孫 峰，畢文劍，周 楷，陳明強(qiáng)，唐 娟，童郭凱，王 偉

(浙江中控太陽能技術(shù)有限公司，杭州 310009)

0 引言

隨著全球化石能源供應(yīng)日益緊張和環(huán)境問題日益凸顯，太陽能作為典型的清潔可再生能源越來越受到關(guān)注，針對太陽能熱利用技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用正逐步成為能源行業(yè)的熱點。

太陽能熱利用技術(shù)可應(yīng)用于多個行業(yè)或領(lǐng)域：在低溫(＜100 ℃)領(lǐng)域，太陽能熱利用技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用已趨于成熟，主要是為居民的日常生活供暖、供熱，比如應(yīng)用于民用太陽能熱水器、室外太陽灶等；在中高溫(≥100 ℃)領(lǐng)域，太陽能熱利用技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用主要集中在工農(nóng)業(yè)方面，比如應(yīng)用于太陽能海水淡化、紡織、食品加工和木材烘干等方面，同時也應(yīng)用于單一或多種新能源聯(lián)合發(fā)電領(lǐng)域。本文針對已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化或即將產(chǎn)業(yè)化的太陽能熱利用技術(shù)，重點從太陽能海水淡化，太陽能供熱、換熱制冷，太陽能熱發(fā)電，以及太陽能光熱與其他新能源聯(lián)合發(fā)電這4個主流的應(yīng)用方向?qū)μ柲軣崂眉夹g(shù)的應(yīng)用原理展開了論述，介紹了典型應(yīng)用案例，并分析了當(dāng)前產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的問題及發(fā)展前景。

1 太陽能海水淡化

淡水資源緊缺制約著社會和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，是各國面臨的主要問題之一。海水淡化技術(shù)能有效緩解淡水短缺的現(xiàn)狀，但傳統(tǒng)的海水淡化工藝不僅會消耗大量能源，而且不利于環(huán)境保護(hù)。由于缺水的干旱地區(qū)往往太陽能資源較為豐富，因此這些地區(qū)具有發(fā)展新型高效的太陽能海水淡化技術(shù)的良好前景。

太陽能海水淡化技術(shù)是將太陽能熱利用技術(shù)和傳統(tǒng)的海水淡化系統(tǒng)相結(jié)合，但二者結(jié)合時需要重點考慮以下幾點問題[1]：1)綜合效率應(yīng)明顯高于采用單一技術(shù)時的效率；2)盡量保有原本成熟的系統(tǒng)，因地制宜地選擇合適的海水淡化方法；3)盡量減少集熱裝置和儲換熱裝置的熱量損失，提高太陽能熱利用的效率。

傳統(tǒng)的太陽能海水淡化技術(shù)主要包括太陽能海水蒸餾技術(shù)和太陽能膜法海水淡化技術(shù)。這2種技術(shù)利用了太陽能的熱能或太陽能熱發(fā)電產(chǎn)生的電能進(jìn)行海水淡化。

1.1 太陽能海水蒸餾技術(shù)

太陽能海水蒸餾技術(shù)是指以收集的太陽能熱能替代傳統(tǒng)的熱源來加熱海水，使海水濃縮蒸發(fā)汽化，再把蒸汽冷凝成淡水的技術(shù)，其工作流程圖如圖1所示。

圖1 太陽能海水蒸餾技術(shù)的工作流程圖Fig. 1 Working flow chart of solar seawater distillation technology

在太陽能海水蒸餾技術(shù)中，太陽能多效蒸餾技術(shù)和太陽能多級閃蒸技術(shù)的發(fā)展成果較為突出。

太陽能多效蒸餾系統(tǒng)是由多個蒸發(fā)器組合而成，多效蒸發(fā)時要求后一效的操作壓力和蒸發(fā)溫度均比前一效的低，并以前一效的二次蒸汽作為后一效的加熱介質(zhì)。與傳統(tǒng)的多效蒸餾系統(tǒng)不同的是，太陽能多效蒸餾系統(tǒng)利用太陽能集熱系統(tǒng)收集的熱能來替代傳統(tǒng)的熱源用于海水加熱，系統(tǒng)能多次重復(fù)利用熱能，可顯著降低熱能耗用量，且系統(tǒng)的熱能利用效率高、溶液的濃縮比較大；但該系統(tǒng)的缺點是結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，且設(shè)備投資較高。

太陽能多級閃蒸系統(tǒng)是采用降壓擴(kuò)容閃蒸的方法蒸發(fā)海水，將原料海水加熱到一定溫度后引入閃蒸室。該系統(tǒng)的設(shè)備簡單、可靠，易于規(guī)模化應(yīng)用，但由于多級閃蒸系統(tǒng)要求負(fù)荷穩(wěn)定，而太陽能的不穩(wěn)定性使其作為熱源時很難滿足這一要求。因此，采用太陽能多級閃蒸系統(tǒng)時往往需要配置一定規(guī)模的輔助熱源[1]。

田禾等[2]綜合了多級閃蒸和多效蒸發(fā)這2種系統(tǒng)的優(yōu)點，設(shè)計制造了一套具有一效蒸發(fā)器的太陽能閃蒸-多效蒸發(fā)海水淡化裝置。該裝置前段為閃蒸段，閃蒸段連接的太陽能集熱系統(tǒng)可直接加熱海水；后段為低溫多效系統(tǒng)，可解決太陽能作為熱源存在不穩(wěn)定的情況。通過試驗表明，該裝置在海水溫度為68～78 ℃范圍內(nèi)能夠正常運行，且具有較高的日產(chǎn)水量；裝置達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時間較短，比較適合太陽能作為熱源不穩(wěn)定時的情況。

在規(guī)模化工程應(yīng)用項目中，為保證海水淡化設(shè)備的使用壽命，需盡量避免海水直接進(jìn)入太陽能集熱系統(tǒng)導(dǎo)致設(shè)備產(chǎn)生腐蝕和結(jié)垢問題。因此，太陽能海水蒸餾技術(shù)一般采用太陽能間接加熱海水的方法，即通過太陽能集熱系統(tǒng)加熱中間介質(zhì)(如淡水、導(dǎo)熱油、熔鹽等)將熱量傳遞給蒸餾系統(tǒng)；考慮到太陽能作為熱源存在不穩(wěn)定的情況，可配置一定規(guī)模的補(bǔ)燃設(shè)備。帶有儲熱水箱和補(bǔ)燃鍋爐的太陽能海水蒸餾系統(tǒng)如圖2所示。該系統(tǒng)可以滿足水溫一定波動幅度下的海水蒸發(fā)需求，同時通過配置補(bǔ)燃鍋爐來保證在太陽能作為熱源不穩(wěn)定時海水蒸餾系統(tǒng)仍可持續(xù)工作。

