太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用與開(kāi)展####################摘要：太陽(yáng)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(wèn)題日趨嚴(yán)峻的今天，很多國(guó)家都對(duì)太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了研究和實(shí)踐，并取得了一些成果。太陽(yáng)能光熱發(fā)電是太陽(yáng)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(yáng)能光熱發(fā)電方式。比之傳統(tǒng)的火力發(fā)電方式，太陽(yáng)能有其環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，但是也存在一些問(wèn)題需要去克服。隨著人類對(duì)清潔能源的需求太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)將會(huì)得到更加深入的開(kāi)展。關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能光熱發(fā)電CPS應(yīng)用開(kāi)展趨勢(shì)1.太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)概述能源與環(huán)境問(wèn)題是當(dāng)今世界面臨的兩個(gè)重要問(wèn)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(wèn)題日益嚴(yán)重，溫室效應(yīng)、空氣污染越來(lái)越引起人們的重視。近年來(lái)一些可再生能源受到了人們的推崇，為各國(guó)所重視。太陽(yáng)能是一種取之不盡、用之不竭的清潔能源，利用太陽(yáng)能直接發(fā)電是緩解甚至解決能源問(wèn)題的一種有效方式，世界各國(guó)也都在做積極的努力，已經(jīng)有很多太陽(yáng)能發(fā)電工程投入運(yùn)行，太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)在未來(lái)有著廣闊的開(kāi)展前景。太陽(yáng)能是太陽(yáng)通過(guò)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(lái)自太陽(yáng)。正是各種植物通過(guò)光合作用把太陽(yáng)能轉(zhuǎn)變成化學(xué)能在植物體內(nèi)貯存下來(lái)。煤炭、石油、天然氣等化石燃料也是由古代埋在地下的動(dòng)植物經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的地質(zhì)年代形成的。它們實(shí)質(zhì)上是由古代生物固定下來(lái)的太陽(yáng)能。此外，水能、風(fēng)能、等也都是由太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換來(lái)的。地球軌道上的平均太陽(yáng)輻射強(qiáng)度為1369W/m2。地球赤道的周長(zhǎng)為40000km，從而可計(jì)算出，地球獲得的能量可達(dá)173000TW。在海平面上的標(biāo)準(zhǔn)峰值強(qiáng)度為1kW/m2，地球外表某一點(diǎn)24h的年平均輻射強(qiáng)度為0.20kW/m2，相當(dāng)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(yáng)能資源總量相當(dāng)于現(xiàn)在人類所利用的能源的一萬(wàn)多倍，但太陽(yáng)能的能量密度低，而且它因地而異，因時(shí)而變，這是開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能面臨的主要問(wèn)題。太陽(yáng)能的這圖1世界各國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電裝機(jī)容量些特點(diǎn)會(huì)使它在整個(gè)綜合能源體系中的作用受到一定的限制。2.太陽(yáng)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(yáng)能有很多利用方式。太陽(yáng)能發(fā)電、太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能采光采暖、太陽(yáng)能枯燥等，其中太陽(yáng)能光熱發(fā)電也叫聚焦型太陽(yáng)能熱發(fā)電〔ConcentratingSolarPower，簡(jiǎn)稱CSP〕，可以大規(guī)模集中利用太陽(yáng)能的方式，是一種解決能源問(wèn)題的有效途徑。太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)就是利用光學(xué)系統(tǒng)聚集太陽(yáng)輻射能，用以加熱工質(zhì)，生產(chǎn)高溫蒸汽。驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)組發(fā)電，簡(jiǎn)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(yùn)行本錢低等優(yōu)點(diǎn)。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(yáng)能熱發(fā)電、槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電和碟式太陽(yáng)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(dá)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(yáng)能集熱系統(tǒng)、熱傳輸和交換系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)三個(gè)根本系統(tǒng)。但是因?yàn)樗麄兏髯跃酃獗炔煌?，?dǎo)致能夠到達(dá)的集熱溫度也不同，所以三種聚光方式對(duì)應(yīng)的三個(gè)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(yáng)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(yáng)輻射會(huì)聚到一條線〔帶〕上，提高能量密度，易于利用。在這條太陽(yáng)輻射聚集帶上布置有集熱管，用來(lái)吸收太陽(yáng)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(dòng)，在不銹鋼管的外表涂有黑色的吸熱薄膜，薄膜對(duì)太陽(yáng)光有較高的吸率，同時(shí)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(yáng)能。這種聚光系統(tǒng)還需要設(shè)置控制系統(tǒng)來(lái)適應(yīng)太陽(yáng)能光在一天中角度的變化。槽式聚光吸熱系統(tǒng)將太陽(yáng)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(jī)發(fā)電。槽式太陽(yáng)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(dá)550℃，后者對(duì)于提高發(fā)電效率而言更具有優(yōu)勢(shì)，但是總的發(fā)電效率還是較低。另外，為了克服太陽(yáng)能在時(shí)間上分布不均的特點(diǎn)，還要設(shè)置蓄熱系統(tǒng)，或者是用其他燃料作為補(bǔ)充調(diào)整。