馮志武

(陽泉煤業(yè)化工集團，山西 太原 030000)

1 太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)

進入21世紀以來，隨著人口數(shù)量和經(jīng)濟總量的增加，能源需求總量將持續(xù)增長，據(jù)研究，石油和天然氣將在21世紀中葉趨于枯竭，化石能源存在污染嚴重、不可再生的缺點，發(fā)展清潔、可再生能源替代化石資源，勢在必行。太陽能儲量豐富，是一種環(huán)保清潔的可再生能源，具有資源豐富、分布廣泛、安全、清潔等優(yōu)點。另據(jù)估算，地球表面每年接收的太陽輻射量高達5.4×1024J，相當于1.8×1014t標準煤。若將其中的0.1%按效率5%轉(zhuǎn)換為電能，則每年的發(fā)電量可達5 600 TWh，相當于目前全世界能耗的40倍。因此，利用太陽能進行發(fā)電對今后的能源發(fā)展有著十分重要的意義[1]。

目前已發(fā)展的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，也稱聚光太陽能系統(tǒng)，主要有四種應(yīng)用形式：槽式系統(tǒng)、塔式系統(tǒng)、碟式系統(tǒng)、線性菲涅爾系統(tǒng)。目前，槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)相對最成熟，整體投資最少，經(jīng)濟效益最好。槽形拋物面太陽能發(fā)電站的功率為10 MW～100 MW，是目前所有太陽能熱發(fā)電站中功率最大的[2]。

1.1 槽式太陽能發(fā)電系統(tǒng)[3-5]

槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)全稱為槽式拋物面反射鏡太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，是將多個槽型拋物面聚光集熱器經(jīng)過串、并聯(lián)的排列，加熱工質(zhì)，產(chǎn)生高溫蒸汽，驅(qū)動汽輪機發(fā)電機組發(fā)電，見圖1。

槽式電站的優(yōu)點：

1) 結(jié)構(gòu)簡單、 成本較低；

圖1 槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)原理圖

2) 可通過多個聚光-吸熱裝置的串、并聯(lián)組合，構(gòu)成較大容量的光熱發(fā)電系統(tǒng)；

3) 技術(shù)成熟，采用導熱油，運行溫度最高可達400 ℃。

槽式電站的缺點：

1) 熱傳輸管道特別長，熱量損失比較大，高海拔地區(qū)氣候比較寒冷，100 MW的槽式電站需要超過100 km長的集熱管，這些集熱管長期暴露于寒冷的環(huán)境中，無法保溫，集熱管里的導熱油在晚上無法抽出，這時就變成了巨大的散熱場。目前，全球所有在運行的槽式電站沒有一個位于海拔超過2 000 m的地區(qū)；

2) 長距離傳輸管道采用的集熱管如是真空管，在運行過程中的維修和維護成本比較高；

3) 使用導熱油作為傳熱介質(zhì)，限制了運行溫度，最高可達400 ℃，只能產(chǎn)生中等品質(zhì)的蒸汽，使用熔鹽作為傳熱介質(zhì)時使用溫度可達550 ℃，但在輸送距離較長情況下，光照不足，熔鹽就可能出現(xiàn)堵管現(xiàn)象。

1.2 塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)

塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是利用獨立跟蹤太陽的定日鏡群，將陽光聚集到固定在塔頂部的接收器上，使接收器表面產(chǎn)生高溫，加熱工質(zhì)產(chǎn)生過熱蒸汽或高溫氣體，驅(qū)動汽輪機發(fā)電機組或燃氣輪機發(fā)電機組發(fā)電，從而將太陽能轉(zhuǎn)換為電能[6]。塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)原理圖見圖2。

圖2 塔式太陽能發(fā)電系統(tǒng)原理圖

塔式電站的優(yōu)點：

1) 槽式的聚光比小，一般在50左右，為維持高溫時的運行效率，必須使用真空管作為吸熱器件。而塔式的聚光比大，一般可達300～1 500，因此，可以使用非真空的吸熱器進行光熱轉(zhuǎn)換，塔式電站熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)壽命優(yōu)于依賴于真空技術(shù)的槽式聚光系統(tǒng)。

