太陽能熱發(fā)電技術(shù)研究

太陽能熱發(fā)電技術(shù)研究

在可持續(xù)發(fā)展的背景下，“綠色能源”和“低碳生活”的概念越來越受到重視。不同國家正在開展能源、能源、生物能、地?zé)崮芎秃Ｑ竽茉吹瓤稍偕G色能源的研究和應(yīng)用。此外，根據(jù)國家能源局的說法，2010年6月下旬至7月初，中國正式開始了能源加熱能源許可證的招標(biāo)項目。該政策的頒布打破了傳統(tǒng)發(fā)電行業(yè)對電網(wǎng)的占用，即由于儲量有限、使用清潔等特點(diǎn)，太陽能成為最受歡迎的新能源之一。能熱能能源發(fā)電技術(shù)迅速進(jìn)入經(jīng)濟(jì)增長階段，成為解決能源、水資源、環(huán)境等問題的新興產(chǎn)業(yè)。人們最早對太陽能熱發(fā)電的研究,可以追溯到18世紀(jì)70年代在巴黎建立的第一個小型點(diǎn)聚集太陽能熱交互蒸汽機(jī),自此之后,各國對太陽能熱發(fā)電技術(shù)的研究從未終止.在1981年至1991年間,全世界建造了多種不同形式的兆瓦級太陽能熱發(fā)電試驗電站20余座(塔式為主);另外在1985至1991的6年間,在美國加州沙漠建成的9座槽式太陽能發(fā)電站,更是將發(fā)電成本降至8美分/kWh,太陽能熱發(fā)電項目已成為各國建立新能源系統(tǒng)的方向之一.經(jīng)過近30年的發(fā)展,部分太陽能熱發(fā)電技術(shù)已完成試驗和示范階段,正向低成本、高產(chǎn)業(yè)化邁進(jìn).本文以目前研究最為廣泛的聚光式太陽能熱發(fā)電技術(shù)為對象,對各種聚光式太陽能熱發(fā)電技術(shù)進(jìn)行介紹、分析和比較,希望能得出對我國太陽能熱發(fā)電行業(yè)具有建設(shè)性的意見.1太陽能熱發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)太陽能熱發(fā)電主要是將聚集到的太陽輻射能,通過換熱裝置產(chǎn)生蒸汽,驅(qū)動蒸汽輪機(jī)發(fā)電.太陽能熱發(fā)電與常規(guī)化石能源在熱力發(fā)電方式上的原理是相同的,都是通過Rankine循環(huán)、Brayton循環(huán)或Stirling循環(huán)將熱能轉(zhuǎn)換為電能,區(qū)別在于熱源不同,太陽能發(fā)電的熱源來自太陽輻射,因而如何用聚光裝置將太陽能收集起來是大多數(shù)太陽能熱發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)之一.此外,考慮到太陽能的間歇性,需要配置蓄熱系統(tǒng)儲存收集到的太陽能,用以夜間或輻射不足時進(jìn)行發(fā)電,因此成熟的蓄熱技術(shù)成為太陽能熱發(fā)電中的另一關(guān)鍵技術(shù).直接光發(fā)電和間接光發(fā)電是太陽能熱發(fā)電中最常用的分類方式.直接光發(fā)電可分為太陽能熱離子發(fā)電、太陽能溫差發(fā)電和太陽能熱磁體發(fā)電;間接光發(fā)電可分為聚光類和非聚光類,其中聚光類按照太陽采集方式可分為太陽能塔式發(fā)電、太陽能槽式發(fā)電和太陽能碟式發(fā)電;非聚光類主要有太陽能真空管發(fā)電、太陽能熱氣流發(fā)電和太陽能熱池發(fā)電等.通常所說的太陽能熱發(fā)電,主要指間接光發(fā)電,直接光發(fā)電尚在實驗階段.目前主流的太陽能熱發(fā)電技術(shù)集中在塔式、槽式和碟式,它們因開發(fā)前景巨大而受到極大的關(guān)注.2采用聚光式太陽能熱能源技術(shù)2.1塔式太陽能發(fā)電塔式太陽能發(fā)電主要由大量的跟蹤太陽的定向反射鏡(定日鏡)和裝在中央塔上的熱接收器這兩大部分組成,成千上萬面定日鏡將太陽光聚焦到中央接收器上,接收器將聚集的太陽輻射能轉(zhuǎn)化為熱能,然后再將熱能傳遞給熱力循環(huán)工具,驅(qū)動熱機(jī)做功發(fā)電.隨著鏡場中定日鏡數(shù)目的增加,塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)的聚光比也隨之上升,最高可達(dá)1500,運(yùn)行溫度為1000℃~1500℃.