圖2 帶有儲熱水箱和補(bǔ)燃鍋爐的太陽能海水蒸餾系統(tǒng)Fig. 2 Solar seawater distillation system with heat storage tank and supplementary combustion boiler

典型的太陽能海水蒸餾技術(shù)的應(yīng)用項目，比如我國首個太陽能海水淡化示范項目，由上海驕英能源科技有限公司和海南惟德能源科技有限公司共同投資建設(shè)，于2013年11月7日正式投產(chǎn)，總投資額約為1300 萬元。該項目采用線性菲涅爾式聚光太陽能集熱系統(tǒng)產(chǎn)出170 ℃的熱蒸汽，為低溫多效蒸餾海水淡化系統(tǒng)提供熱量，對海水進(jìn)行蒸餾淡化從而得到蒸餾水。項目一期建設(shè)規(guī)模的總額定熱功率為180 kW，額定產(chǎn)水量為1250 kg/h，年均產(chǎn)水量約為2000 t，可滿足近150人1年的用水量。太陽能集熱系統(tǒng)由5個M2型線性菲涅爾式太陽能跟蹤聚焦集熱模塊組成，占地面積不足700 m2[3]。

雖然太陽能海水蒸餾技術(shù)的應(yīng)用較易于實現(xiàn)，但由于其未能利用蒸汽的潛熱，且蒸餾器的換熱效率較低等原因，導(dǎo)致其單位面積產(chǎn)水量低，極大地限制了太陽能海水蒸餾制水的效率。因此，為提高太陽能海水蒸餾制水的效率，開展新型高效的蒸餾器的研究顯得尤為必要。原郭豐等[4]自主研發(fā)了紙蜂窩結(jié)構(gòu)高效蒸餾器，可回收蒸汽冷凝的熱量，較大地提高了淡水產(chǎn)量。VELMURUGAN等[5]在傳統(tǒng)的太陽能海水蒸餾盤中增加了肋片，從而增大了有效換熱面積，提高了系統(tǒng)的產(chǎn)水效率，經(jīng)過理論和實驗對比研究后發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)的產(chǎn)水效率可提高45.5%。

除此以外，一些高效的太陽能海水蒸餾的新技術(shù)也處于開發(fā)改進(jìn)階段。比如，太陽能增濕-除濕海水淡化技術(shù)和毛細(xì)驅(qū)動太陽能局域熱法海水淡化技術(shù)等。

太陽能增濕-除濕海水淡化技術(shù)是以太陽能作為熱源，從對空氣的加濕、去濕過程中獲得淡水。袁怡剛等[6]基于多級增濕和分級冷凝原理，設(shè)計開發(fā)了新型的太陽能多級增濕-除濕海水淡化裝置，并通過實驗研究了不同噴水溫度、不同空氣循環(huán)方式，以及分級冷凝對裝置產(chǎn)水效率和熱耗的影響。結(jié)論表明，采用了分級冷凝和多級增濕技術(shù)后，太陽能多級增濕-除濕海水淡化裝置的淡水產(chǎn)量較單級的太陽能海水淡化裝置提高了25%～50%。

毛細(xì)驅(qū)動太陽能局域熱法海水淡化技術(shù)則是利用多孔介質(zhì)毛細(xì)力自動抽吸海水至裝置的蒸發(fā)表面，以太陽能作為熱源加熱裝置表層的水分，通過強(qiáng)化蒸發(fā)過程得到淡水，該技術(shù)具備高效產(chǎn)水效率和較低投入成本的優(yōu)點。黃璐等[7]總結(jié)了微納尺度下毛細(xì)驅(qū)動太陽能局域熱法海水淡化技術(shù)的水分傳輸和太陽能熱量傳遞機(jī)理，提出了在1個太陽輻照度下突破單級產(chǎn)水量理論極限的新型研究思路，并指出了太陽能局域熱法海水淡化技術(shù)存在鹽分結(jié)晶和蒸汽冷凝效率低等問題。

1.2 太陽能膜法海水淡化技術(shù)

太陽能膜法海水淡化技術(shù)包括3種，分別為太陽能膜蒸餾法、太陽能反滲透法和太陽能電滲析法。太陽能膜蒸餾法的原理類似于太陽能蒸餾技術(shù)，是將太陽能加熱后的海水送入膜組件進(jìn)行汽液分離，然后收集得到冷凝后的淡水；太陽能反滲透法和太陽能電滲析法則是利用太陽能發(fā)電技術(shù)(光伏發(fā)電和太陽能熱發(fā)電)產(chǎn)生的電力驅(qū)動后端的海水淡化裝置得到淡水。

太陽能反滲透法是利用太陽能發(fā)電驅(qū)動加壓設(shè)備在半透膜的一側(cè)施加大于海水滲透壓的壓力，利用反滲透原理獲取海水中的淡水。太陽能反滲透法的能耗低，為太陽能電滲析法能耗的1/2，僅為太陽能膜蒸餾法的1/40。但太陽能反滲透法存在2個較為明顯也是研究人員研究最多的問題，一個問題是太陽能反滲透法對半透膜的耐壓能力有較高要求，該技術(shù)的半透膜應(yīng)能承受較高的壓力；另一個問題是滲透后的能量回收問題，開發(fā)能量回收裝置可有效降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)水效率[8]。

太陽能電滲析法是利用太陽能發(fā)電技術(shù)和離子交換膜結(jié)合分離出淡水，其將陰陽離子交換膜交替排列在正負(fù)電極之間，用特制的隔板隔開，在電位差的驅(qū)動下，利用離子交換膜的選擇透過性，使溶液一部分淡化，一部分濃縮，從而達(dá)到溶液的濃縮淡化。

典型的太陽能膜法海水淡化技術(shù)的應(yīng)用案例，比如摩洛哥的首個太陽能海水淡化項目。該項目于2016 年1 月14 日正式投運，利用光伏發(fā)電進(jìn)行供電，并利用太陽能熱利用技術(shù)進(jìn)行海水淡化。該項目的總投資約合320萬元人民幣，由摩洛哥太陽能和新能源研究所Iresen 提供。項目共安裝57塊光伏組件，總額定功率約為10 kW；另外還配有18個太陽能集熱器，額定集熱功率為14 kW；光伏組件和太陽能集熱器分別為反滲透和膜蒸餾過程提供能量。該海水淡化裝置將2種太陽能技術(shù)創(chuàng)新性地結(jié)合在一起，使過程水的用量達(dá)到了最優(yōu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，同時使裝置產(chǎn)生的咸水量降至最低[9]。

