中國儲能網(wǎng)訊： 太陽能發(fā)電常用槽式發(fā)電、塔式發(fā)電、和蝶式發(fā)電。
槽式發(fā)電系統(tǒng) （parabolic trough solar power system），簡稱troughs。
槽式的意思是反射鏡面是彎曲的，接收管就在鏡面的上方，彎曲的鏡面恰好把陽光全部反射到接收管上（如圖）。接收管里面通常用油做介質(zhì)，現(xiàn)在的油都是人工混合油。被加熱的油傳送到蒸汽發(fā)生器中，熱交換產(chǎn)生蒸汽推動汽輪機發(fā)電。在太陽能電站，效率的高低跟溫度成正比例關(guān)系，可達到的溫度越高，發(fā)電效率越高。
因其較高的性價比而應用最廣，槽式發(fā)電技術(shù)也是最成熟的，占太陽能發(fā)電90%的市場份額。技術(shù)簡單成熟，造價不高，規(guī)模中等，屬于沒有特長但是全能型選手。蝶式發(fā)電不常見，下圖中的fresnel發(fā)電的原理其實和槽式差不多，已經(jīng)很少用了這里不再討論。槽式對地形有較高要求，平地最好（如圖）。
這里提一句，因為我是新能源專業(yè)，每個領(lǐng)域都有涉及，太陽能電廠選址是個問題，不但要考慮天氣氣候條件，地形是一個大問題，在風小塵小日晴值高又平坦又離供電區(qū)不太遠的地方不太好找。反過來風電可以跟地形良好契合。
塔式發(fā)電系統(tǒng)（solar tower power plant）是凈效率是最高的，因為可達溫度最高（500～1000攝氏度）。能達到這么高的溫度是因為用大量鏡子反射太陽光于一點。（如圖）
這么多鏡子照在一個點上，溫度多高可想而知。
Ivanph有17萬以上的鏡子（173500），是目前全世界最大的一個三級式塔式太陽能電站，即17萬鏡子分別照3個塔。一個塔發(fā)電126MWh，另外兩個133MWh，總的是377MWh-390MWh之間。這是塔式發(fā)電的另一個優(yōu)點：大規(guī)模發(fā)電。同等地理面積塔式發(fā)電規(guī)模是最大的，當然成本也會攀升。我后面會講到。這個電站介質(zhì)依舊用的熔鹽。德國、西班牙、美國是太陽能技術(shù)最發(fā)達的國家。中國沒有是因為沒有技術(shù)。有人提到鳥被烤死的情況，確實有，不過根本不可避免，死于風電風葉下的鳥多于被烤死的，而兩者之和也沒有死于輸油管道破裂或者運原油的船泄露殺死的鳥和魚多。
一個塔式電站大體上分5個模塊：鏡場、接收、轉(zhuǎn)換（鹽轉(zhuǎn)氣）、儲存、發(fā)電。但是每一個子系統(tǒng)都細分為眾多小模塊。
第一部分：鏡場（heliostat）。這部分是整個塔式太陽能電站花費最大的，差不多占40%左右。技術(shù)上包括跟蹤、定位、清潔等，清潔反而是最簡單的，對太陽位置的跟蹤以及自調(diào)節(jié)、對主塔的定位是技術(shù)難題，如果偏差1度那么在接受的裝置中就要損失N次方的能量。因此往往需要副定位系統(tǒng)（分布于鏡場四周的小塔，按有定位器）。且不說跟蹤定位這兩種高難的，單單是鏡子國內(nèi)就造不出來，高抗風性、抗塵性、高反射率、鍍膜等等技術(shù)國內(nèi)都沒有掌握。這里我提一下最最簡單的鏡子支架設計，什么環(huán)境用什么支架也是經(jīng)過計算的，如下面兩圖：設計完全不同，抗風效果大大不同，我嘗試在國內(nèi)找支架的資料，沒有找到。簡單處往往是成敗細節(jié)。
鏡場的熱損失也是最大的，包括余弦損失、隔擋損失、鏡子反射損失、在空氣中傳播的損失，此外當?shù)仫L速、氣溫也會影響熱傳遞。公式我就不寫了，總的損失控制好30%多，比較老的塔式電廠能達到43%，很大一個數(shù)字。如何盡量減小熱損失？就是通過一個最簡單的支架設計起步到鏡子最優(yōu)化排列，一點一點去減少每一個部分的損失。塔式發(fā)電在鏡場的一個好處是不受地形限制，槽式對地形有較高要求，最好是平地，但是塔式的鏡子是有支架的，意味著在小山坡也可以建。
接收器（receiver）是能量的第一次轉(zhuǎn)換，把太陽能傳遞給溶鹽（傳熱介質(zhì)heat transfer fluid），溶鹽（molten salts）做介質(zhì)在塔式發(fā)電比較常用，不貴，熱接受性能好，容易儲存。鏡場會反射過來上千度的高溫，因此接收器要有極好的耐高溫性能，因此特殊鍍膜材料非常重要，在接收器中，管道怎么走、密封、抗腐蝕都有講究。接收器的設計也分好幾種，例如圓柱式、內(nèi)孔式、立方式，應用哪一種根據(jù)電站規(guī)模，每一種的熱損也不同。