從20世紀(jì)八十年代開(kāi)始，世界上很多國(guó)家都開(kāi)展了槽式太陽(yáng)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(yáng)能發(fā)電站。目前，美國(guó)、以色列、澳大利亞、德國(guó)等國(guó)家是太陽(yáng)能利用大國(guó)，也是槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)強(qiáng)國(guó)。其中美國(guó)魯茲LUZ公司是槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)應(yīng)用的典范，在1985~1991年間，美國(guó)在南加州先后建成9座槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電站，總裝機(jī)容量353.8MW。2023年10月，美國(guó)政府批準(zhǔn)在加利福尼亞州南部沙漠地區(qū)建設(shè)一個(gè)名為“布萊斯太陽(yáng)能工程〞的新能源工程,這是在美國(guó)公共土地上實(shí)施的規(guī)模最大的太陽(yáng)能發(fā)電工程?！安既R斯太陽(yáng)能工程〞規(guī)劃建設(shè)地點(diǎn)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(jì)2023年底到2023年投入發(fā)電。表1國(guó)際上已投產(chǎn)的著名槽式太陽(yáng)能發(fā)電站地點(diǎn)年份裝機(jī)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(guó)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(dá)199750蒸汽循環(huán)以色列2001100蒸汽循環(huán)美國(guó)內(nèi)達(dá)華200664爭(zhēng)氣循環(huán)和興旺國(guó)家相比擬，目前我國(guó)在這方面還相對(duì)落后，直到2023年初，槽式太陽(yáng)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(shí)現(xiàn)了曲面聚光鏡從技術(shù)到生產(chǎn)的完全國(guó)產(chǎn)化。2023年8月10日，我國(guó)首個(gè)太陽(yáng)能槽式發(fā)電工程首個(gè)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(dòng)裝置、線聚焦集熱管3項(xiàng)核心技術(shù)，我國(guó)是繼美國(guó)、德國(guó)、以色列之后的全部技術(shù)國(guó)產(chǎn)化的國(guó)家。2.2碟式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)碟式太陽(yáng)能熱動(dòng)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(yáng)輻射反射面布置成碟〔盤〕形，聚光比可以到達(dá)3000以上，因此能在焦點(diǎn)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(yùn)行溫度能夠到達(dá)750-1500℃，因此它可以到達(dá)最高的熱機(jī)效率。碟式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)包括聚光器、接收器、熱機(jī)、支架、跟蹤控制系統(tǒng)等主要部件。系統(tǒng)工作時(shí)，從聚光器反射的太圖2麥道公司開(kāi)發(fā)的玻璃小鏡面聚光器陽(yáng)光聚焦在接收器上，太陽(yáng)能被熱機(jī)轉(zhuǎn)化為熱機(jī)內(nèi)部工作介質(zhì)的內(nèi)能，使介質(zhì)溫度升高，即可推動(dòng)熱機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。不同于槽式發(fā)電系統(tǒng)，碟式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)化裝置主要采用斯特林機(jī)作為原動(dòng)機(jī)。自由活塞斯特林機(jī)時(shí)一種活塞式外燃機(jī)，在汽缸內(nèi)有一個(gè)配齊活塞和一個(gè)動(dòng)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(guò)旁路交替運(yùn)動(dòng)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(dòng)動(dòng)力活塞做工，輸出功率。下室通過(guò)中間介質(zhì)回路把余熱傳遞給回?zé)崞鳎べ|(zhì)通過(guò)旁路往復(fù)流動(dòng)完成循環(huán)。斯特林熱機(jī)最高的熱電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)40%。太陽(yáng)能輻射隨天氣變化很大，所以熱點(diǎn)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(guò)一系列處理之后才能輸出220V的工頻電。和槽式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)一樣，也需要有儲(chǔ)能裝置、蓄電池和補(bǔ)充能源。與槽式太陽(yáng)能聚光發(fā)電方式相比，碟式聚光發(fā)電方式還沒(méi)用投入到商業(yè)應(yīng)用，暫時(shí)處在示范實(shí)施階段。國(guó)外已有多座碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電站或示范系統(tǒng)建成并成功運(yùn)行。美國(guó)、西班牙、德國(guó)等國(guó)家分別建立了從9~25kW的發(fā)電系統(tǒng)并且成功運(yùn)行。我國(guó)太陽(yáng)能資源豐富,從上世紀(jì)70年代末就已經(jīng)開(kāi)始對(duì)太陽(yáng)能的熱利用進(jìn)行研究,但主要研究方向?yàn)樘?yáng)能供熱。中國(guó)科學(xué)院電工研究所針對(duì)碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中的聚光器和跟蹤控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究,并且建立了碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電試驗(yàn)系統(tǒng);中國(guó)科學(xué)院工程熱物理所對(duì)用于碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的直接照射式接收器進(jìn)行了一些模擬試驗(yàn)研究,分析了其熱性能的影響因素。總的來(lái)說(shuō)碟式集熱發(fā)電方式還處在初期階段，但是因?yàn)槠湫瘦^高，所以很多國(guó)家都比擬重視，積極開(kāi)展相應(yīng)的研究活動(dòng)。2.3塔式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)塔式太陽(yáng)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(gè)局部組成。在地面上布置大量的定日鏡,一種自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)的球面鏡群.