太阳能热动力发电技术原理与应用前景

温州商学院信息工程学院 李 宁 张思扬

1 引言

伴随社会经济的持续发展，生活水平的不断提升，人类对不可再生资源的需求也在相应日益扩大，自然而然，不可再生资源便会因而逐年减少。所以人类将渴求探索一种取之不尽、用之不竭的新能源，来满足我们当代社会的发展需求。太阳能显然就是我们寻求的重要资源之一。太阳能是一种新型能源。在我国分布广阔且蕴藏丰富。中国目前仍停留在以火力发电为主的粗放型能源开发模式，利用燃烧煤、石油、天然气等不可再生资源发热产生电能，效率相对低下。如今太阳能发电是众多发达国家所着重运用的能源开发手段。与传统发电模式相比，太阳能发电不仅有效保护了不可再生资源，而且对于我们生活的环境也裨益良多。当前，太阳能发电主要有两种方法：一是直接将太阳辐射能转换热能再转化为电能，称为太阳能热动力发电；二是利用光伏器件将太阳的光能转换为电能，称为太阳能光伏器件发电。

2 太阳能热动力发电技术原理

在传统的燃料发电厂中，都是以天然气、石油、煤等燃料发电，推动发电机发电，如图1黑色加粗的方框所示。太阳能热动力发电系统由太阳装置、储热槽、汽轮发电机、凝气器组成，如图1所示。

图1 典型太阳能热动力发电热力循环系统原理图

当发电系统运行时，依靠非自身电源供电，启动电机运行，从而带动整个发电系统稳定输出电量（此刻电机处于电动状态）。稳定之后，在太阳能辐射充足的情况下，供给储热槽加热，储热槽加热变成水蒸气，经过太阳能装置系统将太阳辐射从面积上浓缩产生高温，此时空气具备了高压条件，就有了足够的能量推动汽轮电机发电。从中可以得出的结论是：太阳辐射能越高，转换为机械能越大，整个发电系统输出的电量越多。

3 太阳能热动力系统构成

太阳能热动力系统基本组成结构有聚光集热子系统、储热子系统、辅助能源子系统、热动力发电系统。各系统各司其职，合力推动整体良性运转。

3.1 聚光集热子系统

太阳能聚光集热子系统可分集光器、接收器、太阳方向跟踪器三大件。

（1）聚光器的主要功能是将太阳集中在某一个点上，以提高集热的效果。例如菲涅尔透镜，其实菲涅尔透镜基本原理很简单，就是把一个塑料玻璃片，切成很多个同心圆的小型圆环（就像大树的年轮），每一个圆都比外面的圆环小，组合在一起，把光源聚在一个中心点上，从而形成我们的菲涅尔透镜。只要菲涅尔透镜足够大，就蜕化成了我们所需要的聚光器。

（2）接收器是聚光集热系统的集热部件。是光热装换的最重要部件。它接收聚光器的光，转换为热能，进而产生一定程度的高温高压气体来推动电机发电。

（3）太阳方向跟踪器的含义是：聚光器接收面实时跟踪太阳位置，主要目的是为了太阳辐射能得到最大程度的利用。在我们日常生活中常用的有两种跟踪方法：其一，太阳方向跟踪器基于太阳位置用天文学计算进行位置追踪；其二，太阳辐射传感器利用对太阳方向的判断实现跟踪，两种的跟踪方法各有千秋，也各有弊端。第一种方法的缺点是存在一定的累计误差；第二种则是在雨天或是多云的不利条件下，传感器容易找不到正确的聚光面。通常情况下我们会结合两种方式进行跟踪处理。

3.2 储热子系统

储热子系统是极为关键的一部分，在早晚和多云的情况下，电站必须依靠晴天所储蓄下的热动力来维持一段时间电机的正常运作，如果在夜间或是多云天气下热储蓄能不够的话，我们则可以考虑用常规的燃料来辅助热能。

储热子系统的工作方式和太阳能热能发电站密切相关，经典太阳能热动力发电站的运行方式为：八点左右太阳能聚光集热系统开始工作；九点左右启动汽轮电动机；十点之前集热装置一直在储热槽加热；十点到十三点汽轮电动机处于稳定状态并集热装置收集太阳热量直接供给汽轮电机，汽轮电机持续稳定输出电能；十三点之后接收太阳辐射和汽轮电机发电量持续下降，十五点起，太阳辐射开始强度衰减，此时储热系统开始释放热量，提供给汽轮电机正常发电，直到十八点三十分以后停止工作。

