)電是緩解甚至解決能源問題的一種有效方式，世界各國也都在做積極的努力，已經(jīng)有很多太陽能發(fā)電工程投入運行，太陽能發(fā)電技術(shù)在未來有著廣闊的開展前景。太陽能是太陽通過輻射的方式想宇宙空間釋放的能量，人類所需能量的絕大局部都直接或間接地來自太陽。正是各種植物通過光合作用把太陽能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能在植物體內(nèi)貯存下來。煤炭、石油、天然氣等化石燃料也是由古代埋在地下的動植物經(jīng)過漫長的地質(zhì)年代形成的。它們實質(zhì)上是由古代生物固定下來的太陽能。此外，水能、風(fēng)能、等也都是由太陽能轉(zhuǎn)換來的。地球軌道上的平均太陽輻射強度為1369W/m2。地球赤道的周長為40000km，從而可計算出，地球獲得的能量可達173000TW。在海平面上的標準峰值強度為1kW/m2，地球外表某一點24h的年平均輻射強度為0.20kW/m2，相當于有102000TW的能量，人類依賴這些能量維持生存，其中包括所有其他形式的可再生能源〔地?zé)崮苜Y源除外〕，雖然太陽能資源總量相當于現(xiàn)在人類所利用的能源的一萬多倍，但太陽能的能量密度低，而且它因地而異，因時而變，這是開發(fā)利用太陽能面臨的主要問題。太陽能的這圖1世界各國太陽能發(fā)電裝機容量些特點會使它在整個綜合能源體系中的作用受到一定的限制。2.太陽能光熱發(fā)電方式的類型和應(yīng)用作為一種廣泛的清潔能源，太陽能有很多利用方式。太陽能發(fā)電、太陽能熱水器、太陽能采光采暖、太陽能枯燥等，其中太陽能光熱發(fā)電也叫聚焦型太陽能熱發(fā)電〔ConcentratingSolarPower，簡稱CSP〕，可以大規(guī)模集中利用太陽能的方式，是一種解決能源問題的有效途徑。太陽能熱發(fā)電技術(shù)就是利用光學(xué)系統(tǒng)聚集太陽輻射能，用以加熱工質(zhì)，生產(chǎn)高溫蒸汽。驅(qū)動汽輪機組發(fā)電，簡稱光熱發(fā)電技術(shù)。他與光伏發(fā)電相比，具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、運行本錢低等優(yōu)點。根據(jù)聚光方式的不同，光熱發(fā)電技術(shù)可分為三種方式：塔式太陽能熱發(fā)電、槽式太陽能熱發(fā)電和碟式太陽能熱發(fā)電技術(shù)。三種聚光集熱方式的不同在數(shù)量上的直接表達就是聚光比的不同。聚光比即吸收體的平均能流密度和入射能流密度之比。這三種方式都可以大致地分為太陽能集熱系統(tǒng)、熱傳輸和交換系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)三個根本系統(tǒng)。但是因為他們各自聚光比不同，導(dǎo)致能夠到達的集熱溫度也不同，所以三種聚光方式對應(yīng)的三個組成系統(tǒng)也有不同程度的差異。2.1槽式聚光發(fā)電系統(tǒng)槽式聚光是利用拋物線的光學(xué)原理，聚集太陽輻射能。拋物線縱向延伸形成的平面稱為拋物面，它能將平行于自身軸線的太陽輻射會聚到一條線〔帶〕上，提高能量密度，易于利用。在這條太陽輻射聚集帶上布置有集熱管，用來吸收太陽能，并將其轉(zhuǎn)化為熱能。目前的集熱管一般為真空式玻璃集熱管。集熱管由外部的玻璃管和內(nèi)部的西熱管構(gòu)成，兩管之間空隙抽真空阻止熱量損失。吸熱管有不銹鋼制成，內(nèi)部有工質(zhì)流動，在不銹鋼管的外表涂有黑色的吸熱薄膜，薄膜對太陽光有較高的吸率，同時在紅外波普段有較低的發(fā)射率，這樣就能夠有效地吸收太陽能。這種聚光系統(tǒng)還需要設(shè)置控制系統(tǒng)來適應(yīng)太陽能光在一天中角度的變化。槽式聚光吸熱系統(tǒng)將太陽能轉(zhuǎn)化為集熱管內(nèi)導(dǎo)熱流體的熱能，燃后用高溫工質(zhì)去加熱給水產(chǎn)生蒸汽去沖轉(zhuǎn)汽輪機發(fā)電。槽式太陽能聚光系統(tǒng)的聚光比為20到80，以油為導(dǎo)熱流體的聚熱溫度最高為300到400℃，以混合硝酸鹽為導(dǎo)熱流體最高能使集熱溫度到達550℃，后者對于提高發(fā)電效率而言更具有優(yōu)勢，但是總的發(fā)電效率還是較低。