2) 相比于槽式電站，100 MW的熔鹽塔式電站僅需要600 m的管道，所有的熔鹽管道都加了極厚的保溫層并位于建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)，管道里的熔鹽在晚上流回保溫能力強的罐內(nèi)，無需天然氣或其他輔助燃料保溫。

3) 塔的吸熱器可以在500 ℃～1 500 ℃的溫度范圍內(nèi)運行，對提高發(fā)電效率，有很大的潛力。而槽式的工作溫度一般在400 ℃以內(nèi)，限制了發(fā)電透平部分的熱電轉(zhuǎn)換效率。接收器散熱面積相對較小，因而可得到較高的光熱轉(zhuǎn)換效率。

塔式電站的缺點：

1) 塔式光熱電站的吸熱塔高100 m以上，維修及維護較為困難；

2) 定日鏡追日系統(tǒng)復雜，每隔一定時間，追日系統(tǒng)參數(shù)需要進行改變，遠距離跟蹤條件下，任何微小的傳動誤差，都會造成反射光線脫離目標，造成聚焦溫度急劇下降。

1.3 碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)

碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是世界上最早出現(xiàn)的太陽能動力系統(tǒng)，是目前太陽能發(fā)電效率最高的系統(tǒng)，最高可達29.4%。該系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)拋物面匯聚太陽光，旋轉(zhuǎn)拋物面是拋物線繞軸線旋轉(zhuǎn)形成的面，與拋物面軸線平行的光線照射到鏡面時，光線會聚焦到焦點，可使傳熱介質(zhì)加熱到750 ℃，然后，驅(qū)動斯特林發(fā)動機進行發(fā)電，可實現(xiàn)大功率的太陽能發(fā)電[7-8]。碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)原理圖見圖3。

圖3 碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)原理圖

碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點：

1) 碟式太陽能系統(tǒng)的聚光比約1 000～4 000，因而可以產(chǎn)生非常高的溫度。在其接收器上安裝熱電轉(zhuǎn)換裝置，如，斯特林發(fā)動機或朗肯循環(huán)熱機等，從而將熱能直接轉(zhuǎn)換成電能，熱電轉(zhuǎn)化率較高，可達30%；

2) 碟式太陽能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便，且用水量較少;

3) 碟式太陽能系統(tǒng)可以單臺使用或多臺并聯(lián)使用，適宜小規(guī)模發(fā)電，所以適合偏遠山區(qū)遠離電網(wǎng)地區(qū)，進行分布式離網(wǎng)供電。

碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)的缺點:

1) 陽光并不是垂直射到集熱器，反射過程中有一定的能量損失，且系統(tǒng)接收器一般采用線聚焦，造成加熱點分散，難以使工質(zhì)獲得高溫。集熱器還需在高溫下長期旋轉(zhuǎn)，很容易發(fā)生接口開裂、管路破損等狀況。

2) 受熱器的幾何尺寸受到限制，因為大面積的受熱器會對陽光造成遮擋，若減小集熱器的面積則會降低集熱效率。

3) 收集器的位置不固定，各種管道連接或是轉(zhuǎn)動相當困難，不利于組成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。這就制約了碟式系統(tǒng)的大規(guī)模生產(chǎn)[9]。

1.4 線性菲涅爾式熱發(fā)電系統(tǒng)

線性菲涅爾式熱發(fā)電系統(tǒng)類似于拋物面槽式熱發(fā)電,由許多平放單軸轉(zhuǎn)動的反射鏡組成矩形鏡面自動跟蹤太陽,將反射太陽光聚集到固定的集熱管上,加熱管中流體介質(zhì),直接或間接產(chǎn)生蒸汽,推動汽輪機組發(fā)電。線性菲涅爾式熱發(fā)電系統(tǒng)較簡單,反射鏡可采用平板式鏡面,成本較低,但系統(tǒng)效率也低。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單,傳動機構(gòu)易于操作,集熱管可采用鋼制管材,因而成本比槽式系統(tǒng)低。世界上目前在運行的最大的菲涅爾式光熱發(fā)電站，30 MW的Puerto Errado 2光熱電站在西班牙運行情況良好[10-11]。線性菲涅爾式太陽能發(fā)電系統(tǒng)原理圖見圖4。