3.3 辅助能源子系统

为了能让太阳能热动力发电厂持续稳定的输出电量，保证热动力发电站汽轮电机长期工作，同样也是从经济角度来考虑，我们的热动力发电站在晚上和多云的天气下，不仅仅只是储热子系统在单独支撑发电机的运转，我们同时还在系统中添加普通燃料锅炉进行加热，启动汽轮电机。双管齐下，配合使用，从而保证电厂的电量24小时稳定输出，也能更充分利用太阳能资源。

3.4 监控子系统

监控子程序主要用于对太阳辐射和天气状况的实时记录与分析，以保证太阳能热电厂有效安全的工作。除此之外也对各个系统的热参数、电参数以及安全报警系统进行全面监控。

3.5 热动力发电系统

太阳能热动力发电子系统就是相应的常规能源热动力发电厂的热动力发电机组，其汽水系统则完全相同或相近的功能输出。

4 太阳能热动力应用前景与发展

据实而论，太阳能发电作为一个朝阳产业，在我国水平还处于初级阶段。前路漫漫，但也正好说明太阳能发电在中国具备很大的升值空间，特别是近几年来大气污染的日益严重，能源不断减少的式微局面下，太阳能发电也越来越得到大众的认可。本文接下来将重点从以下几个方面分析太阳能热动力的宝贵应用前景。

4.1 我国光热资源分析

据统计全国太阳辐射年总量和国土陆地总面积分别为3350—8370MJ/M、9597000平方公里，由此足可看出我国太阳资源总量丰富[1]，地域辽阔。另外，从全国辐射总量和地域开发总量方面分析，青海、西藏、新疆、甘肃、宁夏、内蒙古等地比较适合太阳能发电，特别是青藏高原，光照时长世界第二，但同样一个不得不面对的困境是：我国的太阳能资源分布是十分不均匀的。综上，我国太阳辐射能资源较好，利于太阳能发展，但因其分布的不平均，又给太阳能开发的本身带来了一定的现实操作难度。

4.2 太阳能热发电成本分析

太阳热发电最大的阻碍是热发电成本高，效益不明显，国际能源署(IEA)公布计算可再生能源系统发电成本的计算公式如下：

式中：LCE为太阳能热发电成本； Kinvest为热发电站的总投资费用；KOM为全年年运行维护与管理费用； Kfuel为全年燃料费用；Enet为全年年净发电量 ( 由全年发电量减去全年发电厂用电量得出 ) ；Kd为实际贷款利率；n为电站寿命；kinsurance为年保险费用[3]。

从公式1中可以看出太阳能发电成本与总投资、运行维护与管理费用、燃料费用、全年净发电量等息息相关。特别是合理规划热发电站的初期投资费用，乃是解决热发电电站成本高企的根本路径。其次，降低运行维修与管理费用、全年燃料费用也至关重要，力争实现成本最小化。

据统计，热发电站与其他类型发电站投资成本费用对比如表1所示[3.4]。

表1 热发电站与其他类型发电站投资成本费用表

从表1中可以看出，无论是哪种太阳能热发电类型，其成本都要高于其他类型的发电成本，其中与燃煤发电的对比尤为鲜明。应该说，成本问题在很大程度上制约了热发电技术的发展，再者就是太阳能热发电效率取决于太阳辐射的长短与强弱，这也就同时意味着发电状态的不稳定。另外，当前的太阳能热发电技术效率相对仍然较低，所以总体而论，全年年净发电量值（Enet）并不高。

4.3 国内太阳能热发电相关政策分析

近几年国家政策对太阳能发电技术支持的力度可谓十足，可以预见的是太阳能热动力发电日后在我国将获得较大的发展空间，表2是我国近年来对太阳能热动力发电部分政策支持。

表2 我国近年来对太阳能热动力发电部分政策

从表2中可以看出我国政府在制定太阳能热发电的相关政策中，对涉及到的电标杆上网电价政策、太阳能项目、产品服务指导等都给予了充分的重视。从2015年国家能源局《关于组织太阳能热发电示范项目建设》的通知中明确提出要组织开展一批太阳能热发电示范项目建设，到2016年国家发改委《关于建设太阳能热发电示范项目》的通知中率先确定第一批20个太阳能热发电示范项目，一年的时间，从组织到建设，有条不紊地推进，从容不迫的实施，这也从侧面反映出国家正在一步一步为太阳能热动力发电的发展迈进新征途，以期为太阳能事业的未来前景奠定坚强的基础。

