2.3　光熱發電

2.3.1　光熱發電的原理

光熱發電主要利用大規模陣列鏡面聚焦采集太陽直射光，通過加熱介質，將太陽能轉化為熱能，然后利用傳統的熱力循環過程形成高溫高壓水蒸氣推動汽輪機發電機組工作，達到發電的目的。光熱發電涉及光、熱、電之間的轉換，包括光的捕獲與轉換過程、熱量的吸收與傳遞過程、熱量儲存與交換過程、熱電轉換過程等，光熱發電系統結構如圖2-25所示。

光熱發電產生的是和傳統火電一樣的交流電，與現有電網匹配性好，可直接上網。為彌補發電的間歇性，光熱發電需要配置儲熱系統。白天，光熱發電站的集熱系統直接驅動汽輪機發電，同時把部分熱量儲存在儲熱系統中；晚上，再利用儲熱發電。

2.3.2　光熱發電的類型

按太陽能采集方式劃分，世界上主流的光熱發電技術形式有槽式、線性菲涅爾式、塔式和碟式。

2.3.2.1　槽式與線性菲涅爾式光熱發電

槽式光熱發電系統主要由數百行拋物面聚光槽、真空集熱管構成的太陽能集熱場，以及一套傳統的汽輪發電機組組成，如圖2-26所示。拋物面聚光槽通過單軸跟蹤裝置將太陽光準確反射到焦線處的真空集熱管上，將管內傳熱介質加熱，然后高溫傳熱介質通過熱交換器產生高溫高壓蒸汽驅動汽輪發電機組發電。槽式光熱發電系統還可配置儲熱系統，通過儲熱介質將太陽能以熱能的形式儲存起來，需要時再釋放熱量用于發電。

線性菲涅爾式光熱發電系統是在槽式光熱發電系統的基礎上發展起來的。它與槽式光熱發電系統的不同之處在于：

（1）線性菲涅爾式光熱發電系統的鏡面是平面，且鏡面較小，與槽式的曲面鏡相比，易加工，成本較低。

（2）線性菲涅爾式光熱發電系統的每面鏡條都自動跟蹤太陽，相互之間可用聯動控制，控制成本比槽式光熱發電系統低。

（3）線性菲涅爾式光熱發電系統采用緊湊密排的方式，鏡場之間的光線遮擋較小，場地利用率高。

（4）線性菲涅爾式光熱發電系統不但可聚集直射光，還可以聚集部分散射光，聚光比高于相同場地的槽式光熱發電系統，一般為50～100。

2.3.2.2　塔式光熱發電

塔式光熱發電系統包括定日鏡、中央集熱塔、儲熱系統以及汽輪發電機組等部分，如圖2-27所示。定日鏡分布安裝在中央集熱塔周圍，系統通過對定日鏡的控制，實現對太陽的最佳跟蹤，將太陽光聚焦到中央集熱塔頂的吸收器，在其腔體內產生高溫，使傳熱介質受熱升溫，進入蒸汽發生器產生蒸汽，最終驅動汽輪發電機組進行發電。塔式光熱發電系統可以用水、空氣或熔融鹽作為傳熱介質。塔式光熱發電系統也可配置儲熱系統。

2.3.2.3　碟式光熱發電

碟式光熱發電系統由碟形反射鏡、接收器和發電機組成，如圖2-28所示。利用旋轉拋物面的碟式反射鏡將太陽光聚焦到一個焦點，接收器在拋物面的焦點上，接收器內的傳熱介質被加熱到高溫，驅動熱機運轉，并帶動發電機發電，一般在焦點處安裝斯特林發電機。和槽式光熱發電系統一樣，碟式光熱發電系統的太陽能接收器也不固定，隨著碟形反射鏡跟蹤太陽的運動而運動，克服了塔式光熱發電系統較大余弦效應引起的損失問題，光熱轉換效率大大提高。和槽式光熱發電系統不同的是，碟形反射鏡將太陽聚焦于旋轉拋物面的焦點上，而槽式反射鏡則將太陽聚焦于圓柱拋物面的焦線上。

上述3種光熱發電系統各有優缺點，其主要的性能參數比較見表2-1。

2.3.3　光熱發電系統的構成

光熱發電系統由聚光系統、集熱系統、儲熱系統和發電系統等組成。

2.3.3.1　聚光系統

聚光系統是影響聚光效率的關鍵部件。太陽并非一個點光源，而是有一定直徑的盤面，太陽光到達地球時的張角約為0.54°，近似于平行光。如果入射光是嚴格的平行光，將被拋物面聚光器聚焦成一條幾何意義的光線。因盤面效應的影響，實際聚焦形成的是一條光斑帶，其寬度隨聚光器焦距的增大而增大，且實際光斑和理想聚焦成像光斑之間還存在像差。聚光器主要有槽式、塔式和碟式等不同形式，收集太陽能對聚光器的精度要求很高。