1.3 太陽能海水淡化技術(shù)發(fā)展面臨的問題及前景展望

太陽能海水淡化技術(shù)具備較大的發(fā)展前景，但其總體制水成本較高、投資大、回收慢，仍有部分問題需要解決，具體包括：

1)需開發(fā)新型高效的蒸餾器與換熱系統(tǒng)，以提高產(chǎn)水效率；

2)加強(qiáng)耐壓半透膜的開發(fā)和利用，改變目前能量回收裝置依靠進(jìn)口的現(xiàn)狀；

3)提高太陽能海水淡化副產(chǎn)品的利用，比如余熱供暖等。

2 太陽能供熱、換熱制冷技術(shù)

2.1 太陽能供熱技術(shù)

太陽能供熱方向包括利用太陽能為建筑供暖和將太陽能用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)。

建筑采暖占冬季建筑能耗的較大比例，利用太陽能為建筑供暖不僅可以改善民生，而且還可以減少化石能源的消耗并改善環(huán)境。近年來，太陽能供暖在我國政策扶持下逐漸得到推廣，2020年6月，國家能源局發(fā)布了《2020年能源工作指導(dǎo)意見》，要求穩(wěn)妥推進(jìn)北方地區(qū)的清潔取暖，因地制宜選擇清潔供暖技術(shù)路線。我國利用太陽能供暖最為廣泛的地區(qū)主要集中在北京市的郊區(qū)及我國西部地區(qū)；除了為居民區(qū)日常供暖外，太陽能供暖系統(tǒng)也逐步應(yīng)用在一些城市的公共建筑上，比如火車站、汽車站和圖書館等。

太陽能供暖系統(tǒng)應(yīng)用時的關(guān)鍵問題是需要平穩(wěn)持續(xù)地輸出熱量以維持供暖穩(wěn)定，設(shè)計時可配置一定規(guī)模的儲能系統(tǒng)和輔助熱能設(shè)備，用來應(yīng)對太陽能資源不穩(wěn)定和連續(xù)陰雨天造成的太陽能供暖系統(tǒng)無法持續(xù)供暖的情況。

牛高云等[10]提出了一種新型的槽式太陽能與電鍋爐互補(bǔ)采暖系統(tǒng)，當(dāng)白天光照條件較好時，利用槽式太陽能集熱系統(tǒng)將集熱管內(nèi)部的水加熱到額定溫度后，通過換熱器加熱供暖系統(tǒng)；太陽能供熱不穩(wěn)定時，槽式太陽能集熱系統(tǒng)與電鍋爐共同提供熱源；晚上或白天無光照條件下，利用電鍋爐為太陽能供暖系統(tǒng)提供熱源，實現(xiàn)全天24 h供暖。

張鑫等[11]設(shè)計了一套包含相變蓄熱池的太陽能供暖系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用乙二醇水溶液作為傳熱介質(zhì)，水作為相變介質(zhì)，利用水的狀態(tài)變化存儲和釋放太陽能集熱器收集的能量。試驗結(jié)果表明，即使室外溫度低于-10 ℃，該系統(tǒng)運行時室內(nèi)溫度也可保持在20 ℃以上。

典型的太陽能供熱系統(tǒng)的應(yīng)用案例，比如河北省張家口市涿鹿縣跨季節(jié)水體儲熱塔式太陽能供熱示范系統(tǒng)。該系統(tǒng)由中國科學(xué)院電工研究所設(shè)計開發(fā)，為張家口市涿鹿縣礬山鎮(zhèn)黃帝城小鎮(zhèn)達(dá)華建國酒店供暖，供暖面積約3000～5000 m2。該系統(tǒng)主要由塔式太陽能聚光吸熱系統(tǒng)、水體儲熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成，定日鏡采光面積為760 m2，水體儲熱容量為3000 m3。該示范項目于2018年4月至10月初運行儲熱模式，再從2018年10月初開始運行供熱模式?？缂竟?jié)水體儲熱塔式太陽能供熱示范系統(tǒng)的實景如圖3所示。

圖3 跨季節(jié)水體儲熱塔式太陽能供熱示范系統(tǒng)實景Fig. 3 Photo of tower solar heating demonstration system with inter-seasonal water heat storage

該太陽能供熱示范系統(tǒng)采用塔式聚光技術(shù)實現(xiàn)山地小定日鏡的高效聚光，開發(fā)了容積式吸熱器和列管式吸熱器，利用多孔材料的選擇與排布實現(xiàn)了高效吸熱。當(dāng)該示范系統(tǒng)的出水溫度達(dá)到90 ℃要求時，其在冬季的熱效率可達(dá)到50%以上(以追日的定日鏡采光面積進(jìn)行折算)。采用水體儲熱斜溫層控制技術(shù)和低熱損技術(shù)，可減小儲熱水體混合熱損，在確保水體儲熱系統(tǒng)建造成本不高于330元/m3的前提下，水體儲熱系統(tǒng)的取熱量可達(dá)到其儲熱量的80%以上。該示范項目的成功投運為今后大規(guī)模太陽能供暖系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)[12]。

太陽能供熱系統(tǒng)可實現(xiàn)水的顯熱或潛熱儲熱及供熱，介質(zhì)單一、易得，系統(tǒng)流程簡單，一般在小規(guī)模、參數(shù)取值較低時的經(jīng)濟(jì)性較好。但水儲熱不適合應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面的供熱，如紡織印染、食品加工、木材加工、稠油開采等，因為工農(nóng)業(yè)用汽量的需求通常很大，且參數(shù)取值較高，此時熔鹽儲能供熱就具有明顯優(yōu)勢。典型的太陽熔鹽儲能供熱系統(tǒng)的工作流程圖如圖4所示。

圖4 太陽能熔鹽儲能供熱系統(tǒng)的工作流程圖Fig. 4 Working flow chart of solar molten salt energy storage heating system

該太陽能熔鹽儲能供熱系統(tǒng)由4部分組成，分別為聚光系統(tǒng)、吸熱系統(tǒng)、儲熱系統(tǒng)和供熱系統(tǒng)。以塔式太陽能熔鹽儲能供熱系統(tǒng)為例，對各系統(tǒng)構(gòu)成及功能進(jìn)行介紹。

1)聚光系統(tǒng)。主要由定日鏡、控制箱、控制線纜和控制系統(tǒng)組成，負(fù)責(zé)收集太陽能，定日鏡在控制系統(tǒng)的集中控制下跟隨太陽高度角適時調(diào)整角度，將太陽光精確反射至熔鹽吸熱器面板表面。

2)吸熱系統(tǒng)。主要由吸熱器、入口罐、出口罐和空氣壓縮系統(tǒng)組成，負(fù)責(zé)將來自定日鏡鏡場的光能轉(zhuǎn)換成熱能，存儲于熔鹽中并輸送至儲熱系統(tǒng)。