另外，為了克服太陽能在時間上分布不均的特點，還要設(shè)置蓄熱系統(tǒng)，或者是用其他燃料作為補充調(diào)整。從20世紀八十年代開始，世界上很多國家都開展了槽式太陽能聚光發(fā)電系統(tǒng)的研究和建設(shè)。表1列出了一些著名的槽式太陽能發(fā)電站。目前，美國、以色列、澳大利亞、德國等國家是太陽能利用大國，也是槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)強國。其中美國魯茲LUZ公司是槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)應(yīng)用的典范，在1985~1991年間，美國在南加州先后建成9座槽式太陽能熱發(fā)電站，總裝機容量353.8MW。2023年10月，美國政府批準在加利福尼亞州南部沙漠地區(qū)建設(shè)一個名為“布萊斯太陽能工程〞的新能源工程,這是在美國公共土地上實施的規(guī)模最大的太陽能發(fā)電工程?！安既R斯太陽能工程〞規(guī)劃建設(shè)地點位于加州布萊斯地區(qū)附近的莫哈韋沙漠內(nèi),工程占地2833公頃,耗資60億美元,建成后將擁有1000兆瓦發(fā)電能力。預(yù)計2023年底到2023年投入發(fā)電。表1國際上已投產(chǎn)的著名槽式太陽能發(fā)電站地點年份裝機容量〔MW〕熱力循環(huán)西班牙阿爾梅里亞19810.5蒸汽循環(huán)日本香川縣19811蒸汽循環(huán)美國加州SEGS1985-1991354蒸汽循環(huán)西班牙DISS1996-19992直接產(chǎn)生蒸汽發(fā)電希臘克里達199750蒸汽循環(huán)以色列2001100蒸汽循環(huán)美國內(nèi)達華200664爭氣循環(huán)和興旺國家相比擬，目前我國在這方面還相對落后，直到2023年初，槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)成套設(shè)備核心技術(shù)，由北京中航通用公司與中科院工程熱物理研究所、華北電力大學(xué)合作研發(fā)成功，實現(xiàn)了曲面聚光鏡從技術(shù)到生產(chǎn)的完全國產(chǎn)化。2023年8月10日，我國首個太陽能槽式發(fā)電工程首個生產(chǎn)基地奠基儀式在沅陵縣城郊舉行。該工程突破了聚光鏡片、跟蹤驅(qū)動裝置、線聚焦集熱管3項核心技術(shù)，我國是繼美國、德國、以色列之后的全部技術(shù)國產(chǎn)化的國家。2.2碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)碟式太陽能熱動力發(fā)電系統(tǒng)的采用碟式聚光這種形式，碟式聚光系統(tǒng)的太陽輻射反射面布置成碟〔盤〕形，聚光比可以到達3000以上，因此能在焦點處產(chǎn)生很高的溫度，比其它兩種熱發(fā)電方式的聚光溫度都要高，運行溫度能夠到達750-1500℃，因此它可以到達最高的熱機效率。碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)包括聚光器、接收器、熱機、支架、跟蹤控制系統(tǒng)等主要部件。系統(tǒng)工作時，從聚光器反射的太圖2麥道公司開發(fā)的玻璃小鏡面聚光器陽光聚焦在接收器上，太陽能被熱機轉(zhuǎn)化為熱機內(nèi)部工作介質(zhì)的內(nèi)能，使介質(zhì)溫度升高，即可推動熱機運轉(zhuǎn)，并帶動發(fā)電機發(fā)電。不同于槽式發(fā)電系統(tǒng)，碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)化裝置主要采用斯特林機作為原動機。自由活塞斯特林機時一種活塞式外燃機，在汽缸內(nèi)有一個配齊活塞和一個動力活塞。汽缸側(cè)壁連接配齊活塞上下室的旁路，循環(huán)工質(zhì)通過旁路交替運動到配氣活塞的上室和下室。