它因其聚光倍數(shù)高、能量集中過程簡便、熱轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點(diǎn),極適合大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電,圖1為塔式太陽能發(fā)電的系統(tǒng)圖.從圖1可以看出,塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)包括:跟蹤太陽光的定日鏡、接收器、工質(zhì)加熱器、儲能系統(tǒng)以及汽輪機(jī)組等部分.收集裝置由多面定日鏡、跟蹤裝置、支撐結(jié)構(gòu)等構(gòu)成.系統(tǒng)通過對收集裝置的控制,實現(xiàn)對太陽的最佳跟蹤,從而將太陽的反射光準(zhǔn)確聚焦到中央接收器內(nèi)的吸熱器中,使傳熱介質(zhì)受熱升溫,進(jìn)入蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生蒸汽,最終驅(qū)動汽輪機(jī)組進(jìn)行發(fā)電.此外,為了保證持續(xù)供電,需要蓄熱裝置將高峰時段的熱量進(jìn)行存儲以備早晚和陰雨間隙使用.作為歐洲首座商業(yè)性太陽能發(fā)電廠,2007年3月,PS10電站,如圖2所示,利用624個面積均為120m2的巨大日光反射器將太陽光聚焦在高約90m的塔上,產(chǎn)生1.1萬kW的電力,電站每年向電網(wǎng)供電1920萬kWh,年平均發(fā)電效率可達(dá)10.5%.2009年5月,在PS10電站的基礎(chǔ)上,PS20電站正式動工.PS20電站使用1225個面積為120m2的定日鏡將太陽光聚集在高約為162m的塔上,能提供滿足18萬個家庭日常需求的用電量,整個電站預(yù)計在2013年竣工.我國在這方面起步較晚,并且由于工藝、材料、部件及其相關(guān)技術(shù)尚未得到根本性的解決,加上經(jīng)費(fèi)不足,一直裹足不前.近年來,中國工程學(xué)院院士張耀明教授帶領(lǐng)團(tuán)隊刻苦鉆研,在自動跟蹤、聚光、集熱等技術(shù)上取得了突破.國內(nèi)首座“70kW塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)”已于2005年10月在南京江寧順利建成并成功投入并網(wǎng)發(fā)電,填補(bǔ)了我國在這方面的空白.2.2槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)槽式太陽能發(fā)電采用多個槽形拋物面式聚光器,將太陽光聚集到接收裝置的集熱管上,加熱工質(zhì),產(chǎn)生高溫蒸汽后推動汽輪機(jī)發(fā)電.收集裝置的幾何特性決定了槽式太陽能發(fā)電的聚光比要低于塔式,通常在10~100之間,運(yùn)行溫度達(dá)400℃.如圖3所示,槽式太陽能發(fā)電包括聚光集熱部分、換熱部分、發(fā)電儲能部分等.其中,發(fā)電儲能部分與塔式基本相似,不同之處在于聚光集熱和換熱部分.聚光集熱是整個槽式發(fā)電系統(tǒng)的核心,它由聚光陣列、集熱器和跟蹤裝置組成.在此部分,集熱器大多采用串、并聯(lián)排列的方式,可按南北、東西和極軸3個方向?qū)μ柟膺M(jìn)行一維跟蹤.在換熱部分,預(yù)熱器、蒸汽發(fā)生器、過熱器和再熱器4組件實現(xiàn)了工質(zhì)加熱、換熱、產(chǎn)生蒸汽、進(jìn)行發(fā)電的過程.由于槽式發(fā)電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對緊湊,其收集裝置的占地面積比起塔式和碟式來說,相對較小,因而為槽式太陽能發(fā)電向產(chǎn)業(yè)化發(fā)展奠定了基礎(chǔ).自上世紀(jì)80年代起,美國Luz公司在加州莫哈維沙漠陸續(xù)建成了9座槽式聚光熱發(fā)電站(SEGSⅠ-SEGSⅨ),總裝機(jī)容量為35.4萬kW,年發(fā)電總量108億kWh,產(chǎn)生的電力可供50萬人使用.隨著技術(shù)不斷發(fā)展,系統(tǒng)效率由起初的11.5%提高到13.6%,每kW電能裝機(jī)容量的投資己由6000美元降至2000多美元,電費(fèi)也由每度24美分降至7.5美分.