3)儲熱系統(tǒng)。主要由高溫熔鹽儲罐、低溫熔鹽儲罐、冷鹽泵和熱鹽泵組成，負(fù)責(zé)存儲低溫和高溫熔鹽。一方面向吸熱系統(tǒng)輸出低溫熔鹽，并向蒸汽發(fā)生系統(tǒng)輸出高溫熔鹽；另一方面接收來自吸熱器的高溫熔鹽和來自蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的低溫熔鹽。

4)供熱系統(tǒng)。主要由蒸汽發(fā)生系統(tǒng)和供熱末端構(gòu)成。蒸汽發(fā)生系統(tǒng)是熔鹽和水工質(zhì)能量交換的場所，來自儲熱系統(tǒng)的高溫熔鹽與水進(jìn)行換熱，產(chǎn)生蒸汽或熱水至供熱末端設(shè)備使用，釋放完熱量的低溫熔鹽再回到儲熱系統(tǒng)的低溫熔鹽儲罐。如果是在連續(xù)陰雨天或光照條件不好的情況下，可通過輔助能源提供熱量。

由于太陽能熔鹽儲能供熱系統(tǒng)在大規(guī)模、高參數(shù)下供熱的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于水儲熱的方式，因此有望得到大規(guī)模推廣。

2.2 太陽能換熱制冷技術(shù)

太陽能換熱制冷主要是利用收集的太陽熱能作為外界的補(bǔ)償來實現(xiàn)制冷的一種技術(shù)，包括太陽能吸收式制冷技術(shù)、太陽能吸附式制冷技術(shù)和太陽能噴射式制冷技術(shù)等。相對來說，太陽能吸收式制冷技術(shù)的發(fā)展較為成熟，目前已進(jìn)入實際應(yīng)用階段。

太陽能吸收式制冷技術(shù)最典型的應(yīng)用是溴化鋰太陽能吸收式制冷系統(tǒng)，該系統(tǒng)不僅制冷效率高，而且可以在較低熱源溫度下運行，在大型空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用較為廣泛[13]。溴化鋰太陽能吸收式制冷系統(tǒng)由太陽能集熱器、發(fā)生器、換熱器、吸收器、蒸發(fā)器、冷凝器、泵和閥門等組成，其原理是利用水在高真空狀態(tài)下沸點變低的特點來制冷，溴化鋰為吸收劑，水為制冷劑。該系統(tǒng)的工作流程簡圖如圖5所示。

圖5 溴化鋰太陽能吸收式制冷系統(tǒng)的工作流程簡圖Fig. 5 Working flow chart of solar absorption refrigeration system using LiBr

溴化鋰太陽能吸收式制冷系統(tǒng)的工作流程為：利用太陽能集熱器收集的熱能加熱水，熱水與溴化鋰溶液在發(fā)生器換熱，溴化鋰水溶液的濃度隨著溶液中水的蒸發(fā)量不斷升高，高濃度的溴化鋰水溶液進(jìn)入吸收器，蒸發(fā)出的水蒸氣則進(jìn)入冷凝器被降溫后凝結(jié)成高壓液態(tài)水，再經(jīng)節(jié)流閥降壓后進(jìn)入蒸發(fā)器中膨脹，汽化吸熱產(chǎn)生制冷效應(yīng)；低溫水蒸氣進(jìn)入吸收器被高濃度的溴化鋰水溶液吸收，使溶液濃度逐步降低，再由泵送回發(fā)生器，完成完整的制冷循環(huán)。如此循環(huán)往復(fù)，太陽能集熱器持續(xù)提供熱量[14]。

溴化鋰太陽能吸收式制冷系統(tǒng)存在諸多優(yōu)點，比如不會破壞臭氧層，制冷機(jī)在真空環(huán)境中運行，系統(tǒng)不排放有毒氣體、無爆炸風(fēng)險，且系統(tǒng)安裝簡便。但溴化鋰太陽能吸收式制冷系統(tǒng)需要保證設(shè)計的嚴(yán)密性，因為一旦漏入空氣，溴化鋰溶液會對設(shè)備產(chǎn)生一定的腐蝕性，會影響整個系統(tǒng)的性能和壽命。

如何有效提高太陽能吸收式制冷系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性是行業(yè)的關(guān)注重點之一。KIM等[15]從系統(tǒng)效率和經(jīng)濟(jì)可行性2個方面分析了太陽能制冷技術(shù)，認(rèn)為單效溴化鋰太陽能吸收式制冷系統(tǒng)的總成本最低。李靖等[16]以能源平均成本和動態(tài)投資回收期作為經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)，對分別采用平板太陽能集熱器、真空管太陽能集熱器、復(fù)合拋物面太陽能集熱器和槽式太陽能集熱器驅(qū)動的單效溴化鋰太陽能吸收式制冷系統(tǒng)進(jìn)行了對比分析，結(jié)果表明，采用真空管太陽能集熱器的單效溴化鋰太陽能吸收式制冷系統(tǒng)的能源平均成本最低，且其動態(tài)投資回收期最短。

2.3 太陽能供熱、換熱制冷技術(shù)發(fā)展前景展望

太陽能供熱和換熱制冷技術(shù)是有效利用太陽能的途徑，且適合規(guī)?；瘧?yīng)用，具有良好的發(fā)展前景。若開發(fā)太陽能供熱和制冷聯(lián)合技術(shù)，能同時滿足夏季制冷、冬季供暖和四季供熱水的需求，可有效解決單一系統(tǒng)效率低的問題，并提高能源的綜合利用率。隨著國家扶持政策相繼出臺，太陽能供熱、換熱制冷技術(shù)有望在新農(nóng)村建設(shè)中得到推廣和應(yīng)用。

3 太陽能熱發(fā)電技術(shù)

有別于光伏發(fā)電技術(shù)，太陽能熱發(fā)電技術(shù)具備儲能優(yōu)勢、發(fā)電功率平穩(wěn)且調(diào)度方式靈活等特點，可顯著減少“棄光”現(xiàn)象，不僅能夠作為獨立電站發(fā)電，而且在新能源裝機(jī)容量大幅增長帶來的并網(wǎng)消納問題背景下，太陽能熱發(fā)電站可為電網(wǎng)提供調(diào)峰調(diào)頻輔助服務(wù)，不僅顯著降低了新能源“棄光、棄風(fēng)”的情況，還提高了新能源電站的經(jīng)濟(jì)性。

