如何提高太陽能熱發電系統的效率

新霓空太陽能(中國)有限公司 ■ 于秀艷

一 引言

太陽能資源極為豐富，可為人類提供無限的能源。它是地球上觸手可得、取之不盡、用之不竭的能源。因此，人類很早就已開始尋找各種各樣的途徑和辦法去利用它。太陽能發電技術就是一種有效利用太陽能資源的形式。

目前世界上有兩種截然不同的太陽能發電方式，即光伏發電和太陽能熱發電。

光伏發電是利用太陽電池將太陽輻射能轉換為電能的發電方式。目前，光伏發電已在世界許多國家開始大量推廣使用。

太陽能熱發電是一種新興的太陽能發電技術。它利用聚光集熱器把太陽能聚集起來，并通過光熱轉換裝置將太陽能轉變為熱能，將某種工質加熱到數百甚至1000℃以上的高溫，然后經過蒸汽發生器將水加熱成過熱蒸汽，驅動汽輪發電機發電。太陽能熱發電方式因采用了蓄熱儲能技術，整體效率高于光伏發電，因此，近幾年來引起了世界各國的高度重視并得到發展。

目前，已經進行深入研發及投入使用或即將投入商業運行的太陽能熱電發方式有3種：槽式、塔式和碟式太陽能熱發電。

不管采取哪種發電方式，都面臨著一個相同的問題，就是如何降低太陽能熱發電的成本。要想降低太陽能熱發電成本，一個重要的方面就是要提高系統中各環節的轉換效率，最大限度地將所接收到的太陽能轉變成電能，以實現收益最大化。因此，提高太陽能熱發電整個系統效率對降低成本具有非常重要的作用和意義。本文就這個人們所關心的問題進行較詳盡的分析論述。

二 提高太陽能熱發電系統效率的主要措施

1 提高聚光集熱裝置及光熱轉換裝置的光熱轉換效率

太陽能熱發電3種方式明顯的不同之處在于聚光集熱裝置及光熱轉換裝置的形式不同。

槽式太陽能熱發電系統采用的是槽型拋物面聚光集熱器，將眾多的槽型拋物面聚光集熱器串并聯排列，并通過真空管光熱轉換器，將光能轉換為熱能，并以油為傳熱介質載體，輸送至蒸汽發生器，加熱水產生過熱蒸汽，驅動汽輪機發電機組發電。槽式熱發電的聚光集熱裝置及光熱轉換裝置如圖1所示。

塔式太陽能熱發電系統是利用眾多的平面反射鏡陣列，將太陽輻射反射到置于高塔頂部的太陽能接收器上，并通過光熱轉換器將光能轉換為熱能，加熱水產生過熱蒸汽，驅動汽輪機發電機組發電。塔式熱發電的聚光集熱裝置及光熱轉換裝置如圖2所示。

圖1 槽式熱發電的聚光集熱裝置及光熱轉換裝置

圖2 塔式熱發電的聚光集熱裝置及光熱轉換裝置

碟式太陽能發電系統是由多個碟式太陽聚焦鏡組成的陣列，將太陽光聚焦產生860℃以上的高溫，通過安裝在焦點處的光熱轉換器將熱能傳遞給傳熱介質載體空氣，并輸送到蒸汽發生器或蓄熱器，加熱水產生過熱蒸汽，驅動汽輪發電機組發電。碟式熱發電的聚光集熱裝置及光熱轉換裝置如圖3所示。

圖3 碟式熱發電的聚光集熱裝置及光熱轉換裝置

目前這3種形式的太陽能熱發電系統，從聚光集熱裝置及光熱轉換裝置的光熱轉換效率上看，碟式最高，約為85%；塔式次之，約為70%；槽式最低，約為60%。其主要原因是這幾種形式的聚光集熱裝置的幾何聚焦比不同(分別約為200～3000，600～1000和8～80)，從而導致被加熱后載熱介質的溫度不同(分別約為500～1500℃，500～1000℃和260～570℃)。另外，載熱介質的溫度不同還與所選用的載熱介質的種類及轉換裝置的結構不同有關。例如，槽式系統采用導熱油或融熔鹽作為載熱介質，溫度只能控制在其沸點以下的某一溫度，而碟式或塔式系統采用空氣為載熱介質，其溫度可達上千度。從光熱轉換裝置上看，槽式系統采用的是線聚焦，管式光熱轉換裝置逐級加熱的方式；而碟式和塔式采用的是點聚焦，蜂窩或多孔材料輻射對流加導熱的光熱轉換方式，這都是導致光熱轉換效率不同的因素。