拋物槽式聚光系統的光學結構簡單，需要設計的幾何參數包括聚光鏡口徑、焦距、邊緣角等，在設計中需要考慮的性能參數包括聚光比、光斑溢出損失等。槽式聚光鏡經過了幾代的發展，其口徑、焦距、邊緣角等參數不斷加大。早期LIEBI的口徑為0.56m，焦距為0.24m；目前RP4的口徑為6.78m，焦距為1.71m。槽式聚光鏡尺寸演變如圖2-29所示。利用光學設計軟件如Zemax、Tracepro、ASAP等可對拋物槽式聚光系統進行建模，并借助MATLAB對聚光系統進行蒙特卡羅光線追跡，分析聚光系統的光學性能，最終確定聚光結構。拋物柱面聚光鏡目前多采用4mm厚的熱彎玻璃并在背面鍍銀反射膜及多層保護膜，也可在基底材料上粘貼薄玻璃反射鏡或高反射耐候性薄膜。

碟式聚光系統的光學結構簡單，設計方法與槽式聚光系統相似。聚光鏡的制作關鍵在于面形精度的控制。制作方法主要有兩種：一種是采用小尺寸的曲面鏡進行拼接；另一種是在基底材料上粘貼薄的鍍銀玻璃反射鏡或高反射耐候性薄膜。

塔式聚光系統利用定日鏡群，將陽光聚焦到位于高塔上的集熱器。其光學結構比較復雜，在設計中需要考慮定日鏡和鏡場兩部分。定日鏡的面形有平面和曲面兩種，平面定日鏡加工裝調簡單，成本低，由于對光線無匯聚作用，定日鏡尺寸一般較小，以保證較小的鏡場光斑。曲面定日鏡加工裝調較困難，成本高，但聚光性能較好，定日鏡可以做得很大。定日鏡的光學設計主要在于面形設計，可采用光學設計軟件如Zemax，設計過程比較簡單。在聚光過程中陽光的入射角變化范圍較大，球面或其他旋轉曲面存在較大的像散，致使定日鏡的光斑較大，不利于吸熱器的接收。采用可校正像散的輪胎面聚光鏡可減小光斑的變化，提高聚光性能，但缺點是加工裝調比較困難，制作工藝還需驗證。目前，平面定日鏡多采用厚4mm的鍍銀玻璃反射鏡，曲面定日鏡則在曲面基底上粘貼薄的鍍銀玻璃反射鏡或反射膜，曲面基底材料可以是玻璃鋼或不銹鋼等。鏡場設計是通過優化鏡場的結構參數，設計出成本低、年聚光效率高的鏡場布置，設計過程比較復雜，需要編制專用的設計軟件。鏡場的結構參數包括地理緯度、定日鏡尺寸及數量、定日鏡的布置方式及間距、吸熱器位置及傾斜角度等，需要在設計中考慮的性能參數包括鏡場的余弦效率、相鄰定日鏡間的陰影擋光損失、大氣對會聚光束的吸收散射損失、光斑在吸熱器上的溢出損失等。鏡場的設計軟件主要有HELIOS、DELSOL3、HFLCAL、Win DELSOL1.0、SENSOL等，國內的鏡場優化設計軟件有HFLD1.0，已用于北京延慶1MW塔式電站的鏡場設計與性能分析中。

拋物面聚光器只能收集直射光線，利用跟蹤裝置可以使系統截獲更多的太陽輻射。用于光熱發電的跟蹤方式按照入射光和主光軸的位置關系可分為雙軸跟蹤和單軸跟蹤。雙軸跟蹤是根據太陽高度和赤緯角的變化情況而設計的，它具有最理想的光學性能，是最好的跟蹤方式，能夠使入射光與主光軸方向一致，獲得最多的太陽能。但此種設備結構復雜，制造和維修成本高，性價比不如單軸跟蹤好。單軸跟蹤型只要求入射光線位于含有主光軸和焦線的平面，且結構簡單，實際生產中在跟蹤精度要求不高或陽光充裕的地方一般優先考慮單軸跟蹤。按焦線位置的不同，單軸跟蹤分為南北地軸式、南北水平式和東西水平式3種?？傊?，采用何種方式是一個性價比問題，要根據實際應用來選擇不同的跟蹤方式。一般的槽式熱電系統都采用單軸跟蹤方式使拋物面對稱平面圍繞南北方向的縱軸轉動，與太陽照射方向始終保持0.04°夾角，以便在任何情況下都能有效反射太陽光。雖然對太陽光跟蹤系統的研究已經進行了幾十年，然而目前的聚光跟蹤系統仍存在結構復雜、跟蹤成本高、聚光效率低的問題。3種光熱發電技術的聚光系統見表2-2。

2.3.3.2　集熱系統

集熱系統是影響熱吸收效率的關鍵部件。目前用于光熱發電的集熱系統主要有真空集熱管和腔體吸收器兩種。

真空集熱管由一根表面有選擇性吸收涂層的金屬管（吸收管），以及外套的一根同心玻璃套管組成，如圖2-30所示。玻璃套管與金屬管（通過可伐過渡）密封連接；玻璃套管與金屬管夾層內抽真空，以保護金屬管表面的選擇性吸收涂層，同時減少集熱損失。真空集熱管主要用于短焦距拋物面聚光器，能夠增大吸收面積，降低光照面上的熱流密度，從而有效減少熱損失。