根據(jù)太陽能集熱方式的不同，太陽能熱發(fā)電技術(shù)主要分為槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)、塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)、碟式太陽能熱發(fā)電技術(shù)和線性菲涅爾式發(fā)電技術(shù)4種類型。由于碟式太陽能熱發(fā)電技術(shù)和線性菲涅爾式發(fā)電技術(shù)的發(fā)展相對不成熟，應(yīng)用案例較少，因此，下文將重點介紹塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)和槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)的相關(guān)情況，同時對太陽能光熱超臨界CO2布雷頓循環(huán)發(fā)電技術(shù)進(jìn)行簡要介紹。

3.1 槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)和塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)

槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展至今已近40年，工藝路線和核心組件已相對成熟。1983～1991年期間，美國Luz公司相繼建成了9座槽式太陽能熱發(fā)電站，總裝機(jī)容量達(dá)354 MW，均成功并網(wǎng)營運；9座電站中，除SEG I和SEG II電站因未與加州愛迪生電力公司成功續(xù)簽，在2015年年底至2016年年初相繼停運外，其余電站仍在運營[17]。我國于2018年成功投運的中廣核德令哈50 MW熱發(fā)電示范項目也是采用了槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)。

相對于槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)而言，塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)具有更高的集熱溫度和發(fā)電系統(tǒng)效率，發(fā)展空間更為廣闊。塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)的系統(tǒng)性發(fā)展相對較晚，國外較為典型的項目包括西班牙的PS10、PS20、Gemasolar電站，美國的Sierra SunTower和Grescent Dunes電站、以色列的Ivanpah電站，以及摩洛哥的Noor III電站等。在我國，太陽能熱發(fā)電尚處于起步階段，2016年9月，國家能源局印發(fā)了《關(guān)于建設(shè)太陽能熱發(fā)電示范項目的通知》(國能新能[2016]223號)，在政策的大力支持下，一些塔式太陽能熱發(fā)電站先后成功并網(wǎng)投運，包括北京首航敦煌100 MW熔鹽塔式熱發(fā)電示范項目、青海中控德令哈50 MW熔鹽塔式熱發(fā)電項目、中國電建共和50 MW熔鹽塔式熱發(fā)電項目和中國電力工程哈密50 MW熔鹽塔式熱發(fā)電項目。其中，尤以青海中控德令哈50 MW熔鹽塔式熱發(fā)電項目的整體表現(xiàn)最為突出。該項目采用浙江中控太陽能技術(shù)有限公司自主研發(fā)的技術(shù)，項目中95%以上的設(shè)備實現(xiàn)了國產(chǎn)化，在電站性能考核中第1個半年度平均發(fā)電量達(dá)成率達(dá)到了97.06%，其中2020年前3個月的發(fā)電量達(dá)成率連續(xù)超過100%，創(chuàng)下全球同類型電站同期最高紀(jì)錄，標(biāo)志著我國太陽能熱發(fā)電技術(shù)已在一定程度上處于國際領(lǐng)先水平。

3.2 槽式和塔式結(jié)合的太陽能熱發(fā)電技術(shù)

盡管成功投運的槽式太陽能熱發(fā)電站和塔式太陽能熱發(fā)電站已達(dá)一定規(guī)模，但槽式和塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)面臨的發(fā)展問題仍十分突出。

槽式太陽能熱發(fā)電站的集熱場基本不存在“棄光”現(xiàn)象，集熱場的集熱效率較高，但在熱力系統(tǒng)參數(shù)方面存在一個矛盾。當(dāng)采用導(dǎo)熱油工質(zhì)集熱時，受制于導(dǎo)熱油的上限溫度，后端的汽機(jī)循環(huán)只能采用較低的參數(shù)值，導(dǎo)致熱電轉(zhuǎn)換效率較低；而采用熔鹽工質(zhì)集熱時，由于集熱管的散熱溫度過高，散熱量過大，嚴(yán)重影響了集熱量，使集熱場集熱效率較高的優(yōu)勢無法轉(zhuǎn)化為電站整體發(fā)電效率的提升，并且槽式太陽能熱發(fā)電站采用熔鹽工質(zhì)目前尚不屬于成熟技術(shù)，風(fēng)險較大。

塔式太陽能熱發(fā)電站雖然具有相對較高的集熱溫度和發(fā)電系統(tǒng)效率，但也存在鏡場集熱效率較低、棄光較多的問題，且運行難度較大，目前已有的大規(guī)模塔式太陽能熱發(fā)電站的發(fā)電量多數(shù)未達(dá)到設(shè)計值。另外，單機(jī)規(guī)模為100 MW、連續(xù)24 h運行、儲熱時間約14 h的規(guī)模下的塔式太陽能熱發(fā)電站的鏡場面積將會接近極限；而槽式太陽能熱發(fā)電站采用低聚光比的線聚光方式不存在集熱場面積大小的瓶頸，集熱場的集熱效率也不受其面積大小的影響。

針對上述槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)與塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)的特點，將這2種技術(shù)結(jié)合利用具備潛在優(yōu)勢。槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)模塊可為換熱系統(tǒng)的預(yù)熱段和蒸發(fā)段提供能量，塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)模塊可為換熱系統(tǒng)的過熱段提供能量，這樣既利用了槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)集熱效率高的優(yōu)勢，又獲得了塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)發(fā)電效率高的優(yōu)勢。另外，通過增加集熱效率不受集熱場面積大小影響的槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)模塊的集熱面積，可以提高太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的單機(jī)發(fā)電功率，進(jìn)一步提高整個系統(tǒng)的發(fā)電效率和經(jīng)濟(jì)性。該結(jié)合技術(shù)目前正處于研究開發(fā)階段，受到了廣泛關(guān)注。槽式與塔式結(jié)合的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的工作流程示意圖如圖6所示。

圖6 槽式與塔式結(jié)合的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的工作流程示意圖Fig. 6 Working flow chart of trough type and tower type combined solar thermal power generation system

3.3 超臨界CO2布雷頓循環(huán)太陽能熱發(fā)電技術(shù)

目前，除了碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)采用尚不成熟的斯特林發(fā)動機(jī)之外，其余太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)均采用基于水蒸氣朗肯循環(huán)原理的蒸汽發(fā)電技術(shù)。蒸汽發(fā)電技術(shù)經(jīng)過200多年的發(fā)展已非常成熟，但整體發(fā)電效率偏低，且發(fā)電效率隨溫度升高而提升緩慢，效率極限基本是45%。為提升發(fā)電效率，整個系統(tǒng)往往會變得復(fù)雜，設(shè)備大而重，投資成本居高不下；而且通常適合發(fā)展太陽能熱發(fā)電技術(shù)的地方的水資源都較為匱乏，若采用空冷機(jī)組，太陽能熱發(fā)電站效率會明顯下降。

