综述太阳能光热发电技术发展

太阳能具备储备丰富和安全无污染特性，对环境和人类社会没有潜在威胁，避免火电化石燃料排放氮硫氧化物等污染物、核电核废料的后处理技术难题、水电的水资源和季节气侯影响等问题。深入研究太阳热辐射能的利用技术，将其转变为电能和热能技术，是保障经济发展的能源支撑。
1、太阳能发电技术种类
太阳能发电主要有两种:太阳能光伏发电是利用太阳能电池的光生伏特效应，将太阳辐射能直接转化为电能，光伏发电首选技术是将半导体等元器件制成的光伏太阳能电池板接收太阳能，通过半导体或者金属材料的温差发电;太阳能光热发电是将太阳热辐射能转化为热能再将热能转化为电能，间接用于发电。
太阳能光热发电技术研究人类取得巨大成就，截止2018年底，全球光热发电装机容量已达6．069GM，美国、西班牙等国有3GW装机容量已成功商运。虽然我国研究光热发电较晚，经过深入研究、试验和验证我国自有光热发电技术得到快速发展，截止2018年6月我国光热发电装机容量达7．9万kW。
2、太阳能光热发电原理
太阳能光热发电原理是，通过反射镜、聚光镜等聚热器将采集的太阳辐射热能汇聚到集热装置，用来加热集热装置内导热油或熔盐等传热介质，传热介质经过换热装置将水加热到高温高压蒸汽，蒸汽驱动汽轮机带动发电机发电。此种通过“光能－热能－机械能－电能”的转化过程实现发电技术被称为聚光太阳能发电技术。光热发电原理和基本设备组成和化石燃料电站基本相同，最大的差别是发电所用热源不同，太阳能热发电采用的是清洁且丰富的太阳能。

表1 四种光热发电技术的特性对比表
3、太阳能光热发电技术种类
按照聚能方式及其结构进行分类，主要有塔式、槽式、碟式、菲湿尔式太阳能光热发电四大类技术(见表1所示)，塔式和槽式光热发电技术商用更广泛。
3．1塔式太阳能光热发电
塔式光热发电系统为点式聚焦集热系统，利用大规模自动跟踪太阳的定日镜场阵列，将太阳热辐射能精准反射到置于高塔顶部的集热器，投射到集热器的阳光被吸收转变成热能并加热中间介质，使其直接或间接产生540℃～560℃蒸汽，其中一部分用来发电，另一部分热量则被储存，以备早晚或没有阳光时发电使用。塔式系统具有热传递路程短、高温蓄热、综合效率高等优点，新建的光热发电项目中塔式光热发电技术越来越多，塔式是未来太阳热辐射能光热发电的主要技术。
3．2槽式太阳能光热发电
也称槽式镜像系统，是线式聚焦集热系统。利用大面积槽式抛面镜反射太阳热辐射能，连续加热位于焦线位置集热器内介质，将热能转化为电能。槽式聚光器是一维跟踪太阳方式，属于中高温热力发电，串并联集成后发电容量无限制。太阳热辐射能集热装置占地面积比塔式、碟式系统要小30%～50%，已建成的光热发电站有84．7%采用槽式技术。
3．3碟式太阳能光热发电
也称为抛物面反射镜斯特林系统，是点式聚焦集热系统，是世界上最早出现的太阳能光热发电系统。由许多抛物面反射镜组构成集热系统，接收器位于抛物面焦点上，收集太阳辐射能量，将接收器内的传热介质加热到750℃左右，驱动斯特林发动机进行发电。碟式发电优点是光学效率高，启动损失小，适用于边远地区独立电站。
3．4菲涅尔式太阳能光热发电
菲湿尔式光热发电工作原理类似槽式光热发电，只是采用多个平面或微弯曲的光学镜组成的菲涅尔结构聚光镜来替代抛面镜，众多平放的单轴转动的反射镜组成的矩形镜场自动跟踪太阳，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，进而转化为电能。特点是系统简单、直接使用导热介质产生蒸汽，其建设和维护成本相对较低。
