一文看懂太陽能光熱發電原理及分類

　　什麼是太陽能光熱發電

　　太陽能光熱發電是指利用大規模陣列拋物或碟形鏡面收集太陽熱能，通過換熱裝置提供蒸汽，結合傳統汽輪發電機的工藝，從而達到發電的目的。

　　採用太陽能光熱發電技術，避免了昂貴的矽晶光電轉換工藝，可以大大降低太陽能發電的成本。而且，這種形式的太陽能利用還有一個其他形式的太陽能轉換所無法比擬的優勢，即太陽能所燒熱的水可以儲存在巨大的容器中，在太陽落山後幾個小時仍然能夠帶動汽輪發電。

　　光熱發電原理

　　光熱發電技術，是不同於光伏發電的全新的新能源應用技術。它是一個將太陽能轉化為熱能，再將熱能轉化為電能的過程。利用聚光鏡等聚熱器採集的太陽熱能，將傳熱介質加熱到幾百度的高溫，傳熱介質經過換熱器後產生高溫蒸汽，從而帶動汽輪機產生電能。此處的傳熱介質多為導熱油與熔鹽。通常我們將整個的光熱發電系統分成四部分：集熱系統、熱傳輸系統、蓄熱與熱交換系統、發電系統。

　　集熱系統：集熱系統包括聚光裝置、接收器、跟蹤機構等部件。如果說集熱系統是整個光熱發電的核心，那麼聚光裝置就是集熱系統的核心。聚光裝置即為聚光鏡或者定日鏡等。其反射率、焦點偏差等均能影響發電效率。目前國內生產的聚光鏡，效率可以達到94%，與國外生產的聚光鏡效率相差不大。集熱系統採集太陽能，將太陽能轉化為熱能。

　　熱傳輸系統：熱傳輸系統主要是傳輸集熱系統收集起來的熱能。利用傳熱介質將熱能輸送給蓄熱系統。傳熱介質多為導熱油和熔鹽。理論上，熔鹽比導熱油溫度高，發電效率大，也更安全。熱傳輸系統一般有預熱器、蒸汽發生器、過熱器和再熱器等組成。熱傳輸系統的基本要求是：傳熱管道損耗小、輸送傳熱介質的泵功率小、熱量傳輸的成本低。在熱傳輸過程中，傳熱管道越短，熱損耗就越小。

　　蓄熱與熱交換系統：個人認為，光熱發電技術在蓄熱與熱交換系統中充分體現了對比光伏發電技術的優勢。即將太陽熱能儲存起來。可以在夜間發電，也可以根據當地的用電負荷，適應電網調度發電。蓄熱裝置常由真空絕熱或以絕熱材料包覆的蓄熱器構成。蓄熱系統中對儲熱介質的要求為：儲能密度大，來源豐富且價格低廉，性能穩定，無腐蝕性，安全性好，傳熱面積大，熱交換器導熱性能好，儲熱介質具有較好的黏性。目前我國正在研究蓄熱的各種新技術新材料，更有專家提出用陶瓷等價格低廉的固體蓄熱，以達到降低發電成本的效果。

　　發電系統：用於太陽能熱發電系統的發電機有汽輪機、燃氣輪機、低沸點工質汽輪機、斯特林發電機等。這些發電裝置，可根據汽輪機入口熱能的溫度等級及熱量、蒸汽壓力等情況進行選擇。對於大型光熱發電系統，由於其溫度等級與火力發電系統基本相同，可選用常規的汽輪機；工作溫度在800℃以上時，可選用燃氣輪機；對於小功率或者低溫的太陽能發電系統，則可選用低沸點工質汽輪機或斯特林發動機。目前使用的汽輪機，空冷居多。雖然光熱技術的發電系統類似於火力發電系統，但是還是有一定的區別，這樣就要要求汽輪機具有頻繁啟停、快速啟動、低負荷運行、高效性等特點。

　　太陽能光熱發電分類

　　依照聚焦方式及結構的不同，光熱技術可以分為塔式、槽式、碟式、菲涅爾式四種。

　　1、塔式發電系統

　　塔式發電系統為點式聚焦系統，其利用大規模的定日鏡形成的定日鏡場陣列，將太陽輻射反射到置於高塔頂部的吸熱器上，加熱傳熱介質，使其直接產生蒸汽或者換熱後再產生蒸汽，以此驅動汽輪機發電。塔式系統具有熱傳遞路程短、熱損耗小、聚光比和溫度較高等優點，但塔式系統必須規模化利用，佔地要求高，單次投資較大，採用雙軸跟蹤系統，鏡場的控制系統較為複雜。

