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建在沙漠里的光热发电,成本为光伏4倍,真能取代光伏?
说起太阳能发电,想必大家已然不陌生,小到路边装有太阳能电池板的路灯,大到大型的太阳能发电站,都有太阳能发电的身影。只不过,这些太阳能发电项目多数是光伏发电,除了太阳能光伏外,还有一种利用太阳能转化为电能的方式——太阳能光热发电。
(一)什么是太阳能光热发电?
太阳能光热发电,是将比较集中的太阳光能通过传递介质转化为热能,然后再转化为电能的技术。一般光热发电系统可以分成四部分:集热系统、热传输系统、蓄热与热交换系统、发电系统。
集热系统,顾名思义就是聚集太阳能,并将太阳能转换为热能,简而言之就是利用太阳把集热工质(编者注:工质即实现热能和机械能相互转化的媒介物质)“烤热”。热传输系统,是通过泵等设备将工质输送给蓄热系统或热交换系统,传输过程就是一个字:“快”,以免工质“凉”下来。蓄热和热交换系统,相当于一个“大电池”和一座“烧火炉”。
蓄热系统将送来的热量存储下来,热交换系统将工质(一般是水)“烧开”成蒸汽,来推动汽轮机旋转。发电系统则类似常规火力发电系统,蒸汽驱动汽轮机,再带动发电机发电。
所以,太阳能光热发电经历了四步能量转换过程:光能——热能(存起来或者发电)——机械能(汽轮机转动)——电能。
光热发电四大系统
光热发电按所加热介质的温度高低分为高温发电和低温发电。高温太阳能光热发电都是采用以水蒸气为介质的朗肯循环。而低温太阳能发电是以低沸点有机物为工质的朗肯循环。
朗肯循环
目前国际上光热发电的主流形式为高温光热发电,又可以根据集热形式不同分为塔式、槽式、碟式等种类。
塔式系统利用多台平面反射镜(称为定光镜),将太阳光反射到中心高塔顶部的接收器上(下方左侧图中发光的部分),并转换成热能传给工质。槽式系统的聚光镜为槽型抛物面,一般成串使用,细长型的管状集热器被固定在聚光镜的焦点线上,工质在集热管内被加热。目前,国际上已投运或在建的光热发电站中,槽式光热发电系统较多。
碟式光热发电是利用旋转抛物面聚光镜将太阳光聚集在集热器上,集热器内的工质被加热从而驱动发电机做功发电的一种发电方式,是目前发电效率最高的,可达30%。
塔式、槽式、碟式光热发电
(二)塔式、槽式、碟式,三种技术路线大PK
上文提到了光热发电的三大主流形式——塔式、槽式、碟式系统。下面我们来一探究竟。
1、塔式光热发电系统
塔式系统的聚光镜一般是定日镜群(编者注:定日镜即将太阳或其他天体的光线反射到固定方向的光学装置),将阳光聚集到一个固定在接收塔顶部的接收器上,接收器上的吸热器吸收由定日镜系统反射来的高热流密度辐射能。
目前,国内外采用的定日镜大多是镜表面具有微小弧度的平凹面镜。和其他两种不同的是,塔式系统可通过熔盐储热,具有聚光比高、工作温度高、热传递路程短、热损耗少、系统综合效率高等特点,可实现高精度、大容量、连续发电,适合大规模并网发电。
2、槽式光热发电系统
槽式系统因为聚光镜为槽式抛物面,所以太阳光会聚焦在一条直线上,即焦线。在这条焦线上安装管状太阳能集热器,用来吸收聚焦后的太阳辐射能。
其关键技术在于聚光镜的生产制造,以及两个方面的控制,一个是自动跟踪控制,使得槽式聚光器时刻对准太阳,以保证最大限度的吸收太阳能,据统计跟踪比非跟踪所获得的能量要高出37.7%。另外一个是传热液体回路的温度与压力控制。
槽式系统聚光后温度可达到400°C左右。
槽式系统原理图
3、碟式光热发电系统
碟式系统为点聚焦,于焦点处的太阳能接收器收集高温热能,加热工质,驱动发电机组,或在焦点处直接放置太阳能斯特林发电装置。这种系统具有寿命长、效率高、灵活性强等特点,可以独立运行,非常适合作为边远地区的小型电源使用。
一般碟式太阳能热发电功率为10.25kW,聚光镜直径为5.10米。
小型碟式光热发电装置
综合对比三种技术路线,塔式在大规模发电中最具有发展潜力,但是前期单位投资过大且降低造价很难,缺乏大规模发电装置运行的实际经验;
槽式系统结构相对简单、技术较为成熟,商业化运营经验丰富,仍是当前光热发电的主流路线,但其聚光比小、系统工作温度低、核心部件真空管技术尚未成熟、吸热管表面选择性涂层性能不稳定等问题仍旧存在;
碟式的热效率最高,结构紧凑、安装方便,非常适合分布式小规模能源系统,但斯特林热机关键技术难度大,目前仍处于试验示范阶段。
三种技术路线比较(2013年)
(三)都是利用太阳能,光伏发电和光热发电有啥不一样?
光伏发电的原理称为“光生伏特”,就是当太阳光照射到太阳能电池上时,电池吸收光能,在电池的两端出现异号电荷积累,即产生电压,引出电极并接上负载,就产生电流。
光伏电池发电原理与光伏电站系统图
所以,除了来源都是太阳,光伏发电和光热发电完全是两码事。但是它俩经常被放在一起比较,看看谁更厉害。我们今天也来比一比,
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