以上這些弊端是因水蒸氣朗肯循環(huán)原理導(dǎo)致的，技術(shù)層面很難有大的突破。為了提升太陽能熱發(fā)電技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性和機(jī)組靈活性，需要從基礎(chǔ)層面思考改變，更換工質(zhì)和循環(huán)方式，比如采用超臨界CO2布雷頓循環(huán)的高效發(fā)電技術(shù)，成為太陽能熱發(fā)電行業(yè)的熱點。

超臨界CO2布雷頓循環(huán)發(fā)電技術(shù)是一種先進(jìn)的熱功轉(zhuǎn)換技術(shù)，其采用超臨界狀態(tài)的CO2作為工作介質(zhì)，在封閉的布雷頓循環(huán)中做功，當(dāng)熱源溫度高于500 ℃時，循環(huán)熱效率高于水蒸氣朗肯循環(huán)和氦氣布雷頓循環(huán)；隨著熱源溫度的提高，布雷頓循環(huán)效率可突破50%。由于塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)具有更高的聚光倍數(shù)和集熱溫度，為超臨界CO2布雷頓循環(huán)發(fā)電技術(shù)的發(fā)展提供了契機(jī)。超臨界CO2布雷頓循環(huán)太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的工作流程簡圖如圖7所示。

圖7 超臨界CO2布雷頓循環(huán)太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的工作流程簡圖Fig. 7 Working flow chart of solar photothermal power generation system based on S-CO2 Brayton cycle

美國能源部于2011年啟動了“SunShot”計劃，其中包括10 MW超臨界CO2發(fā)電機(jī)的研發(fā)測試，并成功于2019年通過機(jī)組性能測試，對超臨界CO2發(fā)電技術(shù)的研究開發(fā)取得了顯著成果；而我國于2018年成功研制了國內(nèi)首臺MW級CO2壓縮機(jī)。上述成果均有效推動了超臨界CO2布雷頓循環(huán)太陽能熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。

但整體超臨界CO2布雷頓循環(huán)太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的開發(fā)還將面臨很多機(jī)遇和挑戰(zhàn)。比如，在高溫集熱系統(tǒng)方面，如空氣吸熱器、顆粒吸熱器的研究開發(fā)等；在高溫傳熱和儲熱介質(zhì)方面，如高溫熔鹽、顆粒、液態(tài)金屬的研究開發(fā)等；在高效換熱器的研究方面，如印刷電路板式換熱器、顆粒換熱器的研究開發(fā)等。綜上，超臨界CO2布雷頓循環(huán)太陽能熱發(fā)電技術(shù)從理論、實踐發(fā)展到成熟應(yīng)用將有較長的一段路要走，過程中取得的成果也必將為現(xiàn)有發(fā)電技術(shù)帶來革新。

4 太陽能光熱與其他新能源聯(lián)合發(fā)電技術(shù)

近年來，新能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，裝機(jī)容量逐年攀升，尤其是太陽能發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電。目前來看，無論是太陽能發(fā)電，還是其他新能源發(fā)電，單一的新能源發(fā)電在工程應(yīng)用中都存在問題，比如風(fēng)電輸出不穩(wěn)定、太陽能熱發(fā)電成本高等，這在一定程度上限制了新能源發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。而太陽能光熱與其他新能源聯(lián)合發(fā)電可彌補(bǔ)上述部分不足，下文對太陽能光熱與其他新能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的概況進(jìn)行介紹，并重點介紹典型太陽能光熱與風(fēng)能、生物質(zhì)能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成。

4.1 典型太陽能光熱與風(fēng)能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的概況及其構(gòu)成

太陽能和風(fēng)能在資源利用上具有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，利用風(fēng)能和太陽能互補(bǔ)的發(fā)電系統(tǒng)在資源配置上可以很好地匹配[18]。太陽能光熱與風(fēng)能聯(lián)合發(fā)電可以實現(xiàn)資源上和能量上的互補(bǔ)，構(gòu)成穩(wěn)定的發(fā)電系統(tǒng)；同時由于太陽能熱發(fā)電可配置長時間的儲熱系統(tǒng)，從而可避免出現(xiàn)“棄光、棄風(fēng)”的問題，且可以使輸出的電力更加穩(wěn)定，規(guī)避對電網(wǎng)的沖擊問題，提高電網(wǎng)的安全性和可靠性。

太陽能光熱與風(fēng)能聯(lián)合發(fā)電技術(shù)主要分為2類不同的技術(shù)路線，其中一類技術(shù)路線是太陽能熱發(fā)電和風(fēng)電并行互補(bǔ)發(fā)電，另一類技術(shù)路線是太陽能熱發(fā)電和風(fēng)熱互補(bǔ)發(fā)電。下文對這2種技術(shù)路線分別進(jìn)行介紹。

4.1.1 太陽能熱發(fā)電與風(fēng)電并行互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

太陽能熱發(fā)電和風(fēng)電并行互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可根據(jù)風(fēng)能和太陽能的能量輸出特點來調(diào)節(jié)發(fā)電系統(tǒng)中風(fēng)電和太陽能熱發(fā)電的輸出，從而保證整個發(fā)電系統(tǒng)的連續(xù)性和穩(wěn)定性。某太陽能熱發(fā)電與風(fēng)電并行互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的工作流程示意圖如圖8所示[19]。

圖8 某太陽能熱發(fā)電與風(fēng)電并行互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的工作流程示意圖Fig. 8 Working flow chart of a solar thermal power and wind power parallel complementary power generation system

該太陽能熱發(fā)電與風(fēng)電并行互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)主要由3部分組成，包括太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)、風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)和協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，根據(jù)氣候環(huán)境、負(fù)載大小等變化情況，通過協(xié)調(diào)控制器對風(fēng)電機(jī)組和太陽能熱發(fā)電機(jī)組的輸出功率進(jìn)行控制，從而實現(xiàn)整個發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定輸出。

該太陽能熱發(fā)電與風(fēng)電并行互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)集成設(shè)計的主要技術(shù)特點是：1)相對于單獨的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，該并行互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的電力輸出更加穩(wěn)定、持續(xù)，規(guī)避了并網(wǎng)所帶來的電能質(zhì)量問題及對電網(wǎng)的沖擊；2)通過協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)，能同時增加太陽能熱發(fā)電機(jī)組和風(fēng)電機(jī)組的發(fā)電時間，減少“棄光、棄風(fēng)”現(xiàn)象；3)利用太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的儲熱系統(tǒng)，再結(jié)合風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，能發(fā)揮風(fēng)電成本較低的優(yōu)勢。