除上述因素外，減小聚光集熱裝置的余弦效應也可提高光熱轉換效率。如碟式和塔式熱發電采用雙軸跟蹤系統，余弦效應明顯小于單軸跟蹤的槽式熱發電。尤其是碟式的全方位雙軸跟蹤，余弦效應幾乎接近于0。

因此，要提高太陽能熱發電的光熱轉換效率，就要盡量采用幾何聚焦比較高的聚光集熱裝置，以及耐高溫的載熱介質和換熱效率較高的光熱轉換裝置。同時，還要盡量采用雙軸跟蹤方式，以減小余弦效應，使光能利用最大化。

2 提高太陽能熱發電系統載熱介質的傳輸效率

太陽能熱發電系統均是通過某種載熱介質將光能轉化來的熱能傳輸至蒸汽發生器。在熱能傳輸的過程中，由于管道的散熱損失，導致了部分熱能的損失。根據傳熱學原理，介質的溫度越高，與傳輸管道外的環境溫差越大，越容易散熱，熱能損失也越大。因此，需要采取更好的保溫材料(如選取導熱系數盡量小的保溫材料)及保溫措施，盡量減少載熱介質熱能損失，以提高載熱介質的傳輸效率。

目前，當溫度低于400℃時，通常可采用價格低廉的巖棉、玻璃棉、珍珠巖等產品作為保溫材料；溫度高于400℃時，尤其是超過600℃時，雖可用硅酸鋁(鈣)陶瓷纖維制品作為保溫材料，但由于其導熱系數較大，保溫效果并不好。所以需要尋找耐高溫、導熱系數更小的保溫材料進行替代。目前已研制出的一種名為氣凝膠的產品完全可以滿足這一要求，其導熱系數在常溫時小于空氣的導熱系數，約為0.02W/(m·℃)；當溫度為960℃時，其導熱系數約為0.06W/(m·℃)。因此，該材料適用于碟式及塔式太陽能熱發電系統高溫管道及設備的保溫。

3 提高太陽能熱發電系統的蒸汽發生器效率

(1)太陽能熱發電系統蒸汽發生器的效率公式

太陽能熱發電系統蒸汽發生器效率的計算方法不同于燃煤電站的鍋爐。

其計算公式為：

(2)提高太陽能熱發電系統蒸汽發生器的效率的措施

因各種太陽能熱發電技術的蒸汽發生器在加熱介質種類及溫度上有所不同，采用的換熱方式也不相同，故現僅以碟式發電系統的蒸汽發生器為例進行分析論述。提高碟式太陽能熱發電系統蒸汽發生器效率的措施包括：

① 采用新型的開口翅片管技術

為了提高蒸汽發生器的熱轉換效率，在蒸汽發生器各部分的結構設計上要充分考慮效率最高這一理念。例如，由于碟式發電系統采用的載熱介質為空氣，空氣較常規的燃煤鍋爐的煙氣干凈得多，故在設計時無需考慮蒸汽發生器積灰堵灰等問題，在省煤器的設計上可采用新型的開口翅片管技術，這相當于增加了省煤器的換熱面積，與直接采用光管的形式相比，效率可提高30%以上。

② 盡量提高加熱介質的進口參數

提高蒸汽發生器入口熱空氣的參數，相當于提高加熱介質的入口焓值，增大加熱面兩側的傳熱端差，可增強傳熱效果，提高傳熱效率。因此，蒸汽發生器入口的空氣溫度越高，設備效率越高。

③ 降低加熱介質的出口參數

降低蒸汽發生器加熱介質的出口參數，可增大加熱介質的焓降，同時減小尾部排放損失，從而提高蒸汽發生器的熱轉換效率。由于熱空氣不像燃煤鍋爐的煙氣含有SO2成分，可不用考慮蒸汽發生器的尾部煙道腐蝕問題，故可以盡量降低蒸汽發生器的排風溫度，以減小排放損失。