　　2、槽式發電系統

　　槽式太陽能熱發電系統全稱為槽式拋物面反射鏡太陽能熱發電系統，是將多個槽型拋物面聚光集熱器經過串並聯的排列，加熱工質，產生過熱蒸汽，驅動汽輪機發電機組發電。

　　3、碟式系統

　　碟式系統也是點式聚焦系統，它應該是太陽能熱發電系統是世界上最早出現的太陽能光熱發電系統了。碟式系統也稱為拋物面反射鏡斯特林系統，是由許多鏡子組成的拋物面反射鏡組成，接收在拋物面的焦點上，接收器內的傳熱介質被加熱後，驅動斯特林發動機進行發電。碟式系統的聚光比非常高，從幾百至上千都可達到，聚焦溫度甚至可以達到1000℃以上，效率較高，對於地面坡度要求也更為靈活。但成本上還缺少優勢，技術上也有待於完善。碟式系統較適用於邊遠地區獨立電站。可以單臺使用或多臺並聯使用，適宜小規模發電。

　　4、菲涅爾式發電系統

　　菲涅爾式發電系統的工作原理類似槽式光熱發電，只是採用菲涅爾結構的聚光鏡來替代拋面鏡。這使得它的成本相對來說低廉，但效率也相應降低。

　　此類系統由於聚光倍數只有數十倍，因此加熱的水蒸氣質量不高，使整個系統的年發電效率僅能達到10%左右；但由於系統結構簡單、直接使用導熱介質產生蒸汽等特點，其建設和維護成本也相對較低。

　　光熱發電的優點

　　1、電能質量優良，可直接無障礙併網。

　　太陽能光熱發電與常規化石能源在熱力發電上原理相同，都是通過Rankine循環、Brayton循環或Stirling循環將熱能轉換為電能，直接輸出交流電，不必像光伏或風電一樣還需要逆變器轉換，電量傳輸技術相對較為成熟，穩定性高，因此更方便與目前國內的電網對接，且電力品質好。

　　2、可儲能，可調峰，實現連續發電。

　　電網的負荷曲線形狀在白天與太陽能發電自然曲線相似，上午負荷隨時間上升，下午隨時間下降，因此太陽能發電是天然的電網調峰負荷，可根據電網白天和晚上的最大負荷差確定負荷比例，一般可佔10-20%的比例；

　　受益於熱能的易儲存性，所有太陽能光熱發電電站都有一定程度的調峰、調度能力，即通過熱的轉換實現發電的緩衝和平滑，並可應對太陽能短暫的不穩定狀況；

　　儲能是可再生能源發展的一大瓶頸，實踐證明儲熱的效率和經濟性顯著優於儲電和抽水蓄能。配備專門蓄熱裝置的太陽能光熱發電電站，不僅在啟動時和少雲到多雲狀態時可以補充能量，保證機組的穩定運行，甚至可以實現日落後24小時不間斷髮電，同時可根據負載、電網需求進行電力調峰、調度。

　　3、規模效應下成本優勢突出。

　　因熱電轉換環節與火電相同，太陽能光熱發電也與火電同樣具備顯著的規模效應，優於風電和光伏等。隨著技術進步和產業規模擴大，太陽能光熱發電的成本將很快接近甚至低於傳統化石能源發電成本。

　　4、清潔無汙染，助力碳減排。

　　光伏儘管是清潔發電，但矽片生產環節卻高耗能高汙染，而太陽能光熱發電不需要提煉重金屬、稀有金屬和矽，生產與發電環節均無汙染，是真正的清潔能源。

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　　太陽能光熱發展現狀

　　近年來，國家不斷發布太陽能光熱利用相關支持政策，並將太陽能光熱產業列入國家七大戰略性新興產業之一，為加快太陽能光熱的研究與開發，國內成立了國家太陽能光熱產業技術創新戰略聯盟，充分利用中科院、上海交大、設計院等研究機構以及國內龍頭企業的技術優勢，開展產學研合作，發展太陽能光熱產業。我國現有太陽能光熱企業3000多家，其中規模化企業不超過20家，中型企業約106家，小型企業2000多家，規模化企業市場佔有份額約為40%。從太陽能光熱產品市場佔有率來看，真空管集熱器的市場佔有率約為80%，平板集熱器的市場佔有率約為20%。

　　日前，國家發展改革委出臺《關於太陽能熱發電標杆上網電價政策的通知》（以下簡稱《通知》），核定太陽能熱發電標杆上網電價為每千瓦時1.15元，並明確上述電價僅適用於國家能源局2016年組織實施的示範項目。據了解，此次公布的光熱標杆電價相比之前預計的1.1元/千瓦時略高，比中控德令哈項目1.2元/千瓦時的電價略低，並且電價在2019年之前基本不會做出調整，表明了國家對於推動光熱行業的發展持有積極的態度。該電價水平既有利於光熱發電產業的適當規模發展，也有利於防止相關產業依賴高額補貼盲目擴張，可以淘汰那些技術水平落後，經濟性不佳的項目，對技術能力強的企業有著十分積極的意義，有力於光熱產業的健康發展。

