太阳能光电和光热技术发展现状及前景

太阳能光热发电技术发展现状及前景丁立新（青岛科技大学,化工学院,青岛266042）摘要：介绍太阳能光热发电技术系统，对太阳能光热发电技术与常规发电技术进行分析对比，阐述光电发热技术的发展现状及其存在的问题，说明太阳能光热发电具有的广阔发展前景。关键词：太阳能；光热发电技术；塔式；槽式ThepresentsituationandprospectofthesolarthermalpowergenerationtechnologydevelopmentDinglixin(Qingdaouniversityofscienceandtechnology,ChemicalEngineeringinstitute,Qingdao,266042)Abstract:Thesolarthermalpowersystem,comparativeanalysisofsolarthermalpowergenerationtechnologyandconventionalpowergenerationtechnology,describesthecurrentstatusofphotoelectricheatingtechnologyandtheexistingproblems,thebroadprospectsfordevelopmentofsolarthermalpowergenerationhas.Keywords:solarenergy;solarthermalpowergenerationtechnology;tower;trough引言：随着世界范围内能源供应紧张状况日益加剧，能源将成为制约各国经济的主要因素。太阳能作为清洁的可再生能源，越来越受到人们的重视，应用领域也越来越广泛。根据太阳能的特点和实际应用的需要，利用太阳能发电，特别是光热发电是解决当前能源、资源、环境等问题的有效途径和方法。1、太阳能光热发电技术系统简介1.1简介太阳能光热技术是将太阳辐射能转化为热能进行利用的技术。太阳能光热技术的利用通常可分为直接利用和间接利用两种形式。而目前较为成熟的太阳能发电技术是太阳能光伏发电和太阳能光热发电。太阳能光热发电技术又分为塔式太阳能光热发电，槽式太阳能光热发电，蝶式太阳能光热发电。目前，塔式和槽式太阳能光热发电站实现了商业化示范运行，而蝶式发电系统仍处于示范阶段。本文主要介绍三种太阳能光热发电技术及其发展现状。1.2槽式太阳能光热发电系统利用槽式抛物面聚光器聚光的太阳能光热发电系统简称分散型系统。该系统一般由聚光集热装置、蓄热装置、热机发电装置和辅助能源装置。槽式抛物面将太阳光聚在一条线上，在这条焦线上安装管状集热器以吸收聚集的太阳能辐射，常将众多的槽式聚光器串并联成聚光集热器阵列。槽式聚光器对太阳能辐射进行一维跟踪。缺点：由于槽式聚光器的几何聚光比低级集热温度不高，使得抛物槽式太阳能光热发电系统中动力子系统的热转功效率偏低。因此，单纯的槽式太阳能光热发电技术系统在进一步提高热效率、降低发电成本方面的难度较大。1.3塔式太阳能光热发电系统塔式太阳能光热发电系统也称为集中式太阳能光热发电，利用定日镜将太阳光聚集在中心吸热塔的吸热器上，聚焦的辐射能转变成热能，然后传递给热力循环的工质，再驱动汽轮机做功发电。塔式太阳能光热发电系统主要分为熔盐系统、空气系统、和水蒸气系统。无论采用哪种工质，系统的蓄热至关重要。由于太阳能的的间隙性，必须由蓄热器提供足够的热能来补充乌云遮挡及夜晚时太阳能的不足，否则发电系统将无法正常工作。1.4蝶式太阳能光热发电系统蝶式太阳能光热发电系统是利用旋转抛物面反射镜，将入射阳光聚集在焦点上，布置在焦点处的太阳能接收器收集较高温度的热能，加热工质以驱动汽轮机，从而将热能转化为电能。整个系统包括：旋转抛物面反射镜、接收器、跟踪装置和蓄热系统。不难看出，塔式太阳能光热发电系统和槽式、蝶式的系统相比，除聚光集热器有所不同外，3者在系统构成和工作原理等方面都基本相似。2、太阳能光热发电优点太阳能作为一次能源和可再生能源，和传统化石燃料相比，太阳能光热发电技术有如下优势：（1）对环境没有污染由于传统化石燃料（煤、石油、天然气）在使用过程中排出大量有毒有害物质，会对水、土壤和大气造成严重污染，形成温室效应和酸雨，严重危害到人类的生存环境和身体健康，因此急需开发出新的比较清洁的替代能源，而太阳能作为一种比较理想的清洁能源，正受到世界各国的日益重视。（2）可以源源不断地获得太阳是一个巨大的能量源，每秒辐射到地球上的能量相当于500万吨标准煤，和人类存在时间相比，太阳能可以说是一种久远和无尽的能源。随着化石燃料（煤、石油、天然气）的不断开采和消耗，能源的供应越来越紧张，具有丰富来源的太阳能的开发和利用就显得越发重要和紧迫。