受蒸汽發生器給水溫度的限制，蒸汽發生器的排風溫度不可能無限度降低。常規火電廠由于考慮蒸汽發生器尾部煙道低溫硫酸腐蝕，排煙溫度一般設計在160℃以上，對應的給水溫度約為150℃。由于碟式太陽能熱發電系統使用熱空氣作為加熱介質，基本不含有硫化物，故可不考慮此限制。為此，在蒸汽發生器及汽輪機發電系統的設計過程中，可考慮采用盡量降低給水溫度的辦法來降低蒸汽發生器出口的排風溫度。

蒸汽發生器給水需要進行充分除氧。目前給水除氧主要采用化學除氧和熱力除氧兩種方式。兩種除氧方式比較，采用熱力除氧方式除氧效果較好，更適用于該系統。但采用熱力除氧方式，蒸汽發生器給水溫度要達到104℃以上，此時蒸汽發生器出口的排風溫度要高于120℃，這就限制了蒸汽發生器排風溫度的降低。為了解決這一問題，保證在不影響蒸汽發生器給水除氧效果的前提下仍能進一步降低蒸汽發生器出口的排風溫度，可對系統進行優化改進，從而使蒸汽發生器給水溫度降低到約60℃，排氣溫度降至約75℃。除氧給水優化改進后的系統如圖4所示。

另外，槽式熱發電方式對加熱介質采用閉式循環的方式，完全消除了蒸汽發生器的冷端損失，可大大提高蒸汽發生器的效率，從而提高整個系統的效率。

4 提高太陽能熱發電系統汽輪發電機組的效率

在當前市場上，汽輪發電機組是較成熟的常規產品。通過對比分析發現，提高汽輪發電機組的效率主要有以下幾種方法：

(1)提高汽輪機的進汽參數，降低排汽參數

提高汽輪機的進汽參數，降低排汽參數，相當于增大蒸汽在汽輪機中的焓降，即提高蒸汽的做功能力，這是提高汽輪機功率和效率非常有效的手段。

汽輪機排汽參數的降低對汽輪機效率的提高影響較大，但排汽參數一般受當地氣候條件如氣壓、溫度、濕度等的影響，不可能降得很低。因此，當汽輪機的進汽量和排汽參數一定時，提高汽輪機的進汽壓力和溫度，就成為提高效率的最有效措施。對于同樣裝機容量的汽輪發電機組，汽輪機的進汽壓力和溫度越高，則汽輪發電機組效率越高，發同樣電量時所需的蒸汽量越少。

對于非再熱純凝機組，熱電轉換效率η的計算公式為：

表1是對杭州汽輪機廠不同進汽參數機組熱電轉換效率的對比。從表中的數值可以看出，汽輪機的熱電轉換效率隨著汽輪機進汽參數(即進汽壓力、溫度)的提高而提高。

表1 杭州汽輪機廠不同進汽參數機組熱電轉換效率的對比

(2)提高汽輪發電機組的裝機容量

汽輪機的熱電轉換效率隨汽輪機進汽量的提高而提高。而提高進汽量，就是要盡量提高機組的單機裝機容量。

表2為南京汽輪機廠幾種不同純凝機型熱電轉換效率的對比。從表中的數值可以看出，當進汽壓力和溫度相同時，汽輪機的熱電轉換效率隨汽輪機進汽量(即機組容量)的提高而提高。

表2 南京汽輪機廠不同容量的機組熱電轉換效率的對比

(3)采用再熱式機組

對于再熱機組，進入汽輪機的總熱能不僅包括進入汽輪機新蒸汽的熱能，還應包括進入汽輪機再熱蒸汽的熱能。故熱電轉換效率η的計算公式為：

采用再熱，相當于減少了汽輪機的部分冷源損失，即部分蒸汽在汽機高壓缸內做功后，不經過冷凝器冷凝，直接進入蒸汽發生器進行再熱，然后再進入汽輪機進行做功，從而提高了系統的整體效率。

通常，再熱機組的效率要比相同容量的非再熱純凝機組高約3%～5%。但目前采用再熱形式的機組多為50MW以上的較大機組，小機組因采用再熱形式不太容易實現，故當前市場上很少被采用。

三 結論

綜上所述，提高太陽能熱發電系統的效率主要可從以下幾個方面進行：

1 盡量提高太陽能熱發電聚光集熱裝置及光熱轉換裝置的光熱轉換效率；

2 盡量提高太陽能熱發電載熱介質的傳輸效率；

3 盡量提高太陽能熱發電蒸汽發生器的效率；

4 盡量提高太陽能熱發電的汽輪發電機組的效率。

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