自1984年以來,Luz公司先后開發(fā)了1.4萬kW、3萬kW和8萬kW的多種系統(tǒng),太陽輻射能轉(zhuǎn)化至電能的最高瞬時效率可達(dá)24%,年平均效率最高為15%.在廣泛采納和吸取SEGS電站多年運(yùn)行經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,在內(nèi)華達(dá)州建造的裝機(jī)容量為6.4萬kW的槽式太陽能熱發(fā)電站SOLAR-1,只需要30min的儲熱容量和2%的天然氣作為輔助能源即可保證投入并網(wǎng)發(fā)電,且運(yùn)行結(jié)果表明該電站在效率和穩(wěn)定性方面均有一定提高.在槽式太陽能發(fā)電領(lǐng)域,我國已在太陽光方位傳感器、自動跟蹤系統(tǒng)、拋物面反射鏡、接收器方面取得了突破性進(jìn)展,并且擁有具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的100kW槽式太陽能熱發(fā)電試驗裝置.國際權(quán)威機(jī)構(gòu)的統(tǒng)計顯示,截止2009年,全世界運(yùn)行的槽式光熱發(fā)電站占整個光熱發(fā)電站的88%,占在建項目的97.5%,可見槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)已取得了大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)的能力.值得注意的是,雖然槽式太陽能熱發(fā)電已具備了大規(guī)模投產(chǎn)的條件,然而其核心部件高溫真空管仍存在技術(shù)缺陷,涂層技術(shù)還有待改進(jìn),因而加強(qiáng)核心部件的技術(shù)研發(fā)、工藝改進(jìn)將是今后提高槽式太陽能熱發(fā)電效率、降低成本的關(guān)鍵,也將成為推動槽式太陽能發(fā)展的重要動力.2.3碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)作為目前熱發(fā)電效率最高的方式,碟式太陽能發(fā)電整合多個反射鏡組成拋物面蝶形聚光鏡,通過對其的旋轉(zhuǎn),將太陽光聚集到接收器中,經(jīng)接收器吸熱后加熱工質(zhì),進(jìn)一步驅(qū)動發(fā)電機(jī)組發(fā)電.旋轉(zhuǎn)拋物面蝶形聚光鏡的應(yīng)用使得碟式太陽能發(fā)電的聚光比達(dá)到3000以上,這一方面有效地提高了光熱轉(zhuǎn)換的效率,但是另一方面也由于其較高的接收溫度,對接收器的材料和工藝提出了更高的要求.從圖4看出,碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)包括拋物面蝶形聚光鏡、高溫接收器、跟蹤傳動裝置、發(fā)電儲能裝置等.與塔式和槽式不同的是,碟式太陽能發(fā)電主要采用斯特林(Stirling)熱力循環(huán),完成熱能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)化,但由于斯特林(Stirling)熱機(jī)的技術(shù)開發(fā)尚未成熟,因而碟式太陽能發(fā)電尚在試驗示范階段.國外對碟式太陽能發(fā)電的研究已有20余年,自1982年美國加州建造的碟式斯特林太陽能發(fā)電實驗裝置起,美國、沙特、德國、日本、西班牙等國相繼建設(shè)了不同形式的碟式太陽能發(fā)電示范工程,碟式太陽能發(fā)電的研究得到了迅速發(fā)展.國內(nèi)一些高校和科研院所也對此做過一些實驗研究:中國科學(xué)電工研究所與皇明太陽能集團(tuán)及新疆新能源公司聯(lián)合研制了4套太陽能發(fā)電多碟聚光器和單碟聚光器,多碟式聚光器采用多碟復(fù)合聚光方式,采光ue7885m,輸出的峰值熱功率為12kW,系統(tǒng)跟蹤精度達(dá)3.14mrad.2.4雙向反射式聚光式ss近來,一種新型的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計引起了廣泛的關(guān)注.該設(shè)計采用一列同軸排列的反射鏡取代傳統(tǒng)意義上的拋物面反射鏡,將太陽光首先聚焦在上部的中央反射鏡上,再由中央反射鏡向下反射,將太陽光聚焦到地面接收器中,這種新型的聚光方式稱為向下反射式或菲涅爾反射式(如圖5).