圖4 線性菲涅爾式太陽能發(fā)電系統(tǒng)原理圖

線性菲涅爾式太陽能發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點：

1) 聚光器采用平面反射鏡代替拋物面槽式反射鏡，聚光器離地面近、風載荷低、結(jié)構(gòu)簡單，布置緊密，用地效率高；

2) 因主反射鏡采用平直或微彎的條形鏡面，二次反射鏡與拋物槽式反射鏡類似，生產(chǎn)工藝成本、反射鏡成本低，清洗成本低。

3) 集熱器管道固定主反射鏡跟蹤太陽而運動，相比槽式裝置，減少了很多管道的運動密封問題。

4) 吸熱管無需進行類似槽式裝置吸熱管那樣的真空處理，降低了技術(shù)難度和成本。

線性菲涅爾式太陽能發(fā)電系統(tǒng)的缺點：

1) 聚光比較低，運行溫度不高、系統(tǒng)熱電轉(zhuǎn)換效率不高；

2) 當前菲涅爾式系統(tǒng)采用水工質(zhì)傳熱，無儲熱系統(tǒng)。

2 國際太陽能光熱發(fā)電發(fā)展狀況

目前，全球光熱發(fā)電總裝機規(guī)模約為5 GW，其中，槽式光熱電站約占4.5 GW，占比90%左右。圖5是近年來全球光熱發(fā)電系統(tǒng)裝機容量變化表[4]。

圖5 全球太陽能發(fā)電行業(yè)裝機容量變化[12]

當前，全球太陽能光熱發(fā)電市場呈現(xiàn)出美國、西班牙裝機總量領(lǐng)跑，新興市場光熱發(fā)電裝機量開始增加，整個產(chǎn)業(yè)在全球范圍呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的局面。目前，全球多個國家正陸續(xù)加入光熱發(fā)電項目開發(fā)的隊伍中來，表1是截止2017年11月，世界各國已建成和在建的太陽能光熱項目。

表1 全球太陽能光熱項目列表[12]

3 我國太陽能發(fā)電行業(yè)發(fā)展狀況

我國幅員遼闊，有著十分豐富的太陽能資源，陸地表面每年接受的太陽輻射能約為50×1018kJ。從全國太陽年輻射總量的分布來看，西藏、青海、甘肅、新疆、內(nèi)蒙古南部等廣大地區(qū)的太陽輻射總量很大。中國光熱發(fā)電的資源潛力高達6TW，而美國是15TW，西班牙是0.72TW，但我國光熱發(fā)電行業(yè)行業(yè)發(fā)展緩慢，僅2013年有中控集團的德令哈1萬kW項目投入運行。

根據(jù)中國氣象局風能太陽能資源中心統(tǒng)計，中國擁有太陽能法向直接輻射量DNI>1 700 kWh/m2的可利用土地約94萬km2，這些土地基本上都是戈壁、沙漠。如果利用10萬平方公里的土地建設(shè)光熱發(fā)電廠的話，年發(fā)電量可達54 000億kWh，若按發(fā)電利用小時數(shù)為4 000 h計算，總裝機容量約為13.5億kW[13]。我國部分DNI值見表2。

表2 我國部分地區(qū)DNI值

2016年9月14日，國家能源局正式發(fā)布了《國家能源局關(guān)于建設(shè)太陽能熱發(fā)電示范項目的通知》，確定第一批20個太陽能熱發(fā)電示范項目名單，首批20個光熱示范項目分布于甘肅(9個)、青海(4個)、河北(4個)、內(nèi)蒙古(2個)、新疆(1個)五地，這些地區(qū)全年日照時數(shù)約在3 000 h以上，基本都屬于我國太陽能資源較為豐富的地區(qū)。

20個光熱項目當中有9個塔式電站，7個槽式電站和4個菲涅爾電站，總裝機134.9萬kW光熱項目，各項目的裝機容量大部分在50 MW左右。截至2018年5月1日，有16個項目處于建設(shè)和規(guī)劃階段，其中5個項目可在2018年12月底進行投運。

4 技術(shù)路線對比

在西班牙已運行的50個電站當中，46個電站采用槽式導熱油傳熱，全球最大的裝機280 MW的美國Solana光熱電站采用的也是槽式導熱油技術(shù)，說明槽式導熱油技術(shù)是目前成熟的光熱發(fā)電技術(shù)。