4、太阳能光热发电系统组成
太阳能光热发电实质是由光能到热能再到电能的能量转换，实现将太阳光热辐射能到电能的产生与输出，四种光热发电技术按发电原理主要分为集热系统、蒸汽发生器系统、蓄热换热系统、发电系统。
4．1集热系统
利用控制装置保证镜场光学器件对太阳的跟踪，通过反射、聚焦和吸收等过程汇集光能，形成较高的能流密度，实现光能到热能的转化，聚集的热能主要用于光热发电，剩余热能用于储热。太阳能集热系统包括聚光装置、吸热器、跟踪控制装置等主要部件。
聚光装置作为集热系统的核心，主要由凹面反射镜、平面镜等光学器件组成聚光镜场，将光能聚集传递给位于焦点或焦线的吸热器或集热管，聚集太阳热辐射能，现国内制造的聚光镜效率已达到94%，基本等同国外聚光镜效率。
吸热器承担着吸收太阳热辐射能的重要作用，主要功能是吸热聚光装置反射的太阳热辐射能，直接加热集热器内工质转换成热能，用来发电或储热等不同用途。吸热器有真空管式和腔体容积式，选用原则根据工程条件、镜场容量及布置等因素，重点是提高吸热器单位面积热流量，降低热损失。选择吸热器主体材料应考虑耐高温、耐腐蚀、耐疲劳等，以保证吸热器设备的安全性和较长服役期。
跟踪控制装置除具有一维跟踪或二维跟踪等控制能力，具有定期自检、定期清理等功能，保证阵列镜场和太阳直射光线的形成稳定角度，有效调节太阳能集热装置的焦距，始终保持整个镜场对太阳的跟踪，从而实现太阳热辐射能有效地反射到吸热器，吸热器吸收这部分辐射能并将其转换成为热能直接利用。
4．2蒸汽发生器系统
蒸汽发生器系统包括预热器、蒸发器、过热器和再热器等，集热系统吸收太阳热辐射能，通过熔盐、导热油等热能载体在蒸汽发生器系统换热产生高能蒸汽去驱动汽轮机做功，此系统相当于火力发电机组的锅炉。光热发电配套使用的蒸汽发生器系统有单列和双列布置，系统输送工质无论采用强制循环还是采用自然循环，均要保证系统所需的循环倍率。
研制蒸汽发生器系统设备首先要综合考虑设备间相互匹配温升、换热能力、介质阻力，其次要重点研究分析换热工质的变温范围大导致设备承载的温差应力，再有要全面考虑光热发电频繁启停特殊性和低负荷运行工况产生的疲劳。实现热能消耗少、阻力小，提高蒸汽发生器系统经济性。
系统配置的换热器均为管壳式结构，有釜式蒸发器，发卡式或集箱式蛇形管过热器，U管或直管换热器。研究和设计所述设备即要在系统设计和设备设计两个层面考虑熔盐凝固、泄露等风险，又要关注各设备内熔盐和水的流程，且要配备电伴热等防凝措施。对于熔盐工质的蒸汽发生器系统应采用预热、蒸发和过热多级受热面设计，且宜带有强制循环泵的蒸发器，确保蒸发器局部受热面在不同负荷时不超金属材料的安全使用温度。
4．3蓄热和换热系统
太阳能的储存主要有两种方法:一种是将太阳能直接收集以热能方法进行储存，有显热储热、潜热储热和化学反应储热进行太阳能直接储存(见表2所示);另一种是把太阳能先转换成其他能量方式再进行储存，一般可先转变为电能和机械能，再使用相应方法储存电能和机械能。
光热发电最大优势是能够进行热能储存，热量富裕进行储热，热量不足能够释放，适应电网24小时调峰发电需求。蓄热系统由真空绝热或以绝热材料包覆的蓄热器组成，商业化光热发电主要蓄热方法是熔融盐双罐直接储能。因为熔盐比导热油温度高，发电效率大，故目前商业化光热发电中常用的是二元熔盐，其主要成分是硝酸钠和硝酸钾。各国研究的新型储能技术有液态金属储能、纳米复合相变材料储能、新型盐结晶储能等。
