【深度】光热发电技术解析

关于太阳能的能源利用方面，目前有两种，一种是光伏发电：利用太阳能电池板将光能转化为电能;另外一种是光热技术：利用太阳能的高温将光能转化成热能。我国太阳能热发电正处于起步阶段，十一五规划中的863计划就有关于太阳能光热发电的项目,此前一段时间内，光热技术主要是以太阳能热水器或者太阳能聚热厨具为主。随着国家的重视与提倡，光热发电技术正以一种蓬勃的姿态展现在人们的视野之中。2015年12月30日发布的《国家重点节能低碳技术推广目录(2015年本，节能部分)》中，中低温太阳能工业热力应用系统技术和染整企业节能集热技术被列入目录中。2016年开年，更是各类的光热展览、研讨会不断。那么光热发电技术是如何利用太阳能发电，又是如何分类呢?下面就围绕这两个问题简要分析一下光热发电技术。

光热技术的发电原理

光热发电技术，是不同于光伏发电的全新的新能源应用技术。它是一个将太阳能转化为热能，再将热能转化为电能的过程。利用聚光镜等聚热器采集的太阳热能，将传热介质加热到几百度的高温，传热介质经过换热器后产生高温蒸汽，从而带动汽轮机产生电能。此处的传热介质多为导热油与熔盐。通常我们将整个的光热发电系统分成四部分：集热系统、热传输系统、蓄热与热交换系统、发电系统。

集热系统：集热系统包括聚光装置、接收器、跟踪机构等部件。如果说集热系统是整个光热发电的核心，那么聚光装置就是集热系统的核心。聚光装置即为聚光镜或者定日镜等。其反射率、焦点偏差等均能影响发电效率。目前国内生产的聚光镜，效率可以达到94%，与国外生产的聚光镜效率相差不大。集热系统采集太阳能，将太阳能转化为热能。

热传输系统：热传输系统主要是传输集热系统收集起来的热能。利用传热介质将热能输送给蓄热系统。传热介质多为导热油和熔盐。理论上，熔盐比导热油温度高，发电效率大，也更安全。热传输系统一般有预热器、蒸汽发生器、过热器和再热器等组成。热传输系统的基本要求是：传热管道损耗小、输送传热介质的泵功率小、热量传输的成本低。在热传输过程中，传热管道越短，热损耗就越小。

蓄热与热交换系统：个人认为，光热发电技术在蓄热与热交换系统中充分体现了对比光伏发电技术的优势。即将太阳热能储存起来。可以在夜间发电，也可以根据当地的用电负荷，适应电网调度发电。蓄热装置常由真空绝热或以绝热材料包覆的蓄热器构成。蓄热系统中对储热介质的要求为：储能密度大，来源丰富且价格低廉，性能稳定，无腐蚀性，安全性好，传热面积大，热交换器导热性能好，储热介质具有较好的黏性。目前我国正在研究蓄热的各种新技术新材料，更有专家提出用陶瓷等价格低廉的固体蓄热，以达到降低发电成本的效果。

发电系统：用于太阳能热发电系统的发电机有汽轮机、燃气轮机、低沸点工质汽轮机、斯特林发电机等。这些发电装置，可根据汽轮机入口热能的温度等级及热量、蒸汽压力等情况进行选择。对于大型光热发电系统，由于其温度等级与火力发电系统基本相同，可选用常规的汽轮机;工作温度在800℃以上时，可选用燃气轮机;对于小功率或者低温的太阳能发电系统，则可选用低沸点工质汽轮机或斯特林发动机。目前使用的汽轮机，空冷居多。虽然光热技术的发电系统类似于火力发电系统，但是还是有一定的区别，这样就要要求汽轮机具有频繁启停、快速启动、低负荷运行、高效性等特点。

光热技术的分类

依照聚焦方式及结构的不同，光热技术可以分为塔式、槽式、碟式、菲涅尔式四种。

塔式发电系统：塔式发电系统为点式聚焦系统，其利用大规模的定日镜形成的定日镜场阵列，将太阳辐射反射到置于高塔顶部的吸热器上，加热传热介质，使其直接产生蒸汽或者换热后再产生蒸汽，以此驱动汽轮机发电。塔式系统具有热传递路程短、热损耗小、聚光比和温度较高等优点，但塔式系统必须规模化利用，占地要求高，单次投资较大，采用双轴跟踪系统，镜场的控制系统较为复杂。

塔式光热发电系统

槽式与菲涅尔式发电系统：槽式与菲涅尔式发电系统都属于线性聚焦系统，二者的聚光型式相同，聚光方法不同。菲涅尔式发电系统聚光方法为：具有跟踪太阳运动装置的主反射镜列将太阳光反射聚集到具有二次曲面的二级反射镜和线性集热器上，集热器将太阳能转化为热能。槽式发电系统为利用槽型抛物面反射镜将太阳光聚焦到线性集热器上，对传热介质加热，将太阳能转化为热能。其余部分相同，所以将这二者放在一起阐述。

在对日跟踪系统的作用下，阳光会被连续地聚集在焦点线位置的线型集热器上。在集热管中流动的热流体(传热介质)将热量连续不断地输送到高压蒸汽发生器中，通过热交换系统，产生热蒸汽。用于发电，热蒸汽做功后经过压缩冷凝回流到热蒸汽发生器中，再次被加热成为闭环系统不断循环的热蒸汽。于此同时，通过热交换器后的传热介质流体也将返回到集热场中再次被加热。另外在系统中放置储热罐，存储富余的能量，在太阳能不足时对系统进行补给，从而加大了太阳能的利用效率。

槽式与菲涅尔式发电系统的结构部件简单，易于实现工业标准化批量生产和安装。对太阳的跟踪系统通常采取单轴跟踪系统，跟踪装置较为简化。但其聚光比小，传热介质一般只能加热到四五百度，且抗风性略差。

槽式光热发电系统

菲涅尔式光热发电系统

碟式系统：碟式系统也是点式聚焦系统，它应该是太阳能热发电系统是世界上最早出现的太阳能光热发电系统了。碟式系统也称为抛物面反射镜斯特林系统，是由许多镜子组成的抛物面反射镜组成，接收在抛物面的焦点上，接收器内的传热介质被加热后，驱动斯特林发动机进行发电。碟式系统的聚光比非常高，从几百至上千都可达到，聚焦温度甚至可以达到1000℃以上，效率较高，对于地面坡度要求也更为灵活。但成本上还缺少优势，技术上也有待于完善。碟式系统较适用于边远地区独立电站。可以单台使用或多台并联使用，适宜小规模发电。

碟式光热发电系统

目前光热发电项目中，槽式发电系统占比为84.7%，塔式发电系统占比为12.4%，其他发电技术占比为3%。世界范围内槽式光热发电系统占比最高，但塔式光热发电系统综合效率高，非常适合于大规模、大容量商业化应用，在规划建设的光热电站项目中塔式所占的比例已经超出了槽式技术。有关专家认为，未来塔式光热发电技术将是光热发电的主要技术流派。

关于光热发电技术，以上均为个人认知，与大家分享交流。目前光热发电在大形势下发展良好，国家相关政策一一出台，各类光热示范项目也逐一启动。据《太阳能发电十三五规划》牵头编制机构水电水利规划设计总院方面的消息，“十三五”期间(2016-2020)光热发电的装机目标或定为10GW。相信在各方的推动下，未来的光热发电技术将会成为太阳能利用的主流。