浅析太阳能光热发电技术的发展
摘要：当今的世界充满了高科技，每一刻都需要能源和能量，也与我们的日常生活紧密相连。从当今的发展状况来看，能源来自煤炭、核能、石油等，但人类也必须清楚地认识到，地球上这些能源的供应有限，开发这些能源将严重污染自然资源及生态环境。污染伴随着全球气候变化和自然灾害频发，给人类生存带来严重挑战。过度使用能源会造成污染，经济发展会影响几代人的生活条件。因此，目前最紧迫的任务是寻找一种新的能源，在开发和使用过程中部分取代有限的能源，同时尽量减少对地球环境的影响。基于此，本文主要围绕太阳能光热发电技术的发展展开分析，以供参考。
关键词：太阳能光热；发电技术；发展和利用
引言：太阳能光热发电是已知最清洁、最环保的发电技术。这项技术在一定程度上已经在世界上发展起来，世界各国继续发展太阳能作为新能源，太阳能热水器、太阳能光伏、太阳能光热技术越来越成熟，这些太阳能技术已经进入快速发展阶段。由于亚热带季风气候，中国拥有丰富的太阳能资源，基于这一自然优势，中可以建设大型太阳能发电厂，充分利用太阳能资源。
一、太阳能热发电技术概述
资源与环保是当今存在的两个重要课题。由于化石资源的减少，能源的生产成本也不断提高，燃烧大量化石燃油加重了环保负担，在此过程中，温室效应和污染越来越受到人类的重视。近年来，一些可再生能源得到广泛认可和使用。太阳能又被叫做热集中太阳能。这种发电工艺的主要目的就在于采集来自太阳辐射的热量，然后再把所采集的热量转变为高温蒸气，用涡轮发电机发电。太阳光是一个取之不竭的洁净能量，通过太阳光进行发电是减少和改善燃料短缺的有力手段，当今世界各国都在进行太阳能的研发与使用工作。目前，太阳能工程的建设范围不断扩大，太阳能发展具有很大的前景。
太阳能系统的凝聚系数通常在300-1000左右，而菲涅耳直线太阳能系统的凝聚系数通常在150左右，而现代太阳能热系统的凝聚系数一般为80-100左右。但由于太阳能热是通过太阳的直接照射而传送到整个大自然的主要能源。在以往，古代绿色植物都能够借助光合作用把太阳能热转变为化学能，并将其储存于古代的绿色植物体内。煤炭，天然气和煤这些化石资源都是由古代动植物经过很长时间的地质年代后所产生。另外，雨，风等也通过太阳能传递。地球赤道的平均边长则是40000千米，由此可测算出从大气层中获取的热量已
经超过了173000太瓦。而海平线的峰值强度是1000伏/平方米，因此地表24小时的平均年热辐射强度是0.02千伏/平方米，相当于102000 TW能量。此前，太阳能光热发电系统已经引入了熔盐蓄积技术，对天气变化的影响有限。太阳能在白天积累，白天储存的热量在夜间通过熔盐储存技术释放出来发电，在一定程度上保证了发电的连续性和发电过程中产生的电力的稳定性。正是这些技术使太阳能系统的优势比其他发电技术更具商业价值。
二、太阳能光热发电方式的类型和应用发展
作为一个范围广泛的洁净资源，利用太阳光可以进行各种应用，例如太阳能热水器、太阳能照明、太阳能取暖，太阳光烘干等。其中，太阳能光热发电方式，即通过聚焦太阳光能量，可以大量地集中使用太阳光，是克服能耗难题的有效途径。太阳能热能技术是指通过光学系统吸收太阳辐射产生的电能，加热工厂工作条件和制造高温蒸汽。利用蒸汽轮机发电也被称之为太阳能技术，和光伏技术的发电方式一样，都有着效率较高、结构紧凑、运营成本低的特性[1]。一般按照光的浓度分类，太阳能热技术可分为三种：塔式太阳能、槽式太阳能、碟式太阳能。光和热三种浓度之间的差异直接反映在浓度比的差异上，浓度比是吸收器平均能量流密度与入射能量流密度之比。这三个模型可大致分为三个基本系统：
太阳能收集系统、热交换系统和发电系统。然而，由于其不同的光收集系数和不同的可达到的热收集温度，三种光收集方法对应的三种成分也有不同程度的差异。
（一）塔式太阳能光热发电技术