上室和熱源交換器耦合，將吸熱其的熱量傳遞給工質(zhì)，工質(zhì)受熱膨脹推動動力活塞做工，輸出功率。下室通過中間介質(zhì)回路把余熱傳遞給回?zé)崞?，工質(zhì)通過旁路往復(fù)流動完成循環(huán)。斯特林熱機最高的熱電轉(zhuǎn)換效率可達40%。太陽能輻射隨天氣變化很大，所以熱點轉(zhuǎn)換裝置發(fā)出的電力不是很穩(wěn)定，不能直接提供給用戶，需要經(jīng)過一系列處理之后才能輸出220V的工頻電。和槽式太陽能發(fā)電系統(tǒng)一樣，也需要有儲能裝置、蓄電池和補充能源。與槽式太陽能聚光發(fā)電方式相比，碟式聚光發(fā)電方式還沒用投入到商業(yè)應(yīng)用，暫時處在示范實施階段。國外已有多座碟式太陽能熱發(fā)電站或示范系統(tǒng)建成并成功運行。美國、西班牙、德國等國家分別建立了從9~25kW的發(fā)電系統(tǒng)并且成功運行。我國太陽能資源豐富,從上世紀70年代末就已經(jīng)開始對太陽能的熱利用進行研究,但主要研究方向為太陽能供熱。中國科學(xué)院電工研究所針對碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中的聚光器和跟蹤控制系統(tǒng)進行了研究,并且建立了碟式太陽能熱發(fā)電試驗系統(tǒng);中國科學(xué)院工程熱物理所對用于碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的直接照射式接收器進行了一些模擬試驗研究,分析了其熱性能的影響因素?？偟膩碚f碟式集熱發(fā)電方式還處在初期階段，但是因為其效率較高，所以很多國家都比擬重視，積極開展相應(yīng)的研究活動。2.3塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)由定日鏡群、接收器、蓄熱槽、主控系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)5個局部組成。在地面上布置大量的定日鏡,一種自動跟蹤太陽的球面鏡群.在這一群定日鏡中的適當位置建立一座高塔,高塔頂上安裝接收器.各定日鏡均使太陽光聚集成點狀,集中射到鍋爐上,使接收器的傳熱介質(zhì)到達高溫,并通過管道傳到地面上的蒸汽發(fā)生器,產(chǎn)生高溫蒸汽,由蒸汽驅(qū)動汽輪發(fā)電機組發(fā)電.接受器是塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)的重要組成局部，根據(jù)采用的導(dǎo)熱介質(zhì)的不同，目前可以分為外部受光型和空腔型。外部受光型接受器的一些技術(shù)類似于太陽能集熱管，但是它的工作溫度非常高，體積也很龐大。，這種接收器可四周受光，多用在大型太陽能系統(tǒng)中，其缺點是熱管直接暴露而產(chǎn)生熱量散失。能否像普通集熱器那樣加上玻璃外套，事實上很困難，因為接收器體積太大?？涨恍图辞惑w式接收器，用耐高溫材料制成的空腔，空腔一面開口裝有透光好、耐高溫的石英玻璃，腔內(nèi)壁有金屬網(wǎng)以增大吸熱與交換面積。封閉的內(nèi)腔似絕對黑體，吸熱性能很好，會聚的陽光透過石英玻璃窗口能在腔內(nèi)產(chǎn)生很高溫度，傳熱的工作介質(zhì)〔一般用高壓空氣〕通過腔內(nèi)被加熱成1000多度的高溫氣體輸出。由于腔體有保溫層，故熱損失小，空氣價格又廉價，但空氣熱容量小、導(dǎo)熱系數(shù)低，如何高效傳熱是主要的技術(shù)問題。腔體式接收器多是只有一面開窗的，故接受陽光的角度是有限的，一般不超過120度。Google投資了一個世界上最大的塔式太陽能發(fā)電站工程。這個太陽能塔建在美國加州東南部的莫哈韋(Mojave)沙漠，占地3600英畝〔14.6平方公里〕。艾文帕太陽能電力采圖3美國加州南部的塔式太陽能發(fā)電站集系統(tǒng)〔ISEGS〕將放置173000個反光鏡，將陽光聚焦到一個大約137米高的太陽能塔上。這個發(fā)電廠在2023年10月開始建造，預(yù)計在2023年竣工后裝機容量39.2萬千瓦。我國在太陽能塔式發(fā)電工程上也有所開展。