为了解决能源短缺、资源枯竭、环境污染等问题,世界各国竞相开展清洁和可再生能源的应用研究。尤其是太阳能的应用研究最为广泛。太阳能作为一种洁净的、取之不尽的能源,在能源结构中所占的比例将会越来越大。太阳能发电种类很多,目前,较为成熟的有太阳能光伏发电和太阳能热发电。

太阳能热发电系统由集热系统、热传输系统、蓄热贮能系统、热机、发电机等组成。集热系统聚集太阳能后,经过热传输系统将聚集的太阳热能,传给热机,由热机产生动力,带动发电机来发电,整个系统的热源来自于太阳能,所以称之为太阳能热发电系统。

太阳能热发电不仅可以发出电力,还可以同时实现供热、制冷,构成热、电、冷联产。

太阳能热发电通常叫做聚光式太阳能发电(Concentrating Solar Power,简称CSP),当前太阳能热发电按照太阳能采集方式可划分为太阳能槽式热发电、太阳能塔式热发电、太阳能碟式热发电和太阳能线性菲涅尔式热发电等四种类型。这四种太阳能热发电系统的工作介质的温度是不同的,它们除了用于发电以外,还可以用于其他热利用方面,见图1。本文主要介绍上述四种类型的太阳能热发电技术。

太阳能发电站只能在白天从太阳光中获得能量,但是电网能源的需求却是随时间的不同而变化的,而且电站涡轮机不能连续不断地停启。为了解决这一问题,可以将太阳热能收集在熔融硝酸盐混合物中,储存在大约400℃(有时候甚至达到500℃)的大储罐里,到晚上的时候使用。这种技术称为熔融盐储能技术(熔融盐简称熔盐)。

熔盐储能技术是目前国际上主流的高温蓄热技术之一,具有成本低、热容高、安全性好等优点,已在西班牙等国的太阳能光热发电中得到了实际应用。

1   太阳能热发电的原理

太阳能热发电系统的原理如图2所示。从图中可以看出,太阳能热发电系统主要由太阳能集热场、传热工质加热、高温高压蒸汽发生器、汽轮机、热循环和储热等几部分组成。太阳能热发电,是利用一组排列有序的大规模采光镜面(即图2中的太阳能集热场)采集太阳热能,通过换热装置产生蒸汽,驱动传统的汽轮发电机来发电。图2中的锅炉所产生热蒸汽在许多工业领域获得利用(见图1)。储热系统是将热能储存起来,再无日光照射时,释放热能驱动汽轮发电机发电。与光伏发电相比,太阳能热发电没有生产太阳能电池带来的高能耗、高污染问题,设备生产过程清洁、发电规模效益好。在太阳光短缺的时候,太阳能热发电的储能系统还可以维持电站2～3天正常运行,易于保持输出电流的稳定性,也容易解决并网问题,这是风力发电和光伏发电所不具备的优势。

图1  太阳能热发电系统除了用于发电以外,还可以用于其他热利用方面

根据集热方式不同,太阳能热发电分为点聚焦和线聚焦两种方式。点聚焦以塔式和碟式为代表,是将大量反射镜排列成矩阵,把太阳光聚集到一个点上,使温度提升至近1000℃(高温);线聚焦以槽式和菲涅尔式为代表,是将大量反射镜排列为一行,把太阳光聚集到一条直线上,使温度提升至300～400℃(中高温)。目前,槽式技术相对成熟、应用最为广泛;塔式效率提升与成本下降潜力最大;菲涅尔式适合以低造价构建小型系统,而碟式效率最高、便于模块化部署。下面重点介绍槽式、菲涅尔式、塔式和碟式四种太阳能热发电系统。

图2  太阳能热发电系统的原理图