太阳能光热发电系统原理及分类

● 上海大学 毛岳珂

根据太阳辐射能量进行转化形式的不同，太阳能的利用可以分为光伏和光热两大类别。一种是光伏发电，利用太阳能电池板将光能转化为电能；另外一种是光热技术，利用太阳能的高温将光能转化成热能。我国太阳能光热发电正处于起步阶段，目前光热技术主要是以太阳能热水器或者太阳能聚热厨具为主。随着国家的重视与提倡，光热发电技术正以一种蓬勃的姿态展现在人们的视野之中。

1 光热技术的发电原理

光热发电技术是不同于光伏发电的全新的新能源应用技术，它是一个将太阳能转化为热能，再将热能转化为电能的过程。利用聚光镜等聚热器采集的太阳热能，将传热介质加热到几百摄氏度的高温，传热介质经过换热器后产生高温蒸汽，从而带动汽轮机产生电能。太阳能光热系统发电原理如图1所示。

2 光热发电系统的构成

通常整个的光热发电系统会由4部分构成：集热系统、热传输系统、蓄热与热交换系统、发电系统。

2.1 集热系统

集热系统包括聚光装置、接收器、跟踪机构等部件。聚光装置即为聚光镜或者定日镜等，其反射率、焦点偏差等均能影响发电效率。目前国内生产的聚光镜，效率可以达到94%，与国外生产的聚光镜效率相差不大。

图1 太阳能光热发电原理图

2.2 热传输系统

热传输系统主要是传输集热系统收集起来的热能，利用传热介质将热能输送给蓄热系统。传热介质多为导热油和熔盐。理论上，熔盐比导热油温度高，发电效率大，也更安全。

2.3 蓄热与热交换系统

光热发电技术在蓄热与热交换系统中充分体现了对比光伏发电技术的优势：将太阳热能储存起来，既可以在夜间发电，也可以根据当地的用电负荷，适应电网调度发电。目前我国正在研究蓄热的各种新材料，更有观点提出用陶瓷等价格低廉的固体蓄热，以达到降低发电成本的效果。

2.4 发电系统

用于太阳能热发电系统的发电机有汽轮机、燃气轮机、低沸点工质汽轮机、斯特林发电机等。这些发电装置，可根据汽轮机入口热能的温度等级及热量、蒸汽压力等情况进行选择。虽然光热技术的发电系统类似于火力发电系统，但它要求汽轮机具有快速启动、频繁启停、低载运行、高效性能等特点。

3 光热发电系统的分类

依照聚焦方式及结构的不同，光热技术可以分为塔式、槽式、碟式、菲涅尔式4种。

3.1 塔式发电系统

塔式发电系统为点式聚焦系统，其利用大规模的定日镜形成的定日镜场阵列，将太阳辐射反射到置于高塔顶部的吸热器上，加热传热介质，使其直接产生蒸汽或者换热后再产生蒸汽，以此驱动汽轮机发电。塔式系统具有热传递路程短、热损耗小、聚光比和温度较高等优点，但塔式系统必须规模化利用，占地要求高，单次投资较大，采用双轴跟踪系统，镜场的控制系统较为复杂。

3.2 槽式与菲涅尔式发电系统

槽式与菲涅尔式发电系统都属于线性聚焦系统，二者的聚光形式相同，聚光方法不同。菲涅尔式发电系统聚光方法为：具有跟踪太阳运动装置的主反射镜列将太阳光反射聚集到具有二次曲面的二级反射镜和线性集热器上，集热器将太阳能转化为热能。槽式发电系统为利用槽型抛物面反射镜将太阳光聚焦到线性集热器上，对传热介质加热，将太阳能转化为热能。其余部分相同，所以将这二者放在一起阐述。

3.3 碟式系统

碟式系统也称为抛物面反射镜斯特林系统，是由许多镜子组成的抛物面反射镜组成，接收在抛物面的焦点上，接收器内的传热介质被加热后，驱动斯特林发动机进行发电。

4 光热发电与光伏发电的区别

光热发电与光伏发电的对比分析见表1。

表1 光热发电与光伏发电的对比分析表

4.1 发电原理不同

常规光伏电站是利用太阳能电池板吸收太阳光中的可见光形成光电子，产生电流。光热发电利用熔盐或者油等介质吸收太阳光中的热能，使用汽轮机将其转化为电能。

4.2 并网难易程度不同

目前太阳能光热发电系统可以通过增加储热单元或通过补燃或与常规火电联合运行改善出力特性，输出电力稳定，电力具有可调节性。而光伏发电受日光照射强度影响较大，上网后给电网带来较大压力。光热发电通过储热改善出力特性，白天将多余热量储存，晚间再用储存的热量释放发电，这样可以实现光热发电连续供电，保证电流稳定，避免了光伏发电与风力发电难以解决的入网调峰问题。根据不同的储热模式，可一定程度上提高电站利用小时数和发电量，提高电站调节性能。

通过补燃或与常规火电联合运行改善光热发电出力特性。太阳能光热发电站可利用化石燃料补燃或与常规火电联合运行，使其可以在晚上或连续阴天时持续发电，甚至可以以稳定出力承担基荷运行，从而使年发电利用达到7000小时左右。

4.3 对环境的污染程度不同

光热发电是清洁生产过程，基本采用物理手段进行光电能量转换，对环境危害极小。而光伏发电技术存在致命弱点为太阳能电池在生产过程中对环境的损耗较大，是高能耗、高污染的生产流程。

5 结束语

常规的光伏发电技术，在我国已经发展稳定，技术相对成熟。而光热发电，虽然很早就在国外兴起，但是在我国来说，依然处于技术不断的创新与改进的阶段，需要莘莘学子和广大科研工作者持之以恒加以探究和实践。