光熱裝置

光熱的典型應(yīng)用涉及非常廣泛的領(lǐng)域，這里主要介紹廣泛使用的光熱發(fā)電系統(tǒng)和太陽能熱水器的典型應(yīng)用及其結(jié)構(gòu)。

聚光光熱(CSP:Concentrated Solar Power)發(fā)電的基本原理是:系統(tǒng)先使用匯聚的太陽光將熱量接收器中的介質(zhì)(液體或氣體)加熱到非常高的溫度，然后把這部分熱量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，再從機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。與之相對的，傳統(tǒng)太陽能光伏發(fā)電則是使用半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換器件(光伏電池)將光能直接轉(zhuǎn)化為電能。

根據(jù)聚光器形式的不同，構(gòu)成了不同的光熱發(fā)電系統(tǒng)，具體如下:

(1)拋物面槽式光熱系統(tǒng)

拋物面槽式系統(tǒng)是目前技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的聚光發(fā)電技術(shù)，系統(tǒng)主要由兩大部分組成:由數(shù)百行拋物面槽式反射鏡構(gòu)成的太陽能集熱場，和一套傳統(tǒng)的蒸汽渦輪發(fā)電裝置。在一些較新的槽式光熱電站中還有一個重要組成部分:儲熱罐。它使用融鹽作為介質(zhì)將太陽能以熱能的形式儲存起來，需要的時候再放出熱量用于發(fā)電。但儲熱裝置的加入會明顯提高項目的單位功率造價。

拋物面槽式光熱發(fā)電電站的優(yōu)勢在于它所使用的技術(shù)已非常成熟，建設(shè)風(fēng)險較小，而越來越多的成功商業(yè)化電站也使得采用此項技術(shù)的工程更受銀行貸款的信任，在這樣的良性循環(huán)下，成就了拋物面槽式技術(shù)在全球已投產(chǎn)光熱發(fā)電電站中93.6%的市場份額(以裝機(jī)容量計)。主要缺點是耗水量大，發(fā)電效率相對較低。

(2)集熱塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)

塔式光熱發(fā)電電站的具體結(jié)構(gòu)多種多樣，單塊定日鏡的面積從1.2 平方米至120 平方米不等，塔高也從50 米至165 米不等，聚光倍數(shù)則可以達(dá)到數(shù)百倍至上千倍。塔式光熱發(fā)電電站可以使用水、氣體或融鹽作為導(dǎo)熱介質(zhì)，以驅(qū)動后端的汽輪發(fā)電機(jī)(若采用融鹽作為導(dǎo)熱介質(zhì)，則需加裝熱交換器，但儲能能力較好)。

塔式光熱發(fā)電的主要優(yōu)勢在于它的工作溫度較高(可達(dá)800~1000攝氏度)，使其年度發(fā)電效率可以達(dá)到17%~20%，并且由于管路循環(huán)系統(tǒng)較槽式系統(tǒng)簡單得多，提高效率和降低成本的潛力都比較大。塔式光熱發(fā)電電站采用濕冷卻的用水量也略少于槽式系統(tǒng)，若需要采用干式冷卻，其對性能和運行成本的影響也較低。其缺點也是明顯的:為了將陽光準(zhǔn)確匯聚到集熱塔頂?shù)慕邮掌魃?，對每一塊定日鏡的雙軸跟蹤系統(tǒng)都要進(jìn)行單獨控制，而槽式系統(tǒng)的單軸追蹤系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上和控制上都要簡單得多。

(3)線性菲涅爾式光熱發(fā)電系統(tǒng)

線性菲涅爾式光熱發(fā)電系統(tǒng)是一種結(jié)構(gòu)更為簡單的系統(tǒng)，它采用靠近地面放置的多個幾乎是平面的鏡面結(jié)構(gòu)(帶單軸太陽跟蹤的線性菲涅爾反射鏡)，先將陽光反射到上方的二次聚光器上，再由其匯聚到一根長管狀的熱吸收管，并將其中的水加熱產(chǎn)生270攝氏度左右的蒸汽，直接驅(qū)動后端的渦輪發(fā)電機(jī)。