溶鹽吸熱之后會首先經(jīng)過第三部分儲存系統(tǒng)（storage system），溶鹽的儲存性能是最好的，儲存一周以上也只有微小的溫度下降，這是用它做介質(zhì)的原因之一。一般儲存系統(tǒng)會保證電廠晚間繼續(xù)發(fā)電，但是遇到陰天下雨的日間也會工作。儲存系統(tǒng)非常重要，因為可以削減發(fā)電成本，新能源發(fā)電是燒錢的，現(xiàn)在成本也沒有降下來，還是靠國家補貼。
第三部分的技術(shù)難題是溶鹽在管道的腐蝕性，考驗系統(tǒng)的密封性，另外溶鹽極易晶體化，就是凍住，這個過程不可逆，意味著操作不好整個儲存系統(tǒng)報廢。我的大學教授說他見過一個操作失誤的溶鹽儲存系統(tǒng)，凍的用斧子刨都刨不動。大家可以google美國ivanpah的儲存系統(tǒng)，超級大的，報廢了了不是鬧著玩的。為什么是兩個罐子呢，一冷一熱嘛，熱的進來冷的出去，形成循環(huán)。
因此在里面有持續(xù)加熱系統(tǒng)，這就增加了電廠的負載。
再往下走就到了第四部分在熱交換器（heat exchanger），在這發(fā)生第二次熱交換把水加熱成水蒸氣。大規(guī)模太陽能電站因為攜帶大功率渦輪機，所以需要蒸汽過熱（superheat steam），因此這個模塊也需要輔助加熱設備，技術(shù)上講這個模塊是最簡單的。不過熱的蒸汽叫做飽和蒸汽，大家應該知道渦輪機是很脆的玩意，飽和蒸汽打進去對葉片不好，而且飽和蒸汽的熱焓值也沒有過熱蒸氣高。因此過熱蒸汽很必要。
第五部分當然就是發(fā)電了，這里要說一個發(fā)電效率，整個發(fā)電站的發(fā)電效率簡單來說等于蒸汽機效率x發(fā)電機效率x二次轉(zhuǎn)化蒸汽的效率，能達到40%就燒高香了，通常35%左右，還是很低的。
發(fā)電機中國造的出，最大的短板是中國沒有好的渦輪機。一個百兆瓦級渦輪機幾萬個小部件小技術(shù)，說不過來。這個模塊中還有冷凝技術(shù)（condenser），回熱技術(shù)，這就跟普通發(fā)電廠沒什么區(qū)別了，系統(tǒng)圖里面最右邊那部分。
新的太陽能塔式發(fā)電技術(shù)又有直接蒸汽發(fā)電技術(shù)（direct steam generation DSG），即用水代替溶鹽，這個技術(shù)很好的，把溶鹽抽到百十來米的塔上很費電的，同時減少二次熱損。大體思路是先把水預熱，高溫閃蒸成過熱蒸汽，加壓推到汽輪機。缺點是受天氣因素影響太大，晴天沒問題，過一片云彩就不好了，而且另一個難題是不易儲存，儲存蒸汽基本還沒聽說過?，F(xiàn)在折衷的一個辦法是儲存空氣，德國julish塔式電站用這個技術(shù)，小日本也想用，把空氣加熱到極高的溫度（700度），用固體儲存系統(tǒng)（solid storage system）存起來，再經(jīng)過轉(zhuǎn)換器加熱水變成蒸汽。用的介質(zhì)叫ceramic honeycomb，好東西，儲存效果不錯，缺點是體積太大，多大本來不想說了，既然補充我就再說深一點，一個5MWh的電廠，4小時儲存，那么完美情況下，儲存系統(tǒng)大小是：6x6x34m。
如果用這種技術(shù)，整個接收器就變了，如圖：
當然了，儲存系統(tǒng)放的地方也變了，放在塔里面。請讓我再說一句，日本要學這個技術(shù)，人家也是復制，但是不止是復制，人家還有創(chuàng)新。
最前沿的新技術(shù)當屬超臨界二氧化碳循環(huán)技術(shù)，溫度突破1200攝氏度，大幅度提升效率，有望提高到60%，很了不起了。而且跳過蒸汽直接推動汽輪機。但是外國人正在研究，中國沒人研究只想等現(xiàn)成的。這個技術(shù)我能力有限，不能多說。
太陽能塔式發(fā)電有諸多難題，中國八達嶺延慶塔式發(fā)電算是一個示范項目，但是后續(xù)也不見動靜。一個塔式發(fā)電可以大規(guī)模帶動產(chǎn)業(yè)，發(fā)電已經(jīng)不是目的，假如有朝一日塔式發(fā)電真能建成，中國發(fā)動機、蒸汽機、新材料等諸多領(lǐng)域都發(fā)展起來了。