（3）可免费使用，且无需运输人类可以通过专门的技术和设备将光能转化为热能或电能，就地加以利用，无需运输。为人类造福，而且人类利用这一取之不尽的能源也是免费的。3、我国太阳能光热发电现状国内首座70kw塔式太阳能光热发电系统于2005年10月底在南京江宁太阳能试验场顺利建成，并成功投入并网发电。由中国科学院电工研究所（以下简称中科院电工所）、皇明太阳能集团联合实验室研制的单轴跟踪的槽式太阳能聚光器，于2004年10月在通州实验基地开始成功运行。该聚光器面积30平方米，传热工质输出温度达400摄氏度，峰值热输出功率为10千瓦，具有自动跟踪精度高、热流密度大等特点。4、太阳能光热发电技术商业化面临的问题太阳能光热发电技术商业化发展的主要矛盾是成本问题。建立高效率、大容量、高聚光比的太阳能光热发电系统是降低发电成本的主要研究方向。为推动太阳能光热发电技术的商业化，必须考虑太阳辐射的不连续性，可采取与化石燃料互补的联合发电途径。（1）建设成本有关统计数据表明，塔式太阳能光热发电站初次投资成本比例为：定日镜占47%，蓄热占20%，发电机组、电器设备等占30%，建设成本约3-3.2万元/kw。槽式太阳能光热发电站初次投资成本比例为：聚光、吸热部分占55%，蓄热占20%，发电机组、电气设备等占25%，建设成本约为2.5万元/kw。与常规火电机组建设相比，尽管考虑环境污染以及能源供给等因素，太阳能光热发电的建设成本仍然较高且难以降低。无法形成大规模投资建设的形势。（2）槽式太阳能光热发电技术即使目前已经商业化示范运行的槽式系统，尽管光热发电成本已经低于光伏发电成本，却没有出现和光伏发电市场一样的快速增长。太阳能光热发电的产业化还有待关键技术的更大突破，比如提高真空集热管的效率，开发先进的热存储技术等。。目前，槽式太阳能集热管主要使用直通式金属--玻璃管，集中体现了吸收膜层技术、玻璃与金属封接技术和波纹管技术等尖端科技。国内高效能的真空金属—玻璃管真空集热管只能应用在小容量热力系统中，最大加工长度仅2m，这是大容量、高参数机组的投产应用的障碍。（3）塔式太阳能光热发电技术尽管塔式太阳能光热发电技术起步较早，人们也一直希望通过尽可能多的定日镜将太阳能量集聚到几十兆瓦的水平，但塔式太阳能光热发电系统的造价较高。在塔式系统中，各定日镜相对于中心塔有着不同的朝向和距离。因此每个定日镜的跟踪都要进行单独的二维控制，且各定日镜的控制各不相同，极大增加了控制系统的复杂性和安装调试特别是光学调整的难度，同时光学设计的复杂性大大增加了建设成本。对外抗风性能及对太阳能自动跟踪性能的要求提高了集热器装配的极限公差和结构承载力要求、系统机械装置笨重等，都大大提高了系统建设费用。（4）热存储技术太阳能光热发电系统在早晚或云遮间隙必须依靠储存的能量维持系统正常运行。储能工质的工作范围决定了机组初参数，因而决定了机组的总体效率。使用较多的蓄热方法为：高温导热油跃层储能，高压饱和水，饱和蒸汽、熔融盐储能、高温混凝土蓄热，sic陶瓷蓄热等。关键是提高储能材料的热能、工作温度和工质的化学及物理稳定性、增强工质容器及输运管路的防腐能力。具有良好传热特性的多种材料多相复合的储热工质合成的材料及相变蓄热装置的研究尚处于起步阶段。5、结论利用太阳能发电是解决当前能源、资源和环境等问题的有效途径和方法。太阳能热电开发所占土地面积并不比某些常规能源大，且可在太阳能资源丰富的荒漠地区建设，这是常规能源所不能达到的。太阳能热力发电和火力发电相比，不会消耗资源，也不会产生废气、废渣而污染空气、土壤和水。也不会像核电工程如果产生核泄漏而对较大范围造成严重而深远的放射性环境影响。太阳能光热发电技术商业化发展的主要障碍是成本，建立高效率、大容量、高聚光比的太阳能光热发电系统是降低发电成本的主要研究方向。参考文献1、HclnmutK,RaincrK,JoachimN.Solarthermalpowerplantsforsolarcountrics—technology,EconomicsandmarketpotentialAppliedEnergy，1995,522、BAKERAF,FAASLSE,RADOSEVICHLG.U.S.—SpaincvaluationofthesolaroneandCESA—1receiverandstoragesystems[R].SAND88—8262UC—235,livermore,CA:SandiaNationalLaboratorics1988.3、JAMESEPACHECO.Finaltestsandcvaluationresultsfromthesolartwoproject[R].SAND200—0120livcrmorc,CA:SandiaNationalLaboratorics,2002.