由于二次聚焦,保證了較高的聚光比;同時,向下反射的方式不但避免了高塔上安裝接收器的風(fēng)險,也解決了塔頂熱量損失大、安裝維護(hù)成本高等問題,勢必成為未來太陽能熱發(fā)電的一個重要研究方向.2.53精、寬、測、比、水上述3種太陽能熱發(fā)電方式各有優(yōu)點(diǎn),就理論而言,塔式太陽能發(fā)電由于聚光比高、運(yùn)行溫度高、系統(tǒng)容量大和熱轉(zhuǎn)換效率高等特點(diǎn),較適合大規(guī)模生產(chǎn);槽式太陽能發(fā)電因其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單、技術(shù)較為成熟,成為了第一個進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)的熱發(fā)電方式;而碟式太陽能發(fā)電因其熱效率最高、結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便等特點(diǎn),非常適合分布式小規(guī)模能源系統(tǒng).另一方面,前期投入過高且難以降低成本使得塔式太陽能發(fā)電始終沒有廣泛投入商業(yè)化生產(chǎn);聚光比小、系統(tǒng)工作溫度低、核心部件真空管技術(shù)尚未成熟、吸收管表面選擇性涂層性能不穩(wěn)定等問題,阻礙了槽式太陽能發(fā)電的推廣;碟式發(fā)電系統(tǒng)中,斯特林熱機(jī)關(guān)鍵技術(shù)難度大、開發(fā)時間短等原因,致使其仍處于試驗示范階段.下表1給出了3種太陽能熱發(fā)電的具體參數(shù)比較.3太陽能熱發(fā)電站商業(yè)化的必要性和迫切需要加強(qiáng)國內(nèi)技術(shù)的基礎(chǔ).國內(nèi)技術(shù)未完全成熟,國內(nèi)技術(shù)需要提供更全世界能源危機(jī)與環(huán)境問題的加重,迫使很多國家加快了開發(fā)太陽能熱發(fā)電的步伐;在美國加州莫哈為沙漠,SES公司與電力公司SOE攜手合作,力爭在2011年建造一個占地1822hm2的巨型太陽能發(fā)電站,預(yù)計發(fā)電功率可達(dá)50萬kW;在西班牙的特萊斯坎多斯,一個發(fā)電功率達(dá)300MW的大型太陽能發(fā)電廠也在建造中.此外,以色列、德國、澳大利亞也都有大型的太陽能熱電站正在建設(shè)中.我國也不甘落后,很多學(xué)者強(qiáng)烈呼吁大力開展太陽能熱發(fā)電示范項目,有些地方正在籌措巨資購買國外塔式或槽式太陽能熱發(fā)電設(shè)備,在國內(nèi)建設(shè)較大規(guī)模兆瓦級示范電站.國人的過度熱情,不禁讓人擔(dān)憂.首先,國外的技術(shù)尚未完全成熟,還需要解決一些關(guān)鍵技術(shù)才能在太陽能熱發(fā)電站商業(yè)化上實現(xiàn)更大的突破;其次,如將國外的技術(shù)照搬過來而沒有考慮我國特殊的地形與氣候,大型太陽能熱發(fā)電站的適用性不得而知.鑒于以上兩點(diǎn)原因,我國的太陽能熱發(fā)電技術(shù)仍需要在充分認(rèn)清我國國情的基礎(chǔ)上,做到以下幾個方面:(1)充分了解我國的氣候與環(huán)境,因地制宜,采用合適的太陽熱發(fā)電方式.首先,調(diào)查氣象條件:只有在年太陽輻射大于2200h的地區(qū)才適合采用太陽熱發(fā)電.第二,了解土地資源是否緊張:在地域遼闊、土地資源豐富、農(nóng)牧民居住分散的區(qū)域,可建立大規(guī)模大容量集中式的太陽熱電站,而在人口密集處不合理也不經(jīng)濟(jì).第三,需要考慮建熱電站的財政投入問題:例如對于一些交通不便、人力資源匱乏的區(qū)域,碟式拋物面斯特林發(fā)電系統(tǒng)較為適合,其單機(jī)容量為幾十kW至幾百kW,系統(tǒng)效率高,可以滿足急需的電力補(bǔ)充.(2)鑒于單純利用太陽能進(jìn)行熱發(fā)電還存在許多問題,特別是考慮到開發(fā)太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的投資較大以及目前的蓄熱技術(shù)還不夠成