太陽能光熱發電原理、技術及數值分析 節選

第1章緒論 1.1能源短缺與環境問題 能源是人類社會賴以生存和發展的物質基礎。縱觀人類社會發展的歷史，人類社會文明的每一次重大進步都伴隨著能源的改進和更替。能源的開發和利用極大地推進了世界經濟和人類社會的發展。18世紀以來，以煤炭、石油、天然氣為主的化石能源逐漸成為世界能源的支柱。目前，世界一次能源消費仍以化石燃料為主。例如，2020年世界一次能源消費總量達到了556.63EJ，其中化石能源總量為462.77EJ，占比高達83.1%[1]。 然而，由于化石燃料儲量有限，這種以化石能源為主的能源結構越來越難以為繼，人類社會正面臨著日益嚴重的能源短缺問題。截至2020年末，世界石油、天然氣、煤炭的探明儲量分別為17324億桶、188.1萬億立方米、10741.08億噸[1]。按照2020年的開采水平，上述三大化石燃料分別僅能供應53.5年、48.8年和139年[1]。對中國而言，我們面臨的能源形勢更為嚴峻，截至2020年末，我國已探明的石油、天然氣和煤炭的儲量分別為260億桶、8.4萬億立方米和1431.97億噸，分別僅占世界總儲量的1.5%、4.5%和13.3%[1]。按照2020年的開采水平，我國的上述三大能源分別僅能供應18.2年、43.3年和37年[1]。 此外，化石能源的開采、輸送、加工、轉換和消費過程都直接或間接對生態環境產生了負面影響。特別是大多數化石能源都是通過燃燒過程被消費掉的，此過程向環境排放了大量的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和粉塵等，造成了嚴重的環境問題，包括全球變暖、酸雨、大氣污染、水污染等。例如，化石能源燃燒排放的二氧化碳等溫室氣體對熱輻射具有選擇性吸收作用。一方面，大部分波長較短的太陽輻射可以穿過大氣層并被地表吸收；另一方面，地表發射的波長較長的熱輻射則難以透過溫室氣體，削弱了地表向宇宙空間的散熱作用。以上兩方面共同作用導致地球溫度上升，即全球變暖。全球變暖會導致全球降水量變化、冰川與凍土融化、海平面上升等問題，既危害生態平衡和人類身體健康，又威脅人類和其他物種的生存。 目前，能源短缺和化石燃料燃燒導致的環境問題已成為制約全球經濟社會發展的重大瓶頸，直接影響到人類未來的生存與發展。因此，開發和利用可再生能源將是世界能源發展的必然選擇。發展新型替代能源技術，實現經濟社會可持續發展勢在必行。根據《bp世界能源統計年鑒》（2021年版）[1]，2020年，包括太陽能、風能、地熱能、生物質能、生物燃料在內的可再生能源在全球一次能源中的占比達到了5.7%，同時可再生能源發電量也占到了世界總發電量的11.7%。而我國2020年可再生能源在一次能源中的占比達到了5.4%，可再生能源發電量也占到了全國總發電量的11.1%，與世界平均水平相當。由此可見，雖然在過去十余年間，可再生能源利用技術獲得了長足發展，但是目前可再生能源在一次能源和發電量中的占比依然較低。 為推動能源結構轉型、解決環境問題，目前世界各國都在調整其能源發展戰略，積極推動以太陽能為代表的可再生能源的開發和利用。2020年9月，習近平主席在第七十五屆聯合國大會上宣布：“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”。①（簡稱“30.60目標”）根據《bp世界能源展望》（2020年版）[2]，在未來30年內，可再生能源在全球一次能源中的占比將持續增加，且化石能源的占比將逐年下降。至2050年，在不同的情境下，可再生能源在全球一次能源和發電量中的占比分別有望增至22%～59%和35%～64%。與此同時，可再生能源在我國一次能源和發電量中的占比分別有望增至23%～55%和34%～55%。 1.2我國的太陽能資源 可再生能源是指可以通過天然或人工過程再生和反復利用的能源。