　　我國光熱發電產業存在的問題

　　（一）發展後勁大，但是升級緩慢

　　我國的光熱發電發展已經擁有了一定的成就，但是在這些成就之下，我們也要清楚地認識到產業發展所存在的問題。由於能源的枯竭，風力，水力發電等這些發電產業也遇到發展瓶頸，太陽能作為近幾年開發的最清潔的綠色能源之一，具有很大的發展前景。再加之國家的重視，國家勵志將光熱發電產業推向國際，有國家政策的扶持和幫助，有利於提供光熱發電產業發展的技術人才以及及時的進行與各國之間光熱發電產業經驗的交流，太陽能作為一種新起用的能源，各方的發展經驗有利於在太陽能光熱發電此後的發展中，減少錯誤少走彎路。從上述以及各方的考察可以看出光熱發電產業的發展有很大的後勁，但是，目前所存在的問題是光熱發電的技術在發展，但是技術沒有突破性的升級。我國的光熱發電產業雖然現在已經在國際上首屈一指，但是存在一個現象，其他國家的光熱發電領域每隔一定時間內會有技術上的突破，提高光熱發電的質量。而我國現今光熱發電產業似乎還停留在擴大規模的戰略上。

　　（二）缺乏大規模作業的經驗

　　我國的光熱發電產業起步比較晚，但是在建設和規劃的光熱發電裝機容量早已位居於世界前列。但是我們的技術還不成熟，依然缺乏經驗，尤其是大規模設計作業的經驗，這些經驗都需要後期的操作去累積。我國的太陽能資源豐富，主要是我國西部以及山西北部以上地區，近年來，太陽能的推廣在我國境內開始大規模的發展。缺乏經驗的我們更多的還是盤踞於我國西部，其他的項目不足1MW，這樣的「大規模」就是缺乏經驗的表現。

　　（三）對於過剩產能的應用力度小

　　我國的光熱發電產業發展還處於商業規模化的前期階段，還存在諸多的不足。太陽能的利用是一種綠色能源的表現，但是考慮到太陽能的特殊性，目前正在設法高效地使用太陽能，光熱發電的效率還是比較低，從另一方面來講，在光熱發電行業中遊產業的延伸鏈是很長，可以涉及到很多的其它行業，比如，在光熱發電生產中可以消化水泥、鋼鐵、玻璃、化工等這些產業的過剩產能，而且同時還可以帶動其他很多產業的發展，在擁有這樣的發展可能之下，我國的光熱發電產業對於過剩產能的應用太少。

　　（四）市場還未完全成熟

　　光熱產能所提供的能量該應用以何種領域？光熱發電產業的市場還不完整，我國境內的石油，煤炭等資源正在枯竭，風力、火力發電相對於比較成熟，成熟的市場是一個產業成熟的標誌。擁有完整的系統和成熟的市場，這是光熱發電所不具備的條件。我國現今光熱發電應用的地方還比較少，大部分還正處於實驗階段。

　　（五）相關人才缺乏

　　光熱發電產業的繁榮是我們可以預見的發展趨勢。光熱發電產業大規模的推行需要大量的相關人才。我國境內目前所擁有的人才還無法支持我國光熱發電產業的發展，需要培養和引進更多的人才。

　　光熱發電技術應用前景

　　與火電廠聯合發電，這種運行方式將成為光熱發電的一個重要發展趨勢。光熱發電與光伏發電形成互補效應，建設光熱+光伏的綜合電站。在同一個發電區域內平衡光熱和光伏之間的電力生產和輸送，可消除光伏的間歇性問題，這兩大技術的結合從總體上可有效降低整體系統的發電成本。美國的新月沙丘項目則是光熱&光伏全集成的項目，該電站向需要全天候電能供給的礦業供電。建立分布式發電系統，這種發電系統有助於解決偏遠山區的供電問題，蝶式發電系統最適合，但由於其發電技術還不成熟，因此多採用槽式發電系統。太陽能中高溫熱利用。太陽能熱發電站的聚光鏡場，可以用來產生蒸汽供工業應用，比如用於海水淡化、紡織行業、化工和稠油開採等，國內已有部分示範項目。海南樂東、臨高有太陽能海水淡化的示範項目，廣東番禺有太陽能中溫產生蒸汽供紡織廠用的示範，新疆克拉瑪依太陽能預熱天然氣蒸汽鍋爐用於稠油開採等。

　　未來幾年，光熱成本有望進一步下降，發展潛力將會繼續增大。在一個行業剛起步的時候，成本高是不可避免的，光伏剛起步的時候也是近40元一瓦。國際上來看光熱發電電價已經降到15美分，美國將降到6美分左右。而光熱示範工程電價為1.09～1.4元/瓦左右，再加上未來投資成本下行驅動因素包括電站規模化和核心部件國產化等，如果後續大面積鋪開，造價有望不斷下降。根據綠色和平組織預測，到2050年的光熱發電成本將降至1.6萬元/千瓦，降幅可達40%。另外，光熱發電由於具備儲能優勢，是未來新能源發展的重要方向。根據IEA和ESTELA預測，到2030年，光熱將滿足全球6%的電力需求，到2050年該比例將上升至12%。光熱將逐步和光伏一樣，成為主要的清潔能源，未來10～15年是光熱市場的快速發展期。

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