换热系统主要是指实现能量转换工序过程所配置的设备，保障在不同工质间进行热能形式转换，配备的设备要传热面积大，热损耗小，设备抗腐蚀性、抗疲劳性和抗氧化性强。

表2 太阳能光热发电系统中蓄热方式的特性对比
4．4发电系统
光热动力岛发电系统相当于火电、核电的发电系统，将热能转化为电能并输出。此系统配置装备同火电基本类似，即要配置蒸汽轮机、燃气轮机和发电机等主要设备，还要配置给水系统、回热系统所需的给水泵、高低加等设备。发电系统的性能直接关系到太阳能光热发电经济性，当发电系统效率提升1%，光热发电将增长年收益2%以上。研制光热发电动力岛主要设备要特别关注发电频繁启停、快速启动、低负荷等苛刻工况，采取相应措施保证发电系统设备的安全性和稳定性。
5、光热发电的技术发展主要方向
1)光热发电高参数、大容量、连续发电发展。太阳热辐射能可直接发电能，且能进行热能储存，实现光热发电长周期平稳电力连续输出。百兆瓦级塔式光热发电站投入商业运行证明，塔式技术能实现更高的运行温度，超强的集热能力和储热能力，保证驱动汽轮机发电的工质参数高，甚至实现超临界技术发电。光热发电在技术层面已具备大容量、高参数、连续发电的基本条件，工程层面要加快光热发电技术向着高参数和大容量进程是总体大趋势。
2)光热发电技术互补，建设集合式光热发电站。碟式技术效率高但储能差;槽式技术成熟但热输出温度较低;塔式聚光比高运行温度但投资成本大。采用任何单一技术模式建设光热发电站均有局限性，研究槽式、塔式、碟式、菲湿尔中两种或三种光热发电组合技术，取长补短充分发挥各自聚光比高、集热技术成熟和总体效率高等技术优势，从建设和运维方面降低成本，提高光热发电的运行效率，现已采用组合技术建设光热发电站，探索研究更有利于发挥各自优势多种技术组合势在必行。
3)组建风、光、热等清洁能源多种组合模式发电站。将成熟的风、光、热等各种清洁能源技术进行优化组合，建立能源全方位利用机制，实现电力生产和输出灵活性和总体输出功率稳定性，组建具有储能的光热、光伏、风能、生物质等互补技术的新能源发电站，充分利用风电、光伏、光热和储能各自优势，有效解决电力调峰问题，提升电力系统风、光、电、储等能源的利用效益，提高电力系统的可靠性和经济性。
4)建设光热发电和传统化石燃料联合电站。随着太阳能发电技术的成熟，将太阳能和煤电、天然气等常规火电站有效对接，利用太阳能和化石能源各自特点，建设光热发电与燃气或燃油或煤电组合式联合循环电站，充分利用太阳能再生清洁资源和规模化储热优势，降低化石能源的消耗比重，实现连续稳定的电力供应满足经济发展需要。
太阳能光热发电技术同超临界CO2技术结合是将来光热发展的新方向，随着新型熔盐和液体金属等传热工质技术的成熟，太阳能光发电效率将不断提高，太阳能利用将占有更大比重。
6、结论
现在我国光热发电技术已经积累相当丰富经验，首批示范光热电站中首航塔式100MW、中广核德令哈槽式50MW并网发电实现商运，全面验证我国太阳热辐射能发电技术的可靠性。实现在2030年我国光热发电量占能源总量10%目标，既要深入研究光热发电新技术，又要寻求光热发电技术组合路线，研制性能优良的光热发电配套设备，促进我国太阳能光热发电技术向大容量高参数方向发展，促使我国光热发电技术从跟踪技术到自主研发的跨跃。