北京延慶八達嶺興建的亞洲第一座塔式太陽能熱發(fā)電站，是中科院太陽能熱發(fā)電技術(shù)及系統(tǒng)示范工程，是國家科技部“十一五〞863重點工程，于2006年立項、2023年獲得發(fā)改委批準，主要目標是研究太陽能塔式熱發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)，建立太陽能熱發(fā)電實驗系統(tǒng)和實驗平臺，探索高效能、大規(guī)模、低本錢商業(yè)化電站的技術(shù)途徑，為我國太陽能熱發(fā)電技術(shù)的研究和開展奠定根底。2.4三種光熱發(fā)電方式的比擬表2三種電方式經(jīng)濟技太陽能光熱發(fā)術(shù)性能比擬類型主要結(jié)構(gòu)發(fā)電容量/MW聚光倍數(shù)介質(zhì)溫度/℃年發(fā)電效率建設(shè)造價槽式系統(tǒng)集熱管、聚光器和跟蹤機構(gòu)30-32010-100260-40013%左右，管道系統(tǒng)復(fù)雜，熱量損失大代價較低，技術(shù)最成熟，已到達商業(yè)化應(yīng)用碟式系統(tǒng)聚光器、熱接收器、斯特林發(fā)動機3-25500-1000500-150030%集熱器分散布置，控制代價相對低，但接收器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價很高塔式系統(tǒng)日光發(fā)射鏡子系統(tǒng)、接收器10-4001000倍以上500-100015%以上目前本錢較高未來本錢將會降低，競爭力很強。槽式發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)上最為成熟，且其跟蹤機構(gòu)比擬簡單，易于實現(xiàn)，總體本錢最低，隨著技術(shù)的開展，槽式發(fā)電系統(tǒng)的建造費用由5976美元/kW降低到3011美元/kW,發(fā)電本錢由26.3美分/kW·h降低到12美分/kW·h，在2023年其發(fā)電本錢有望到達約4美分/kW·h，根本相當于火力發(fā)電本錢。碟式發(fā)電系統(tǒng)相對復(fù)雜，并且投資較高，在目前要實現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用還比擬難。而塔式發(fā)電系統(tǒng)由于技術(shù)改良，可能會大幅地降低本錢，并且能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模地應(yīng)用，所以開展?jié)摿Ψ浅＞薮蟆?.太陽能熱發(fā)電技術(shù)的開展趨勢為了應(yīng)對礦石燃料日益減少帶來的能源危機，減少碳排放量，保護環(huán)境，世界各國都開展了可再生能源技術(shù)的研究和應(yīng)用，包括太陽能、風(fēng)能、潮汐能、地?zé)崮?、水能、生物質(zhì)能等，其中太陽能是可再生能源的重要組成局部，因其限制條件較少，易于實施應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)大容量發(fā)電等技術(shù)優(yōu)勢，太陽能在未來將有廣闊的開展前景。國際能源署〔IEA〕下屬的SolarPACES、歐洲太陽能熱能發(fā)電協(xié)會〔ESTELA〕和綠色和平組織的預(yù)測認為CSP到2030年在全球能源供給份額中將占3%-3.6%，到2050年占8%-11.8%，這意味著到2050年CSP裝機容量將到達830GW，每年新增41GW。目前，影響太陽能熱發(fā)電技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用的因素是其本錢較高，這要求技術(shù)進步，包括研究新材料，新的集熱系統(tǒng)技術(shù)等。據(jù)美國能源部主持的研究結(jié)果說明：在大規(guī)模發(fā)電方面，塔式太陽能發(fā)電將是所有太陽能發(fā)電技術(shù)中本錢最低的一種。據(jù)預(yù)測，到2023年，其發(fā)電本錢大約為每度5美分，具有很強的市場競爭力。這從上面提及的Google2023年投巨資資的建造的塔式太陽能發(fā)電廠就可看出美國對