根据“点对焦点”的原则，这种技术使用大多数目镜收集和反射塔顶太阳能炉表面的阳光。在太阳能炉中，塔顶安装了总的吸热气体，因为太阳光的热能被许多透镜反射到聚焦装置的点上，太阳能炉表面的温度可能在2000°C左右。然后，冷却剂在太阳能窑中进一步加热并传递到高温蒸汽中，然后驱动蒸汽涡轮发电机发电。塔型太阳能光热能具有大约18%的热效率。而塔型太阳能系统是由一个太阳能反射镜、接收器、储电、主控制器，以及电力系统等构成。在地面上装有大量的太阳能反光板，以及一个球形镜子，能够自动追踪太阳光。在这组太阳镜的适当地方修建了一个塔，并在其上方放置着一个接收器。通过各种反射镜，可以使得太阳能热结合在集中于塔顶上，使接收器的热载体达到高温并经由管道直接传送到地面上的蒸气发电机上，从而形成了高温蒸汽，并通过蒸气发电机发电。接收器也是塔太阳能的主要部分。按照所采用的不同传导式传热介质，可分成外光接收器型和空腔型。一些外光接收器技术上类似于太阳能集热器，但其温度相当高，体积也相当大。而
这些形式的接收器由于能够直接接收周围的太阳光，所以一般使用在大型太阳发电设备中。它的主要缺陷就是直接暴露在其导热性，造成了能量的流失。腔体接收机是用高温塑料制造的腔体接收机。空腔一侧的开口含有石英玻璃，透光性好，温度高。空腔内壁配有金属格栅，以增加热量吸收和交换的面积。封闭的内饰看起来是一个完全黑色的表面，具有良好的吸热能力。集中的阳光可以通过石英玻璃窗在室内创造高温，用于传热的工作介质（通常是高压空气)在温度大于1000°的高速空气中所进行的加热。因为空腔有绝缘层，所以热量的散失很小，空气质量更好，但由于空气的热容量小，导热系数也小[2]。所以怎样合理的传导热能，是一个很关键的工艺问题。由于腔体接收器只是个窗口，所以接受太阳的视角很大，但一般都不会大于120度。目前google集团正投入世界最高的太阳能设备。太阳塔位于美国加州东南的莫哈维沙漠，总面积为3600亩(14.6平方公里)。南加州的Ivenpah太阳能收集系统(ISEGS)将使用173000个反射体，使太阳光集中到138公尺高的太阳能塔上。
（二）槽式太阳能光热发电技术
目前，该技术是商业上最发达的发电技术，也是较为成熟的太阳能光热技术。槽式太阳能
光热发电技术基于“线性聚焦”原则，机器的表面被设计成一个槽抛物线。这种类型的表面用于反射大面积的阳光，然后通过集热器吸收热量，之后产生的热量与热水结合，形成热蒸汽并驱动涡轮发电机发电。凹槽焦点是利用隐喻光学原理收集太阳辐射的能量。由抛物线纵向膨胀形成的平面称为抛物线，它可以将与自身轴平行的太阳辐射合并成一条线（带），提高能量密度，并且易于使用。在槽式太阳能光热发电技术中，通常采用真空玻璃收集器。热集热器由外部玻璃管以及内部和西部热管组成，两个管子中间的缝隙是真空的，可以避免热损。呼吸器用不锈耐酸钢构成，里面装有工作液体，不锈钢管外表涂上黑色呼吸膜。这种构造吸收率好，红外范围小，能够有效收集太阳光。但这些种类的前照灯装置上还必须配备控制器，以适应白天日照角度的不同。此外，干燥的集中式热能吸收装置把太阳光转换为集火器内导热物质的热量，在点燃后再通过较高温的空气加热水以形成水蒸气，并启动汽轮机发电槽式太阳能热选矿设备的最大凝结系数，一般在20至70度左右，导热液和油的最大凝结温度一般为350至450℃左右，盐混合液(如导热液体)的最大吸收温度可以达到600℃[3]。虽然它们在增加发电效益上有比较显著的优点，但总体的发电质量还是比较低下。另外，为解决太阳光在温度上的不均匀分配，还必须建立热存储系统并采用对其他能源的补充热适应方案。自20世纪80年代以来，世界上的许多国家都在发展
和建设大集中太阳能系统。目前，美国、印度、澳大利亚、德国等国都已是发展太阳能的主要国家，其中以美国太阳能技术的发展为主要代表。在1986年至1991年间，美国在南加利福尼亚地区目前已建设了九大太阳能发电厂，其所累积的总发电量十分庞大。而在2020年，美国已经同意了将在南加利福尼亚沙漠建立的一项新能源工程，这也将成为目前的全美规模最大的公共太阳能工程。在其中，布莱斯太阳能工程的总体规划选址也将设在美国加利福尼亚州布莱斯市附近的莫哈维沙漠区。整个工程一共占用了2800英亩，总造价高达60亿元。工程建成后，其容量将达到一千兆瓦。预计，该技术将有望在近年来完成开发，但和发达国家相比，我国在这方面的开发水平仍然较为落后。
（三）碟式太阳能光热发电技术