如何實現(xiàn)太陽能熱發(fā)電與風(fēng)電并行互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)效益最大和系統(tǒng)控制最優(yōu)是一個關(guān)鍵性問題。李偉[19]提出了并網(wǎng)型風(fēng)電和太陽能熱發(fā)電互補(bǔ)的功率協(xié)調(diào)控制策略，基于NSGA-II的分級遞階控制方法，以系統(tǒng)整體并網(wǎng)效益最大和棄風(fēng)量最小為目標(biāo)，實現(xiàn)了對互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的控制。

YO等[20]針對風(fēng)力和太陽能光熱混合發(fā)電站提出了一種基于MPC的機(jī)會約束的控制方法，通過優(yōu)化風(fēng)力輸出的比例，抑制風(fēng)電輸出的波動性，從而使混合發(fā)電站的輸出功率最大化。

CHEN等[21]提出了將帶儲能的聚光式熱發(fā)電站與風(fēng)電場相結(jié)合，以減少風(fēng)電系統(tǒng)電力輸出的不穩(wěn)定性，以風(fēng)力發(fā)電的不穩(wěn)定性、太陽能熱發(fā)電的可利用量及系統(tǒng)輸出功率的平滑性作為魯棒性優(yōu)化問題，采用一個嵌套列約束生成法與外逼近法結(jié)合的算法，使互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率波動變化量維持在合理范圍內(nèi)。

目前，國內(nèi)外對太陽能熱發(fā)電與風(fēng)電并行互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)控制優(yōu)化的研究大部分都是針對某單一目標(biāo)。由于互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)影響因素較多且需滿足電網(wǎng)負(fù)荷變化的要求，不能真實反映出互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的實際運行性能，因此，發(fā)展一種能夠滿足實際運行和并網(wǎng)調(diào)度需求、保證系統(tǒng)輸出穩(wěn)定且能夠?qū)崿F(xiàn)效益最大化的優(yōu)化模型對太陽能熱發(fā)電與風(fēng)電并行互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的實際應(yīng)用具有較大意義。

4.1.2 太陽能熱發(fā)電與風(fēng)熱互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

風(fēng)熱系統(tǒng)是指將風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的電能轉(zhuǎn)化成熱能的裝置系統(tǒng)，包括風(fēng)電機(jī)組與阻性負(fù)載這2部分，由于阻性負(fù)載對電能質(zhì)量的要求相對較低，風(fēng)電機(jī)組中一些確保電能輸出質(zhì)量的電子器件可省略。太陽能熱發(fā)電與風(fēng)熱互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)是通過風(fēng)熱系統(tǒng)得到熱能，然后補(bǔ)充至太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，利用太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)穩(wěn)定輸出電能。

根據(jù)風(fēng)熱系統(tǒng)耦合到太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)位置的不同，可以實現(xiàn)不同的組合方式，包括：1)利用風(fēng)熱系統(tǒng)中的加熱裝置直接加熱太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)儲罐內(nèi)的熔鹽；2)風(fēng)熱系統(tǒng)與太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的集熱器并聯(lián)，直接加熱傳熱介質(zhì)，如熔鹽、導(dǎo)熱油等；3)利用風(fēng)熱系統(tǒng)加熱或過熱蒸發(fā)器中的水蒸氣；4)利用風(fēng)熱系統(tǒng)對蒸汽汽輪機(jī)高壓缸出口的蒸汽進(jìn)行二次加熱；5)利用風(fēng)熱系統(tǒng)加熱換熱器中的給水，其相當(dāng)于常規(guī)島中的高壓和低壓加熱器。

太陽能熱發(fā)電與風(fēng)熱互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)特點主要包括：

1)相較于傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)的間歇性和波動性對電網(wǎng)的沖擊，采用太陽能熱發(fā)電和風(fēng)熱互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)電力的穩(wěn)定輸出；

2)由于熱負(fù)荷對電能質(zhì)量要求較低，可省去控制電能質(zhì)量的電子器件，使互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)更加簡單，可靠性更強(qiáng)；

3)相較于太陽能熱發(fā)電與風(fēng)電并行互補(bǔ)發(fā)電的技術(shù)路線，采用太陽能熱發(fā)電和風(fēng)熱互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)的協(xié)調(diào)控制難度較小，系統(tǒng)更可靠、穩(wěn)定；但該系統(tǒng)可能存在風(fēng)能經(jīng)過電能-熱能-電能的轉(zhuǎn)化后，系統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電效率較低的問題。

徐歡等[22]根據(jù)風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)容量的大小提出了3種不同的太陽能熱發(fā)電與風(fēng)熱的結(jié)合方案，分析了風(fēng)能和太陽能在時間緯度的互補(bǔ)性，并對太陽能熱發(fā)電與風(fēng)熱互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的成本進(jìn)行了估計，驗證了互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的可行性和優(yōu)勢。

張鵬等[23]介紹了一種新型的風(fēng)力-太陽能光熱互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)，結(jié)合了風(fēng)力發(fā)電與太陽能熱發(fā)電并行及風(fēng)熱系統(tǒng)，充分利用了太陽能熱發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的特點，實現(xiàn)了風(fēng)電和太陽能熱發(fā)電利用率的最大化，并對該互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了簡單分析。

丁路等[24]提出了一種太陽能與風(fēng)能互補(bǔ)型熱、電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，利用風(fēng)力發(fā)電直接加熱蓄熱罐內(nèi)的水工質(zhì)，實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)的目的。

對于單純將太陽能熱發(fā)電與風(fēng)熱結(jié)合的互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，受限于汽輪機(jī)的效率，整個系統(tǒng)的發(fā)電效率較低，經(jīng)濟(jì)性差；而采用太陽能熱發(fā)電與風(fēng)電并行結(jié)合風(fēng)熱系統(tǒng)的互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可以保證整個系統(tǒng)的穩(wěn)定輸出，且兩者具有一定的互補(bǔ)性，但經(jīng)濟(jì)性尚需進(jìn)一步分析。

4.2 典型太陽能光熱與生物質(zhì)能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)的概況及其構(gòu)成

采用生物質(zhì)能與太陽能光熱聯(lián)合發(fā)電，需充分考慮擬建項目所在地的太陽能資源和農(nóng)業(yè)生產(chǎn)情況。目前生物質(zhì)能發(fā)電技術(shù)主要分為2大類，即生物質(zhì)直燃發(fā)電技術(shù)、生物質(zhì)氣化發(fā)電技術(shù)。

根據(jù)生物質(zhì)能的利用方式，可將太陽能光熱與生物質(zhì)能聯(lián)合發(fā)電的技術(shù)路線分成2類，一類是將太陽能熱發(fā)電與生物質(zhì)直燃發(fā)電技術(shù)相結(jié)合，即太陽能熱發(fā)電與生物質(zhì)能熱利用互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，如生物質(zhì)鍋爐與太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合；另一類是基于集成生物質(zhì)氣化的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)結(jié)合太陽能光熱，實現(xiàn)太陽能光熱與生物質(zhì)能的熱化學(xué)互補(bǔ)聯(lián)合發(fā)電。下文對這2類技術(shù)路線分別進(jìn)行介紹。

