聚光太阳能是一种集热太阳能发电系统。聚光太阳能利用反射镜或透镜,利用光学原理将大面积的太阳光聚焦到相对较小的聚光区。发电机上的聚光区受到阳光照射,温度升高。利用光热转换原理将太阳能转化为热能,热能通过热机驱动发电机,达到发电的目的。
一、太阳能聚光原理
聚光太阳能发电的原理是将太阳光通过反射器收集到太阳能集热装置,利用太阳能加热集热装置中的传热介质(液体或气体),然后加水形成蒸汽驱动或直接驱动发电机发电。聚光太阳能发电和火力发电的原理基本相同,后端技术设备也完全一样。最大的区别在于发电所用的热源不同。聚光太阳能利用太阳能收集热量,火力发电利用煤炭、天然气等获取热量。
2. 聚光太阳能与光伏发电差异比较
● 工作原理不同
光伏发电将光子转化为电子,然后转化为化学电池,然后从直流电转化为交流电,为房屋和电网供电。在这个过程的每个环节都会损失大量的能量,而这只是在小规模的家庭储能上。如果达到公用事业规模,可以想象损失的能量会更多。聚光太阳能通过“光能-热能-机械能-电能”的转换过程发电。
聚光太阳能利用反射器、聚光器等聚光器将收集到的太阳辐射热能聚集到集热装置,在加热装置中对导热油或熔盐等传热介质进行加热。然后,水通过热交换装置被加热成高温高压蒸汽,蒸汽驱动汽轮机带动发电机发电。
聚光太阳能前端使用的热源与光伏相同,后端技术设备和光热发电原理基本相同。结合两者的优点,达到清洁稳定供电的目的。
● 不同的应用场景
光伏除了集中发电外,还可以分布式发电,比如建在家庭屋顶的太阳能设施,将太阳光转化为电子,将电能分配给家庭使用或分配到公共电网。聚光太阳能目前只能集中发电,特别适合在地势广阔、日照时间长的地区建设。
● 储能方式不同
光伏发电受天气影响较大,供电不稳定。传统的太阳能储存方式是使用锂电池。正规的储能锂电池企业对电芯的质量要求很高。锂电池相对昂贵并且可能存在安全问题。聚光太阳能可以将多余的热能储存在储能容器中,并在夜间或阴雨天释放,保证24小时连续稳定发电。相比之下,储能成本低,清洁环保。
3、聚光太阳能电站的组成
大型聚光太阳能电站可分为四大部分:集热系统、传热系统、蓄热系统、发电系统。
● 集热系统:集热系统负责吸收太阳辐射能,加热传热介质,为后续发电提供能量。它是聚光太阳能发电系统的核心部件。集热系统包括两个核心部件:聚光器和接收器。
聚光装置由中央控制系统控制,跟踪太阳的位置以收集和反射(重定向)最大量的太阳光,并将辐射能集中在接收器上。接收器利用收集到的能量加热内部介质,实现能量的吸收、储存和输送。
● 传热系统:传热系统是利用传热介质将集热系统收集的热能传递给后续系统的中间环节。目前最主流的工质是熔盐。
与早期使用的水和导热油相比,熔盐在熔融状态下可以保持更宽的工作温度范围,使系统能够在低压条件下吸收和储存热能。但由于高温熔盐对管道内部和储热罐内部有一定的腐蚀作用,对材料的要求比较高。
● 储热系统:聚光太阳能发电系统通过储热罐将集热器加热的介质集中储存起来,然后抽出与水进行热交换产生蒸汽,带动汽轮机发电。冷却后的工作流体然后可以再次流回收集器系统以重新加热。
将热能储存在储热罐中,在夜间或光照不足的情况下可继续工作一段时间,从而打破光照时间的限制,实现超长发电时间。同时,储能罐还具有调节输出功率的能力,可根据当地用电负荷适应电网调度发电。与光伏电站相比,聚光太阳能发电有自己的储热系统。
● 发电系统:聚光太阳能的发电系统与传统发电厂没有太大区别。它还通过加热水获得优质的过热蒸汽,驱动各种汽轮机发电。由于聚光太阳能所使用的传热介质是循环利用的,几乎不产生排放物,发电过程无疑更加环保。
4.聚光太阳能发电系统的种类
聚光太阳能按收集热量和能量的方式可分为塔式、槽式、碟式和菲涅耳式四种类型。未来,塔式将是发展的重点。
● 塔式聚光太阳能发电系统:点式聚焦集热系统利用自动跟踪太阳的大型定日镜场阵列,将太阳热辐射准确地反射到放置在塔顶的集热器上。投射在集热器上的太阳光被吸收并转化为热能加热中间介质,使其直接或间接产生540℃~560℃的蒸汽。一部分用于发电,另一部分热量储存起来,以备早晚或没有阳光照射时使用。
● 槽式聚光太阳能发电系统:又称槽式镜系统,是一种线聚焦式集热系统。利用大面积槽式抛物面镜反射太阳热辐射能,位于焦线上的集热器中的介质不断受热,将热能转化为电能。槽式聚光器是一种一维跟踪太阳的方式,属于中高温火力发电,串并联后发电量无限大。
● 碟式聚光太阳能发电系统:又称抛物面反射器斯特林系统,是一种点式聚焦集热系统,是世界上最早的太阳能热发电系统。集热系统由许多抛物面反射器组组成。接收器位于抛物面的焦点处,收集太阳辐射能,将接收器内的传热介质加热到750℃左右,驱动斯特林发动机发电。
● 菲涅耳式聚光太阳能发电系统:工作原理与槽式聚光太阳能发电系统相似,但采用由多个平面或微曲面光学镜组成的菲涅耳结构聚光器来代替抛物面镜。由许多平面单轴旋转镜组成的矩形镜场自动跟踪太阳。太阳光被反射并聚集到具有二次曲面和线性收集器的次镜上,将太阳能转化为热能,再转化为电能。
5、聚光太阳能的优点
● 聚光太阳能发电技术是唯一能够同时实现友好并网和有效调峰的可再生能源发电技术。完全有能力满足全球电力需求,有效减少二氧化碳排放。并且聚光太阳能发电技术可以与其他可再生能源发电技术混合发电,发电效果理想。
● 聚光太阳能发电设备在中国的国产化可以促进项目当地GDP的增长,这将成为全球扶持政策出台的主要推动力之一。
● 与联合循环或“二次投资”技术相比,聚光太阳能发电技术在满足新兴市场相关国家日益增长的电力需求方面具有成本优势。此外,当聚光太阳能装机容量从目前的5GW增加到能够与风电(500GW)或光伏(400GW)竞争时,成本优势将更加明显。
六,结论
目前,我国的聚光太阳能还处于示范工程阶段。聚光太阳能对建设环境的要求很高,这使得聚光太阳能在大规模推广上无法与光伏电站相抗衡。但不可否认的是,聚光太阳能将成为一种重要的储能形式。聚光太阳能可以与风电、光伏发挥协同、混合互补发电的作用,保证电力稳定输出,提高可再生能源在电力系统中的比重。