腔體吸收器的結構為一槽形腔體，外表面覆隔熱材料，利用腔體的黑體效應，可充分吸收聚焦后的陽光。與真空集熱管相比，腔體吸收器具有較低的直射能流密度，且腔體壁溫較均勻，熱性能穩定，集熱效率高，無需光學選擇性涂層，只需傳統的材料和加工工藝，成本低且便于維護。但光學效用不如真空集熱管好，在太陽能的中、低溫利用中，兩者的效率有一個相交值，腔體吸收器適合于中、高溫工況下運行。

在選擇集熱系統時要根據具體情況選擇不同類型的集熱裝置。

2.3.3.3　儲熱系統

儲熱系統可分為熱罐—冷罐雙罐儲熱方式和斜溫層單罐儲熱方式兩種，其中雙罐儲熱是目前技術上較成熟的儲熱方式；單罐儲熱結構較復雜，但可以降低系統的儲熱成本。在光熱發電系統中應用的儲熱材料有空氣、水/水蒸氣、油/巖石、合金、導熱油、熔融鹽、陶瓷、混凝土等。下面以熔融鹽、高溫混凝土、合金為例加以說明。

1.熔融鹽

熔融鹽的熔點符合熱動力循環溫度要求，具有較低的飽和蒸汽壓，價格相對低廉且易獲得，是一種理想的蓄熱材料，不管是槽式光熱發電還是塔式光熱發電，熔融鹽蓄熱技術都被看作是一種先進的蓄熱技術，它對于提高系統發電效率，提高系統發電穩定性和可靠性具有重要意義。與導熱油（使用溫度不超過400℃）相比，熔融鹽的溫度極限可以為450～600℃，有利于提高發電效率和降低成本。熔融鹽的選取原則主要有：熔融鹽的凝固點要低，運動黏度要合適，高溫時（500℃）化學性能穩定，對容器的腐蝕小、成本低。一般鋰鹽的成本最高，其次是鉀鹽，再次是鈉鹽，最低的是鈣鹽。

目前應用于光熱發電系統的熔融鹽也存在不少缺點，主要是凝固點高，容易凝固阻塞管道，維護成本較高。熔融鹽的腐蝕性和高溫下的化學穩定性也是其應用于集中式光熱發電系統的限制因素。

2.高溫混凝土

高溫混凝土儲熱系統的概念是1988—1992年提出的，直到1994年德國宇航中心（DLR）在太陽能與氫能研究中心（ZSW）才完成了2個小型實驗系統的測試。2003—2004年完成第一代高溫混凝土儲能系統的測試，2008—2009年完成第二代高溫混凝土儲能系統的測試。表2-3為DLR研制的高溫混凝土與澆鑄陶瓷的性能。

高溫混凝土的不足之處在于，由于其是顯熱固體儲熱，其儲熱密度和導熱系數較小，系統占地面積較大。

3.合金

Al-Si合金相變儲熱材料有儲能密度大、儲熱溫度高、熱穩定性好、導熱系數好、相變時過冷度小、相偏析小、性價比良好等特點。Al-Si合金的一些熱物理性能可參考如下參數：熔點852K、熔融潛熱515kJ/kg、固相比熱容1.49kJ/（kg·K）、液相導熱系數70W/（m·K）、固相導熱系數180W/（m·K）、固相密度2250kg/m3（Si的質量分數不同，數值將不同）。其他一些金屬合金的熔點和潛熱見表2-4。

綜上，導熱油成本較高，儲熱溫度低于420℃，但對管道、閥門、泵設施要求低；熔融鹽成本低，儲熱溫度可達560℃，但具有腐蝕性，對輔助設施要求高，增加了系統的成本；混凝土價格最低，儲熱密度較高，但放熱緩慢，熱交換系數低；合金儲能密度大，相應的儲熱設備體積小，但也存在高溫腐蝕嚴重的問題。因此，需降低儲熱介質和系統成本，改善材料的導熱、換熱效率、穩定性等物性參數，提高材料的儲熱和放熱性能。

2.3.3.4　發電系統

光熱發電所用汽輪發電機組因其能量源于具有間歇性、波動性的太陽能，其性能要求稍高于傳統汽輪發電機組。首先，目前大多數光熱電站還未實現全天24h持續發電，一般汽輪發電機組在每天早晨開始啟動運轉，到晚間無熱源時關?；蛲ㄟ^其他燃料補燃進行低負荷運轉。為此，光熱發電用汽輪發電機組需滿足每天至少一次的頻繁啟動要求，并盡可能地縮短每次啟動的時間，以在有限發電小時數內更快速地達到額定發電功率，獲得更多發電量。此外，太陽光照資源波動性直接影響蒸汽的各項參數，汽輪發電機組還需要適應這種頻繁的工質參數變化。綜上，光熱發電用汽輪發電機組的特點是：熱啟動迅速，可靠性高，啟動頻率滿足每天至少啟動一次，使用壽命超過30年。