4.2.1 太陽能熱發(fā)電與生物質(zhì)能熱利用互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

實現(xiàn)生物質(zhì)直燃發(fā)電技術(shù)的主要設(shè)備是生物質(zhì)鍋爐。根據(jù)生物質(zhì)鍋爐與太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)耦合位置的不同，可以實現(xiàn)3種不同的組合方式，分別為：

1)太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)與生物質(zhì)鍋爐并行，共用汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組及相關(guān)熱力設(shè)備。該組合方式典型的技術(shù)路線如圖9所示[25]。

圖9 太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)與生物質(zhì)鍋爐并行的典型技術(shù)路線示意圖Fig. 9 Schematic diagram of typical technical route for parallel operation of solar thermal power generation system and biomass boiler

2)利用生物質(zhì)鍋爐加熱或再熱太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的蒸汽，提高電站整體的發(fā)電效率，實現(xiàn)穩(wěn)定的電力輸出。該組合方式典型的技術(shù)路線如圖10所示[26]。

圖10 利用生物質(zhì)鍋爐加熱太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的蒸汽的典型技術(shù)路線示意圖Fig. 10 Schematic diagram of typical technology route for using biomass boiler to heat steam produced by solar thermal power generation system

3)利用生物質(zhì)鍋爐加熱傳熱介質(zhì)或蓄熱介質(zhì)，如導(dǎo)熱油、熔鹽等，保證傳熱或蓄熱介質(zhì)的輸出量，實現(xiàn)整體的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)電。該組合方式典型的技術(shù)路線如圖11所示。

圖11 利用生物質(zhì)鍋爐加熱傳熱介質(zhì)的典型技術(shù)路線示意圖Fig. 11 Schematic diagram of typical technical route for heating heat transfer medium with biomass boiler

太陽能熱發(fā)電與生物質(zhì)能熱利用互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的主要優(yōu)勢包括：1)相較于傳統(tǒng)的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電小時數(shù)增加了，電力輸出更為持續(xù)、穩(wěn)定；2)生物質(zhì)鍋爐可取代儲熱系統(tǒng)，降低了儲熱系統(tǒng)的高成本投入；3)相較于獨立的生物質(zhì)發(fā)電站，互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)降低了依賴生物質(zhì)供應(yīng)的風(fēng)險。

王金鵬等[25]介紹了一種生物質(zhì)能與太陽能光熱聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，共用汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組及相關(guān)熱力設(shè)備，可保證電力的持續(xù)穩(wěn)定輸出，并分析了太陽能光熱與生物質(zhì)能聯(lián)合發(fā)電的先決條件。周鵬[26]提出了一種太陽能與生物質(zhì)能互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)，將槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)與生物質(zhì)直燃發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合，太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的蒸汽由生物質(zhì)鍋爐進(jìn)一步加熱至535 ℃生成高溫高壓蒸汽；其還討論了在太陽能取代汽輪機(jī)抽汽情況下的熱力學(xué)性能，并比較分析了系統(tǒng)在太陽能資源不穩(wěn)定條件下的調(diào)控方法。

盡管太陽能熱發(fā)電與生物質(zhì)能熱利用互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)實施的可行性較高，但該系統(tǒng)的設(shè)計需充分考慮當(dāng)?shù)靥柲苜Y源及生物質(zhì)能的分布情況，達(dá)到合理配置，以保證整體系統(tǒng)運行的效益。

4.2.2 太陽能光熱與生物質(zhì)能熱化學(xué)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)

目前，熱功轉(zhuǎn)換效率最高的化石燃料發(fā)電系統(tǒng)是燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)，國內(nèi)外對太陽能光熱集成到聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中的研究較多。而相較于天然氣這一化石能源，生物質(zhì)氣化制備成的合成氣更清潔，燃燒時污染物排放更少。

白章[27]構(gòu)建了2種不同類型的太陽能光熱和生物質(zhì)能聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。一種是熱化學(xué)互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)方案，利用太陽能熱發(fā)電驅(qū)動生物質(zhì)氣化的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)(即SGCC方案)；另一種是熱集成互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)方案，利用太陽能加熱壓縮空氣的生物質(zhì)氣化聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)(即SHCC方案)。2種不同類型聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)的工作流程圖如圖12所示。該研究表明，采用熱化學(xué)互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)方案的系統(tǒng)的年均凈發(fā)電效率更高，可達(dá)到18.49%。

采用太陽能光熱與生物質(zhì)能熱化學(xué)互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)能夠提升太陽能的能量品位，并可以實現(xiàn)生物質(zhì)能的高效利用，對提高互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的整體經(jīng)濟(jì)性有著重要的意義。

5 結(jié)論

太陽能熱利用技術(shù)涉及的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，本文重點介紹了太陽能熱利用在太陽能海水淡化，太陽能供熱、換熱制冷，太陽能熱發(fā)電，以及太陽能與其他新能源聯(lián)合發(fā)電這4個方向的應(yīng)用，得出以下結(jié)論：

1)太陽能海水淡化雖具備較大的能源優(yōu)勢，但仍存在制水成本高、投資大、回收慢等問題，需加強(qiáng)對高效率換熱系統(tǒng)、耐壓半透膜等主要部件的研究；并回收利用余熱以提高系統(tǒng)整體效率，降低投資成本。

2)太陽能供熱和制冷系統(tǒng)的聯(lián)合開發(fā)較單一系統(tǒng)具備較高的效率提升，對降低成本和規(guī)?；瘧?yīng)用起到積極作用，該技術(shù)有望在新農(nóng)村建設(shè)中得到推廣應(yīng)用。

3)近年來，太陽能熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展得到了一定推廣，但也面臨著短期難以解決的問題，比如新能源消耗能力的不足和外送通道建設(shè)滯后導(dǎo)致的“棄光限電”、目前太陽能熱發(fā)電技術(shù)成本較高等。相信隨著技術(shù)進(jìn)步和相應(yīng)政策的扶持，太陽能熱發(fā)電技術(shù)會逐漸走向更健康的發(fā)展道路。

總之，從以上技術(shù)的發(fā)展過程可以看出，太陽能熱利用技術(shù)正向低成本、高效能的方向邁進(jìn)，通過不斷提高系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備的性能，將太陽能與其他新能源系統(tǒng)進(jìn)行結(jié)合互補(bǔ)，實現(xiàn)系統(tǒng)的有機(jī)集成，共同推進(jìn)太陽能熱利用的規(guī)?；蜕虡I(yè)化。