在這一群定日鏡中的適當(dāng)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(yáng)光聚集成點(diǎn)狀,集中射到鍋爐上,使接收器的傳熱介質(zhì)到達(dá)高溫,并通過(guò)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(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電.接受器是塔式太陽(yáng)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(yáng)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(yáng)能系統(tǒng)中，其缺點(diǎn)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(shí)上很困難，因?yàn)榻邮掌黧w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(kāi)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(duì)黑體，吸熱性能很好，會(huì)聚的陽(yáng)光透過(guò)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(guò)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(jià)格又廉價(jià)，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(wèn)題。腔體式接收器多是只有一面開(kāi)窗的，故接受陽(yáng)光的角度是有限的，一般不超過(guò)120度。Google投資了一個(gè)世界上最大的塔式太陽(yáng)能發(fā)電站工程。這個(gè)太陽(yáng)能塔建在美國(guó)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(yáng)能電力采圖3美國(guó)加州南部的塔式太陽(yáng)能發(fā)電站集系統(tǒng)〔ISEGS〕將放置173000個(gè)反光鏡，將陽(yáng)光聚焦到一個(gè)大約137米高的太陽(yáng)能塔上。這個(gè)發(fā)電廠在2023年10月開(kāi)始建造，預(yù)計(jì)在2023年竣工后裝機(jī)容量39.2萬(wàn)千瓦。我國(guó)在太陽(yáng)能塔式發(fā)電工程上也有所開(kāi)展。北京延慶八達(dá)嶺興建的亞洲第一座塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站，是中科院太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)及系統(tǒng)示范工程，是國(guó)家科技部“十一五〞863重點(diǎn)工程，于2006年立項(xiàng)、2023年獲得發(fā)改委批準(zhǔn)，主要目標(biāo)是研究太陽(yáng)能塔式熱發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)，建立太陽(yáng)能熱發(fā)電實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，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(guó)太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)的研究和開(kāi)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(jì)技太陽(yáng)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(jià)槽式系統(tǒng)集熱管、聚光器和跟蹤機(jī)構(gòu)30-32010-100260-40013%左右，管道系統(tǒng)復(fù)雜，熱量損失大代價(jià)較低，技術(shù)最成熟，已到達(dá)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(dòng)機(jī)3-25500-1000500-150030%集熱器分散布置，控制代價(jià)相對(duì)低，但接收器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，造價(jià)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(lái)本錢將會(huì)降低，競(jìng)爭(zhēng)力很強(qiáng)。槽式發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)上最為成熟，且其跟蹤機(jī)構(gòu)比擬簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，總體本錢最低，隨著技術(shù)的開(kāi)展，槽式發(fā)電系統(tǒng)的建造費(fèi)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(dá)約4美分/kW·h，根本相當(dāng)于火力發(fā)電本錢。碟式發(fā)電系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，并且投資較高，在目前要實(shí)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(huì)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(kāi)展?jié)摿Ψ浅＞薮蟆?.太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)的開(kāi)展趨勢(shì)為了應(yīng)對(duì)礦石燃料日益減少帶來(lái)的能源危機(jī)，減少碳排放量，保護(hù)環(huán)境，世界各國(guó)都開(kāi)展了可再生能源技術(shù)的研究和應(yīng)用，包括太陽(yáng)能、風(fēng)能、潮汐能、地?zé)崮?、水能、生物質(zhì)能等，其中太陽(yáng)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(shí)施應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)大容量發(fā)電等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，太陽(yáng)能在未來(lái)將有廣闊的開(kāi)展前景。國(guó)際能源署〔IEA〕下屬的SolarPACES、歐洲太陽(yáng)能熱能發(fā)電協(xié)會(huì)〔ESTELA〕和綠色和平組織的預(yù)測(cè)認(rèn)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(jī)容量將到達(dá)830GW，每年新增41GW。目前，影響太陽(yáng)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(jìn)步，包括研究新材料，新的集熱系統(tǒng)技術(shù)等。據(jù)美國(guó)能源部主持的研究結(jié)果說(shuō)明：在大規(guī)模發(fā)電方面，塔式太陽(yáng)能發(fā)電將是所有太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)中本錢最低的一種。據(jù)預(yù)測(cè)，到2023年，其發(fā)電本錢大約為每度5美分，具有很強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。這從上面提及的Google2023年投巨資資的建造的塔式太陽(yáng)能發(fā)電廠就可看出美國(guó)對(duì)