光热发电

光热发电（一）光热发电技术概述：太阳能光热发电是指利用大规模阵列抛物或碟形镜面收集太阳热能，通过换热装置提供蒸汽，结合传统汽轮发电机的工艺，从而达到发电的目的。太阳能热发电理论优势在于：热能占太阳能能量60%以上，光热发电直接输出交流电力，光热发电成本较硅电池的光伏发电低，光热发电适合大功率发展。采用太阳能光热发电技术，避免了昂贵的硅晶光电转换工艺，可以大大降低太阳能发电的成本。而且，这种形式的太阳能利用还有一个其他形式的太阳能转换所无法比拟的优势，即太阳能所烧热的水可以储存在巨大的容器中，在太阳落山后几个小时仍然能够带动汽轮发电。由于采用汽轮机发电，电流稳定，加之系统可以采用熔盐技术储热，白天将盐从固态变成液态，晚间再用400多度的熔盐将水变成蒸汽发电，这样一来，这样发电的稳定性就解决了其他新能源如风电与光伏发电无法解决的短板――调峰问题。熔融盐能够加热到600℃，这个温度能使水蒸发，使油爆炸，只有低于238℃时，它才会凝固。熔融盐能持续保持一个温度很久，由于其有这样的特性，所以它能保存足够的热量，整夜制造蒸汽，从而驱动蒸汽轮机，进行发电。太阳能热发电发电运行成本低，并可以与化石燃料形成混合发电系统。无噪音,无污染,无需燃料,不受地域限制,规模大小灵活,故障率低,建站周期短，这些优势都是用其它能源发电所无法比拟的，对中国等太阳能资源丰富的国家来说是一个很大的机遇。根据集热方式不同，太阳能热发电分为点聚焦和线聚焦两种方式。点聚焦以塔式和碟式为代表，是将大量反射镜排列成矩阵，把太阳光聚集到一个点上，使温度提升至近1000摄氏度；线聚焦以槽式和菲涅尔式为代表，是将大量反射镜排列为一行，把太阳光聚集到一条直线上，使温度提升至300—400摄氏度。槽式光热发电技术的可靠性已经经受住了时间的考验，技术最为成熟；而塔式发电系统发电效率较高，但占地面积较大，目前主要用于边远地区的小型独立供电；碟式发电效率最高，但存在反射镜局部容易过热等问题；菲涅尔式发电优势明显，比如投资比槽式发电低45%，占地面积仅为塔式的1/4。（1）蝶式光热发电盘式（又称碟式）太阳能热发电系统是世界上最早出现的太阳能动力系统。盘式太阳能热发电系统功率较小，一般为5～50kw，可以单独分散发电，也可以组成较大的发电系统。美国、澳大利亚等国都有一些应用，但规模不大。研究表明，盘式太阳能热发电系统应用于空间，与光伏发电系统相比，具有气动阻力低、发射质量小和运行费用便宜等优点。例如，1983年美国加州喷气推进试验室完成的盘式斯特林太阳能热发电系统，其聚光器直径为11m，最大发电功率为24.6kW，转换效率为29%。与塔式相比，跟踪控制代价低。采用抛物面聚焦，吸收器位于各抛物面的焦点处，可产生750℃左右的高温，效率达29.4％，在三种聚光式发电中是最高的。但其高温吸收器较为复杂，成本高，管道及其保温材料的费用也很可观。利用规模为5～50kW，仍处于试验模型研制过程中。碟式系统的能量转换方式主要有两种。一是采用斯特林引擎的斯特林（Stirling）循环，一是采用燃气轮机的布雷顿（Brayton）循环。2005年8月10日，美国SES(StirlingEnergySystems)公司与SCE公司(SouthernCaliforniaEdison)签订了一份为期20年的购买电力合同，由SES公司在美国洛杉矶东北莫哈韦沙漠地区采用碟式斯特林发电系统建造一座500MW并逐步扩大到850MW的太阳能热发电站，产生电力全部并入SCE公司电网供南加州地区使用。该电站预计将由20000个碟式斯特林发电系统组成，2010年前投入商业运行，将成为世界上最大的太阳能热电站。碟式热发电系统的优点是：(1)光热转换效率高达85%左右，在三类系统中位居首位;(2)使用灵活，既可以作分布式系统单独供电，也可以并网发电。碟式热发电系统的缺点是:(1)造价昂贵，在三种系统中也是位居首位.