探索新型高效的熱力系統突破塔式太陽能熱發電的技術瓶頸

化石能源枯竭和環境日益惡化已經成為制約全球經濟和社會發展的長期、重大瓶頸，未來將影響到人類的生存狀態。為了解決該問題，一方面要大力開展節能與科學用能和努力發展化石燃料，另一個方面必須加速可再生能源的開發和利用。太陽能以其分布廣泛，儲量豐富受到了廣泛關注。大力開發利用太陽能，將會改變我國能源短缺和不合理的能源結構，使能源供應多樣化，確保了我國的能源安全戰略，同時可以解決環境污染問題。因此，研究開拓太陽能熱力發電系統成為當今能源動力領域研究的熱點與前沿課題。

隨著美國南加州SEGS系列電廠的成功投運，掀開了世界上開發利用太陽能熱發電出的浪潮，后續的美國Solar One、Solar Two和西班牙的PS10等塔式太陽能熱發電試驗示范電站的試運成功，大大激發了人類大規模開發利用太陽能的熱情。采用聚光型太陽能熱發電的方式主要有拋物槽式、碟式和塔式三種方式，隨著IEA-SolarPACES、歐盟第六、七框架計劃等對太陽能熱發電的關注和各國政府對太陽能熱發電的大力支持，一系列優惠的政策、稅收補償，價格調節等市場手段的應用，加快了太陽能熱發電技術的進程，尤其是美國、西班牙、以色列、瑞士、韓國和中國等對太陽能熱發電研究進行了大量的科技投入，取得了相當喜人的成果。但是，當前利用太陽能熱發電技術存在一個重大的技術瓶頸，就是太陽能熱發電的效率較低導致投資和發電成本較高，大大制約了太陽能熱發電的商業化進程。因此，研究新型的太陽能熱發電系統，將太陽能島和常規動力島高度集成，改善能量轉化過程，提高系統的效率，從而間接地降低太陽能熱發電成本，因此，研究新型的熱力系統是開發利用太陽能過程中的一個重大課題。

基于能的綜合梯級利用思路和熱力集成理論，提出一個新型的塔式太陽能熱發電系統，該系統集成了三大技術特征：具有雙運行模式的吸熱器，運行中靈活切換；具有高、低溫雙級蓄熱流程結構，分級存儲不同品位的太陽熱能；為發電單元提供多冗余的過熱蒸汽保障系統。模擬計算表明，1 MW塔式太陽能熱電站的峰值太陽能發電效率為10.6%，年平均發電效率為5.1%。研究表明，合理的運行模式和系統的規模化是提高太陽能熱發電系統性能的關鍵所在，本研究為我國發展塔式太陽能熱發電提供新思路和新方案。太陽能塔式熱發電技術已經完成了實驗室探索階段，正在向商業化邁進。研究及實踐表明，太陽能塔式熱發電是實現大功率發電、替代常規能源最為經濟的手段之一，有可能給緊張的能源問題帶來革命性的解決方案。在借鑒國外先進的塔式發電技術的基礎上，建立適合我國國情的塔式太陽能熱發電系統，研制具有自主知識產權的發電技術，為今后在中國大規模發展太陽能熱發電提供技術支持和保障。發表在 2010年第29期《中國電機工程學報》上，華北電力科學研究院有限責任公司袁建麗工程師、中科院工程熱物理研究所韓巍博士等人的論文《新型塔式太陽能熱發電系統集成研究》對相關問題進行了積極的探索，為我國發展太陽能熱發電技術將起到推動作用，通過小型化試驗示范電站，探索太陽能塔式發電系統的特性規律，可以有效地填補我國在這方面的空白，同時有助于積累相關先進技術的經驗，為我國發展大型太陽能熱發電系統奠定堅實基礎。

中國科學院工程熱物理研究所的總能系統和可再生能源實驗室金紅光研究員領導的課題組長期以來從事能源、環境、動力系統的開拓創新，對太陽能熱發電進行了深入研究，承擔了多項國家自然科學基金、國家重點基礎研究規劃（973）和國家高技術發展計劃（863）項目，大力倡導太陽能與常規能源互補發電，研究開發高效、低成本的太陽能熱力發電系統。華北電力科學研究院有限責任公司的電站鍋爐技術研究所多年來致力于常規能源火力發電機組的調試、生產、技術服務，對整個電站的熱力系統和性能優化進行了卓有成效的研究和技術開發，解決了多項技術難題，贏得了廣大電力客戶的好評；近年來對太陽能熱發電進行了跟蹤和研究，為進一步服務于太陽能熱發電技術奠定了良好的基礎。

總之，文章開拓研究新型的塔式太陽能熱發電系統，深入研究了該系統的熱力性能、設計方法和運行特性，加快了塔式太陽能熱發電技術的發展，為大力開發利用太陽能資源提供了有力的理論依據和技術方案，努力為我國太陽能熱發電技術的發展和實現節能減排做出貢獻。