可再生能源的組成具有多元化的特征，主要包括太陽能、風能、水能、海洋能、生物質能和地熱能等。在眾多的可再生能源中，太陽能是人類*早使用的一種可再生能源。地球接收到的太陽能的總量異常豐富，一年內到達地表的太陽輻射總量約為885百萬TW.h[3]，相當于2020年世界一次能源消費量的5500多倍。 我國太陽能資源尤為豐富，三分之二以上地區的年太陽輻射總量超過1400kWhm2，年日照數大于2000h。陸地每年接收的太陽能輻射總量相當于1.68X106百萬噸標準油。從地域分布來看，我國太陽能資源分布總體呈“高原大于平原、西部干燥區大于東部濕潤區”[4，5]的特點，其中西藏、青海、內蒙古大部、甘肅大部、新疆、寧夏、北京、天津、海南、黑龍江西部、吉林西部、遼寧西部、河北大部、山東東部、山西大部、陜西北部、四川中西部、云南大部等地區的年太陽輻射量都在1400kW+h.m-2以上（表1-1）。我國太陽能資源*為豐富的地區是青藏高原，其年總輻射量超過1800kWhm-2，部分地區甚至超過2000kWhm—2，接近世界上太陽能資源*為豐富的撒哈拉大沙漠地區。 由此可見，全球和我國的太陽能資源的儲量都極為豐富。若能高效地將太陽能捕集起來，并轉化為人類所需的其他形式的能源，就能夠提升太陽能在我們一次能源中的占比，推動能源結構轉型，進而解決人類所面臨的能源短缺和環境破壞等問題。 1.3太陽能利用的主要途徑 太陽能利用是指采用特定的裝置，高效地捕集太陽輻射能，并將其轉換為熱能、電能、化學能等其他形式能量的過程。太陽能利用的基本方式可分為四類，包括太陽能光熱利用、太陽能發電、太陽能光化學利用、太陽能光生物利用。 1.太陽能光熱利用 太陽能光熱利用過程一般采用太陽能集熱器等裝置來捕集太陽輻射能，并將其轉化為熱能加以利用。根據溫度的不同，可將光熱利用分為低溫利用（250c）。目前，主要的低溫光熱利用裝置有太陽能熱水器、太陽能干燥器、太陽能蒸餾器、太陽能采暖、太陽能溫室等。在低溫光熱利用過程中，一般會采用無聚光裝置的平板式集熱器或聚光比較低的線聚焦集熱器，如拋物面或復合拋物面槽式集熱器。中溫光熱利用裝置主要有太陽能供工業熱水、水蒸氣、熱空氣或導熱油系統，太陽能空調制冷系統，太陽灶等。在中溫光熱利用過程中一般會采用拋物面槽式、拋物面碟式或線性菲涅耳式聚光器。高溫光熱利用裝置主要有太陽爐，太陽能冶金裝置，大型拋物面槽式、拋物面碟式、塔式、線性菲涅耳式集熱器等。 2.太陽能發電 太陽能發電技術分為光伏發電技術和光熱發電技術。 光伏發電技術是一種利用半導體的光生伏特效應將光能直接轉變為電能的技術。典型的光伏發電系統主要由太陽能電池板、控制器和逆變器三大部分組成。光伏系統的核心是太陽能電池板，其主要由半導體材料制成。目前，用來發電的半導體材料主要有：單晶桂、多晶桂、非晶桂、砷化嫁、砷化嫁招、憐化銦、硫化鎘、硫化鎘、鈣欽礦等。由于近年來各國都在積極推動光伏發電的應用，光伏產業的發展十分迅速。到2021年底，光伏的全球裝機容量已經達到約843GW，而中國的裝機容量也達到了約310GW[6]。 光熱發電技術是一種利用太陽輻射的熱效應加熱工質并驅動熱機做功發電的技術[7]。在光熱發電系統運行過程中，其首先采用大型聚光器聚集太陽輻射能并加熱導熱油、水或熔鹽等吸熱工質；接著，既可以直接使用吸熱工質吸收的熱能來驅動熱機做功并帶動發電機發電，又可以將熱能存儲起來，以備夜晚或白天陽光不足的時候使用。與光伏發電技術相比，光熱發電技術起步較晚，目前裝機容量較小，但處在快速發展階段。到2022年11月，光熱發電電站的全球裝機容量達到了約6.7GW[8]，中國的裝機容量為536MW[9]。 3.太陽能光化學利用 太陽能光化學利用一般是指在光催化劑的作用下直接將太陽能轉化為化學能的太陽能利用技術。