目前碟式热发电系统的初投资成本高达21.3万美元/kW;(2)尽管碟式系统的聚光比非常高，可以达到2000℃的高温，但是对于目前的热发电技术而言，如此高的温度并不需要甚至是具有破坏性的。所以，碟式系统的接收器一般并不放在焦点上，而是根据性能指标要求适当地放在较低的温度区内，这样高聚光度的优点实际上并不能得到充分的发挥;(3)热储存困难，热熔盐储热技术危险性大而且造价高。（2）槽式光热发电槽式太阳能热发电系统全称为槽式抛物面反射镜太阳能热发电系统，是将多个槽型抛物面聚光集热器经过串并联的排列，加热工质，产生高温蒸汽，驱动汽轮机发电机组发电。槽式太阳能热发电系统原理图建于西班牙的Acurex槽式太阳能热发电系统，借助槽形抛物面聚光器将太阳光聚焦反射到接收聚热管上，通过管内热载体将水加热成蒸汽，推动汽轮机发电。作为太阳能量不足时的备用，系统配备有一个辅助燃烧炉，用天然气或燃油来产生蒸汽。要提高槽式太阳能热发电系统的效率与正常运行，涉及到两个方面的控制问题，一个是自动跟踪装置，要求使得槽式聚光器时刻对准太阳，以保证从源头上最大限度的吸收太阳能，据统计跟踪比非跟踪所获得的能量要高出37.7%。另外一个是要控制传热液体回路的温度与压力，满足汽轮机的要求实现系统的正常发电。目前，德州华园新能源应用技术研究所与中科院电工所、清华大学等科研单位联手研制开发的槽式太阳能中高温热利用系统，设备结构简单、而且安装方便，整体使用寿命可达20年，可以很好的应用于槽式太阳能热发电系统。由于太阳能反射镜是固定在地上的，所以不仅能更有效地抵御风雨的侵蚀破坏，而且还大大降低了反射镜支架的造价。更为重要的是，该设备技术突破了以往一套控制装置只能控制一面反射镜的限制。采用菲涅尔凸透镜技术可以对数百面反射镜进行同时跟踪，将数百或数千平方米的阳光聚焦到光能转换部件上（聚光度约50倍，可以产生三、四百度的高温），改变了以往整个工程造价大部分为跟踪控制系统成本的局面，使其在整个工程造价中只占很小的一部分。同时对集热核心部件镜面反射材料，以及太阳能中高温直通管采取国产化市场化生产，降低了成本，并且在运输安装费用上降低大量费用。这两项突破彻底克服了长期制约槽式太阳能在中高温领域内大规模应用的技术障碍，为实现太阳能中高温设备制造标准化和产业化规模化运作开辟了广阔的道路。（3）塔式光热发电塔式太阳能热发电系统塔式太阳能热发电系统又称中心接收器型太阳能热发电系统。这种系统的特点是在收集太阳能的采光场地设有高大的竖塔，塔顶装有接收器，以塔为中心在其周围布置许多称之为定日镜的平面反射镜。电站功率愈大，定日镜愈多，塔的高度也相应增加。接收器中的介质被反射镜阵列所会聚的阳光加热，产生高温高压的蒸汽驱动汽轮机发电。由于聚光倍数高达1000以上，介质温度多高于350℃，总效率在15％以上，属于高温热发电。其参数可与火电厂的相同，因而技术条件成熟，设备选购方便。但是，每块镜面都随太阳运动而独立调节方位及朝向，所需要的跟踪定位机构代价高昂，限制了它在发展中国家的推广应用。目前塔式发电的利用规模可达10～20MW，处于示范工程建设阶段。塔式太阳能热发电系统塔式光热发电，采用玻璃镜面将光线反射到数百米外的接收塔上，利用光热产生高温水蒸汽发电。玻璃平面镜长时间在户外容易产生灰尘，降低阳光的反射率，所以诸如纳米自清洁母液喷涂玻璃等产品，通过雨水清洁后发射效果能有效保持稳定。塔式太阳能集热技术的特点：1.聚光倍数高，容易达到较高的工作温度。阵列中的反射镜数目越多，其聚光比越大，接收器的集热温度也就愈高；2.能量集中过程是靠反射光线一次完成的，方法简捷有效；3.接收器散热面积相对较小，因而可得到较高的光热转换效率。塔式太阳能热发电的参数可与高温、高压火电站一致，这样不仅使太阳能电站有较高的热效率，而且也容易获得配套设备。这种电站的建设费用十分昂贵，美国的SolarOne电站初次投资为1.42亿美元，成本比例为:反射镜52%，发电机组、电气设备18%,蓄热装置10%，接收器5%，塔3%，管道及换热器8%，其它设备4%。