此類光熱發(fā)電系統(tǒng)由于聚光倍數(shù)只有數(shù)十倍，因此加熱的水蒸氣質(zhì)量不高，使整個系統(tǒng)的年發(fā)電效率僅能達(dá)到10%左右;但由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，直接使用導(dǎo)熱介質(zhì)產(chǎn)生蒸汽等特點，其建設(shè)和維護(hù)成本也相對較低。

(4)拋物面碟式光熱發(fā)電系統(tǒng)

拋物面碟式光熱發(fā)電系統(tǒng)與以上介紹的三種技術(shù)有較大的不同:槽式、塔式、線性菲涅爾式系統(tǒng)均是在大范圍內(nèi)聚熱后，集中用渦輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行發(fā)電，而碟式系統(tǒng)則是每個獨立的聚熱模塊都能就地進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換。

碟式光熱發(fā)電系統(tǒng)最大的優(yōu)勢在于其相對較高的效率和可實現(xiàn)靈活部署的模塊化特點:

首先，碟式系統(tǒng)的最大供應(yīng)商斯特林能源系統(tǒng)的產(chǎn)品已達(dá)到31%的峰值效率，全年發(fā)電效率也可達(dá)到19%~25%(單臺功率25千瓦，直徑12米)，是目前的四項光熱發(fā)電技術(shù)中實現(xiàn)效率最高的一種;

其次，模塊化的特點使碟式光熱發(fā)電系統(tǒng)既適合以數(shù)百千瓦的規(guī)模進(jìn)行分布式部署，又有能力構(gòu)建數(shù)百兆瓦的大型電站;

最后，碟式光熱發(fā)電系統(tǒng)在發(fā)電過程中不使用水進(jìn)行導(dǎo)熱或冷卻，僅需要少量水用于設(shè)備清潔。

碟式光熱發(fā)電系統(tǒng)的缺點在于較難配置儲能系統(tǒng)，這也是由于其獨特的結(jié)構(gòu)原理所導(dǎo)致的(每臺碟式單元直接進(jìn)行熱電轉(zhuǎn)換，輸出交流電并網(wǎng))。因此在使用該項技術(shù)建設(shè)大規(guī)模電站時，所輸出電力的可調(diào)度性較低，這點與傳統(tǒng)的光伏電站較為類似 。

熱水器是目前太陽能熱利用中商業(yè)化程度最高、應(yīng)用最為普遍、技術(shù)較為成熟的裝置。太陽能熱水器是一種吸收太陽輻射能并向工質(zhì)傳遞熱量的裝置，一般為平板式和玻璃真空管式結(jié)構(gòu)，它的工作原理是溫室效應(yīng)，由于項部透明蓋板材料對太陽輻射(短波)透過性好而對長波透過性差，太陽光短波輻射使吸收板升溫，吸收板收集到能量不斷加熱管道內(nèi)的傳熱工質(zhì)。目前使用較多的太陽能收集裝置主要有平板型集熱器、真空管集熱器和聚光型集熱器三種。

太陽能必須經(jīng)過各種轉(zhuǎn)換才能方便利用，其中的關(guān)鍵技術(shù)是太陽能轉(zhuǎn)換技術(shù)?，F(xiàn)代意義上的太陽能轉(zhuǎn)換技術(shù)開發(fā)的全部內(nèi)容可歸納為兩個主要方面:

(1)高效地收集太陽能，主要技術(shù)內(nèi)容有:選擇性表面技術(shù)， 受光面的光學(xué)設(shè)計，集熱體的熱結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析，裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計;

(2)將收集的太陽能高效地轉(zhuǎn)換為其他形式的有用能，主要技術(shù)內(nèi)容有:盡可能降低能量轉(zhuǎn)換過程中的各種熱、電損失，優(yōu)異的系統(tǒng)設(shè)計。

太陽能的轉(zhuǎn)換和利用主要有三種方式:光熱轉(zhuǎn)換、光電轉(zhuǎn)換和光化學(xué)轉(zhuǎn)換。

太陽能光熱轉(zhuǎn)換在太陽能工程中占有重要地位。光熱裝置的基本工作過程是通過特制的太陽能采光面，將投射到該面上的太陽輻射能作最大限度地采集和吸收，并轉(zhuǎn)換為熱能，進(jìn)而加熱水或空氣，為各種生產(chǎn)過程或人們生活提供所需的熱能。如何增加太陽能光熱裝置的熱能擷取效率，提升加熱速度、光熱溫度與使用效能是關(guān)鍵 。