目前*常見的太陽能光化學利用方式為太陽能光化學生產燃料，主要包括太陽能分解水制氫、太陽能光化學轉化CO]制碳氫燃料等。近年來，隨著光催化劑合成、改性技術的進步，太陽能光化學轉化生產燃料的效率日趨提高，但目前離商業化應用還有較長的一段路要走。 4.太陽能光生物利用 光合作用是綠色植物（包括藻類）利用葉綠素等光合色素，在可見光的照射下，將二氧化碳和水轉化為儲存著能量的有機物，并釋放出氧氣的生化過程。太陽能光生物利用即基于植物的光合作用將太陽能轉換為生物質的利用方式。目前主要有速生植物、油料作物和巨型海藻等。由于自然界植物的光合作用效率一般低于1%，因此光生物轉換速率通常較慢，植物生長也較慢。近年來，高效光生物轉化植物方面的研究獲得了越來越多的關注。 1.4太陽能光熱發電技術的原理及發展歷程 在各種太陽能利用方式中，太陽能光熱發電技術具有發電效率較高、便于規模化等優點。更重要的是，大規模儲熱技術的引人極大地削弱了太陽輻射變化對發電性能的影響，使光熱發電技術具備了全天候連續穩定發電的能力，可以有效提高發電系統的調度性，并彌補風力發電、光伏發電間歇不穩定的缺陷，有助于實現電力系統的穩定、高效運行。鑒于此，近年來光熱發電技術獲得了快速發展。按照聚光器結構的不同，可將光熱發電技術分為拋物面槽式[叫、塔式[11]、線性菲涅耳式[12]、拋物面碟式[13]四種。圖1-1給出了四種典型的太陽能光熱發電系統的實物圖，下面將分別詳細介紹它們的技術原理和發展歷程。 1.4.1槽式太陽能光熱發電技術 槽式太陽能光熱發電技術是目前發展得*為成熟、商業化程度*高、裝機容量*大的太陽能光熱發電技術，從20世紀80年代至今，其已經歷了40余年的發展歷程。按照吸熱工質的不同可將槽式光熱發電技術分為三類，即以導熱油、水、熔鹽為吸熱工質的系統。 1.以導熱油為吸熱工質的槽式系統 1980年，美國與以色列聯合組建的盧斯（LUZ）公司*早開始研制槽式技術。*初的槽式光熱發電系統以導熱油為吸熱工質，且沒有儲熱裝置，其原理如圖1-2所示。由圖1-2可見，這種槽式系統主要由監控子系統、聚光集熱子系統、輔助能源子系統、換熱子系統和蒸汽朗肯循環發電子系統組成。系統的主要部件包括數十列拋物面槽式集熱器、蒸汽產生器（預熱器、蒸發器、過熱器）、輔助鍋爐、透平、發電機、控制裝置等。 在不同的光照條件下，該槽式光熱發電系統會采取不同的運行模式，如圖1-2所示。當白天光照充足時，拋物面槽式集熱器的跟蹤軸會跟隨太陽方位轉動，從而使得拋物面聚光器將陽光匯聚到位于拋物面焦線處的集熱管上。集熱管主要由金屬吸熱管和套在其外部的玻璃管組成，吸熱管外壁覆蓋有選擇性吸光涂層。吸熱管與玻璃管在其兩端通過金屬波紋管連接在一起，并將兩管之間抽成真空，以減少熱損失。接著，集熱管會吸收聚光器匯聚而來的大部分太陽能并將其轉換為熱能，然后再傳給集熱管中的導熱油。隨后，加熱后的導熱油從集熱器尾部流出。*后，高溫導熱油攜帶的熱能在蒸汽產生器中加熱給水，生產高溫蒸汽，進而驅動循環發電子系統發電。在夜晚或白天光照不佳時，采用輔助鍋爐來加熱導熱油，進而產生蒸汽以維持系統運行。 從1984年到1991年，LUZ公司先后在美國加州建成了SEGSI～SEGSK共9座以導熱油為吸熱工質、無儲熱的槽式光熱電站[9]。每座電站的裝機容量在14～80MW，9座電站的總裝機容量為354MW，全年并網發電量可達800GW.h。SEGSI電站*初設計了直接以導熱油為儲熱介質、儲熱時長為3小時的儲熱器，可是該儲熱器后來被火災燒毀了，而其他幾座SEGS電站都未配備儲熱裝置。為保證在夜晚或白天光照不足時電站仍可穩定發電，除SEGSI和SEGSn外，其余7座電站均配備了天然氣鍋爐，運行中天然氣貢獻的發電量約占25%。 SEGS系列電站先后采用了三種聚光比和光學效率依次增大的集熱器，即LS-1、LS-2和LS-3。例如，初期建設的SEGSI、