雖然塔式熔鹽技術(shù)發(fā)展較晚，但其競爭優(yōu)勢和發(fā)展?jié)摿σ褟V受行業(yè)認可，在新開發(fā)的塔式項目中，包括摩洛哥NOOR3電站、南非Redstone電站等項目都采用了塔式熔鹽技術(shù)，美國五大光熱電站中裝機110 MW的Crescent Dunes電站，是全球第一個超過100 MW的光熱電站。表3是4種光熱發(fā)電工藝的優(yōu)、缺點對比。

表3 光熱發(fā)電技術(shù)路線對比[11]

目前國內(nèi)首批的20個光熱電站項目中，有4個選擇退出，其余16個光熱電站中，7個采用塔式熔鹽技術(shù)，5個采用槽式導熱油路線，2個采用槽式熔鹽路線，1個采用菲涅爾式水工質(zhì)路線，蘭州大成采用菲涅爾式熔鹽路線。表4是16個光熱項目技術(shù)路線表[14]。

首批16個項目當中，幾乎所有項目都采用熔鹽進行儲熱，說明目前熔鹽儲熱技術(shù)是主流。熔鹽儲熱傳熱的關(guān)鍵技術(shù)包括對低溫熔鹽的開發(fā)、高溫傳熱儲熱材料的制備以及熔鹽傳儲熱系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計與布置。

根據(jù)我國的環(huán)境條件，因我們DNI(太陽法向直射輻射強度)值小于西班牙、摩洛哥等國，且冬季溫度較低(甘肅玉門最低至-35 ℃)，美國內(nèi)華達州的冬季溫度在0 ℃左右， 在冬季，我國的光熱電站運行相對西班牙和美國同類電站較為困難，根據(jù)對比我國和西班牙、美國的環(huán)境條件，筆者認為在國內(nèi)首批16個光熱項目中，槽式導熱油路線、塔式熔鹽路線均可行，槽式熔鹽路線和菲涅爾式熔鹽路線不可行，理由主要是：

表4 首批16個光熱項目技術(shù)路線表

1) 熔鹽的關(guān)鍵指標主要是熔點、雜質(zhì)含量及化學穩(wěn)定性，理想的熔鹽要求具有較高的使用溫度、低熔點、低雜質(zhì)含量、高熱穩(wěn)定性、高比熱容、高對流傳熱系數(shù)、低黏度、低飽和蒸汽壓，我國當前對光熱電站所使用熔鹽的測試方法、測試項目、組分指標的要求尚沒有統(tǒng)一的衡量標準，市場上熔鹽魚龍混雜，質(zhì)量有高有低。

2) 熔鹽的凍堵、腐蝕問題一直阻礙其在槽式電站集熱管上的應(yīng)用，目前尚未得知熔鹽在管路內(nèi)長時間的冷凝和熔化對管路有多大的影響。國外已運行的電站也沒有直接應(yīng)用熔鹽傳熱的槽式工藝。所以，槽式熔鹽工藝可以作為研究開發(fā)，但直接應(yīng)用于工業(yè)裝置，還有很長的一段路需要走。

塔式DSG技術(shù)也有很廣闊的發(fā)展前景，主要是因為在普通鍋爐的水冷壁管道中，水汽兩相共存，鍋爐能夠保證長期穩(wěn)定運行，并且在超臨界鍋爐的水冷壁管道內(nèi)，水質(zhì)工況更為惡劣，超臨界鍋爐也能夠長期穩(wěn)定運行，既然超臨界鍋爐中應(yīng)用水工質(zhì)沒有問題，那么塔式電站應(yīng)用水工質(zhì)也沒有太大的問題，美國Ivanpah電站采用的就是塔式水工質(zhì)技術(shù)。塔式水工質(zhì)技術(shù)的缺點就在于無儲熱系統(tǒng)，在未來一段時間內(nèi)，隨著技術(shù)的發(fā)展，配備儲熱系統(tǒng)塔式DSG電站能穩(wěn)定調(diào)控管道內(nèi)的蒸汽狀況，那樣塔式DSG光熱電站就會有較大的發(fā)展。