碟状抛物面主要用于收集光和吸收热量，从而产生非常高的温度。在碟式太阳能光热发电技术中，热转换器安装在参考接收器上，将吸收的热量直接转化为电能。由于该技术可以单独或并行使用，因此特别适用于小型发电机。在中国偏远的山区，它经常被用于发电[3]。CD集线器的聚焦与CD集线器配合，无余弦损耗，光学效率可达90%。一般来说，圆盘集线器可以达到600~3000，集电极的温度能够达到800℃以上，系统的光伏发电峰值转
化效率能够超过29%。碟式太阳能热能技术主要采用聚焦方式。由于管板集电系统的太阳辐射反射表面带有杯状(杯形)的结构，温度系数达到了3000以上，这样就能够形成相当大的聚焦温度，超过了另外两类太阳能热生产方式的浓度温度。此外，操作温度可高达750-1500℃，可以实现热机的最高效能。此外，在碟式太阳能光热发电技术中，太阳能装置包含了集线器、接收器、加热马达、支架、跟踪控制器等关键组件。在装置工作中，通过电容器将反射的太阳能光聚焦到接收机上，太阳能由加热机内转化为火电设备和工作场所的内能，进而改善温度，从而导致加热器运行，并帮助发电机发电。与槽式电力系统不同，碟式太阳能热电转换器主要使用斯特林机器作为驱动电机。斯特林自由活塞引擎是一个外部活塞引擎，在每个汽缸内都装有独立的动力活塞。通过汽缸边壁和气缸上腔的分流相连，系统的工作液可以通过分流来移动到分配给气缸的上腔。上腔中连接着热交换器，通过热交换器把所收集的能量传送到热和膨胀的作用环境中，并把驱动机构推至一定的输出功率范围。为了实现太阳能的更好储存，它还必须储存热功率、电池和额外的能源。和槽式的太阳能发电方法一样，由于碟式发电技术还没有完全商品化，所以暂时处在商业示范状态。从实际来看，在国外建造并成功投产了一系列太阳能热电厂或示范设施。美国、西班牙、德国等国已建成并成功运营9至25千瓦发电厂。而中国拥有丰富的太阳能资源。自2
0世纪70年代末以来，太阳能的热利用一直在研究中，中国科学院技术热物理研究所对杯形太阳能热电厂使用的直接辐射接收器进行了一系列模拟试验，分析了影响其热性能的因素。总的来说，碟式电池发电技术还处于起步阶段，但由于效率高，许多国家更加重视和积极开展相关研究[4]。
四、太阳能光热发电技术的发展情况
（一）太阳能在国内发展的情况
在国民经济社会发展“十三五”规划中，中国明确规定，到2023年底，太阳能装机容量将超过1.1亿台，在此过程中，大约1.05亿千瓦的电量都将用来发电。在此基础上，将每年保持稳定增长规模，太阳能发电装机容量约为五百万千瓦。到2025年，太阳光热和集热量的使用规模将超过8亿平方米，太阳光年需求量将超过1.5亿吨[5]。到2030年，光伏发电费用将较2025年降低50%以上，基本达到世界电费平价目标，太阳能热能成本将降低0.8元/千瓦时。从当前的发展情况来看，太阳能在工业供暖方面具有很强的市场竞争力，光热发电效率大大提高，实现与整个行业的全面融合。由于当前和未来将是国家推进经济体制转变、能源改革和政治体制革新的重要阶段，同时也是太阳能产业发展的关键阶段。所以，中国
太阳能产业仍面临着难得的历史发展机遇和重大挑战。
（二）太阳能光热发电技术在国外发展的情况
与国内太阳能技术相比，国外太阳能技术起步较早，20世纪80年代开始研究，20世纪初首次在工业上进行试验。在20世纪80年代，光热太阳能开始在国外广泛使用，而西班牙和美国开始更多地使用太阳能。前文已经提到，当今世界面临的最大挑战是能源危机。目前，日本、法国、希腊、阿尔及利亚、澳大利亚和印度等国越来越多地参与开发和研究新能源，并将重点放在更广泛地推广和发展现代太阳能光热技术上。美国SEGS发电厂是世界上最大的太阳能发电厂，也是世界上第一个商业发电厂。自1985年成立以来，它不断扩大，目前拥有9个太阳能热电厂。根据国际能源署的计划，未来将在全球范围内大力建设太阳能发电厂，以实现资源的合理使用与配置。
（三）太阳能技术在国际发展上的前景
目前，欧洲和美国正在积极建设参数更高、性能更高的太阳能光热发电系统。与此同时，欧洲太阳能工业协会（European Solar Industries Association）和绿色和平组织（Greenp
eace）联合预测，到2025年，全球太阳能系统将实现最高发电效率，其容量将完全满足全球约5%的电力需求。

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