随着制镜技术的提高和规模的增大，反射镜成本将大幅度降低。世界上已长期运行的主要塔式示范项目如表塔式太阳能热发电示范项目示范项目名称功率（MW）热载体储存介质年代SSPS（西班牙）0.5液态钠钠1981EURELIOS（意大利）1蒸汽硝酸盐/水1981世界上投入商业运行的大型塔式电站是西班牙的PSl0项目：该项目发电功率为l1MW，其中净功率为10MW，饱和蒸汽，75000m2反射镜，蓄热3h；另外，西班牙还在建设solarTres项目：15MW，熔盐接收器，蓄热16h，可24h连续运行。菲涅尔式线性菲涅尔式CSP电站是一种结构更为简单的系统，它采用靠近地面放置的多个几乎是平面的镜面结（带单轴太阳跟踪的线性菲涅尔反射镜），先将阳光反射到上方的二次聚光器上，再由其汇聚到一根长管状的热吸收管，并将其中的水加热产生270℃左右的蒸气直接驱动后端的涡轮发电机。此类CSP系统由于聚光倍数只有数十倍，因此加热的水蒸气质量不高，使整个系统的年发电效率仅能达到10%左右；但由于系统结构简单、直接使用导热介质产生蒸汽等特点，其建设和维护成本也相对较低。SUNSHINE（日本）1蒸汽硝酸盐/水1981SOLARONE（美国）10蒸汽油/岩石1982CESA-1（西班牙）1蒸汽硝酸盐1983MSEE/CatB（美国）1硝酸盐硝酸盐1983THEMIS（法国）2.5盐盐1984SPP-S（乌克兰）5蒸汽水/蒸汽1986TSA（西班牙）1蒸汽陶瓷1996SOLARTWO（美国）10硝酸盐硝酸盐1996光热发电历史与现状：1950年，原苏联设计了世界上第一座太阳能塔式电站，建造了一个小型试验装置。70年代，太阳电池价格昂贵，效率较低，相对而言，太阳热发电效率较高，技术比较成熟，因此当时许多工业发达国家都将太阳热发电作为重点，投资兴建了一批试验性太阳能热发电站。据不完全统计，从1981～1991年，全世界建造的太阳能热发电站（500kw以上）约有20余座，发电功率最大达80mw。80年代中期，人们对建成的太阳能热发电站进行技术总结后认为，虽然太阳能热发电在技术上可行，但投资过大，且降低造价十分困难，所以各国都改变了原来的计划，使太阳能热发电站的建设逐渐冷落下来。例如，美国原计划在1983～1995年建成5～10万kw和10～30万kw太阳能热电站，结果没有实现。正当人们怀疑太阳能热发电的时候，美国和以色列联合组成的路兹LUZ太阳能热发电国际有限公司，自1980年开始进行太阳热发电技术研究，主要开发槽式太阳能热发电系统，5年后奇迹般地进入商品化阶段。该公司从1985年至1991年在美国加州沙漠建成9座槽式太阳能热电站，总装机容量353．8mw。电站的投资由1号电站的5976美元/kw，降到8号电站的3011美元/kw，发电成本从26．5美分/kwh降到8．9美分/kwh。该公司满怀信心，计划到2000年，在加州建成装机容量达800mw槽式太阳能热发电站，发电成本降到5～6美分/kwh。遗憾的是，1991年因路兹公司破产而使计划中断。此后，以色列、德国和美国几家公司进行合作，继续推动太阳能热发电的发展，他们计划在美国内华达州建造两座80mw槽式太阳能热电站，两座100mw太阳能与燃气轮机联合循环电站。在西班牙和摩洛哥分别建造135mw和18mw太阳能热发电站各一座。在美国内华达州，利用太阳能热发电技术，建了一所太阳能发电站，被称之为内华达太阳能一号电厂。电厂总占地面积141公顷，相当于265座足球场那么大。整体结构由数吨铝制框架，20万片镜板和超过72公里的集热管组成。“欧洲沙漠风暴行动”，即欧洲8个国家将联合投资4000亿欧元在撒哈拉沙漠花10年时间建成一座超级太阳能光热电站，为欧洲提供15％的清洁电力供应。我国2007年颁布的《可再生能源中长期发展规划》提出，到2010年，太阳能热发电总容量达到5万千瓦，太阳能光伏发电总容量达到2万千瓦；到2020年，太阳能热发电总容量达到20万千瓦，将与光伏发电相当。２０世纪７０