4.4 太阳能发电技术项目建设情况与发展

政策的出台大大推动了太阳能热电的发展。根据国家可再生能源信息中心从各省上报资料汇总合计，2015年我国已建成实验示范性太阳能热发电站（系统）6座，装机规模为1.388万千瓦；于此同时，2016年另有一重要政策出台：能源局下发首批太阳能热发电示范项目名单，共有20个项目入选，包括9个塔式电站，7个槽式电站和4个菲涅尔电站，总计装机容量134.9万千瓦。

近年来，我国太阳能技术发展迅速，经济效益明显改善，但是我国太阳能发电技术上的经济效益、产业基础和一些发达国家相比，仍存有较大差距。缺乏技术实现资源开发，创新能力和基础研究能力不强，技术人才不足，开发利用成本比较高等都是我们目前太阳能开发拓展征途上的“拦路虎”，再加上客观外在生态环境下，太阳能资源在我国分布极不均匀，继而又引发出市场较小，不能连续工作等连锁问题。更为严重的是：目前我国的太阳能发电市场几乎没有自主竞争力，大部分相关企业都需依靠着政府的政策来谋求自身的进一步发展。因此，我国应该加大对高等院校、研究所、职业培养等人才培训的政策倾斜及资金支持，力争贡献出一支有能力、有活力、有担当的民营企业队伍，为太阳能热动力发电输送高素质人才，以此保证太阳能产业链的有序健康发展。长远来说，太阳能热动力发电技术在我国的产业链还十分的不健全，提出一条健康的发展思路，制定一份符合基本国情的政策方针，明确未来方向和侧重点因而更显刻不容缓。加强太阳能发电技术创新，方能引导太阳能发电走向产业顶峰。

4.5 太阳能热发电动力系统应用前景分析

以下我将运用SWOT分析法简单地对太阳能热发电系统在我国的应用前景做一个大致的罗列：

S：承前文所讲，太阳能热发电在我国的发展仍尚处于起步阶段，而我国政府对于太阳能发电的支持力度不可谓不强， 从组织开展示范项目建设到最终20个大项的率先确定，政策上空前的倾斜程度无疑为国内的自主企业铺陈了一条极为便利，壁垒甚少的拓展之路。

W：客观外界环境于太阳能发电不利的一点是我国的太阳能资源分布极为不均衡。太阳能资源相对集中于经济落后的地区，这便给太阳能发电的产业化带来了不小的难度，市场储备严重不足，同时也给资源的合理配置带来了极大的难度。

0：当前社会高速发展，不可再生资源的不可逆性也就注定了其损耗的惊人。为了维持生产生活的正常运转，将资源利用的重心转向可再生资源也便成了顺理成章的事情。更不用提太阳能发电本身的清洁性与传统发电模式相比，有着天然的优势，其特性与我们当前所提倡的环境保护，构建生态文明的理念不谋而合，从而也必将在未来赢得社会舆论与公众的更大认可，并为产业发展赢得巨大的发展潜力。

T：一个不得不面对的残酷现实是：虽然具备不小的发展空间，我国的太阳能发电产业尚稚嫩如初生的雏鹰。民营企业自主创新能力弱，技术水平低下，发电成本高企，效率不足等都是目前几乎难以一朝一夕逾越的巨大鸿沟。与西方发达国家相比，我方企业的竞争力是难匹敌，在丰厚的政策红利庇护下，生存之路依旧举步维艰。要想改变当前的困境，非单一个体的单一责任，亟待政府、企业、科研机构、社会公众各方三军用力。

5 结论

当代社会，不可再生资源日益匮乏，环境破坏严重的困局迫使我们进退维谷。因此，我们必须要充分利用起身边的可再生能源，从而保护我们已然为数不多的不可再生资源，此乃我们当代社会人的责任和担当。有人说太阳能热动力发电比光伏发电在原理上更为简单，实际上则并非如此。太阳能热动力细节上其实更难，更复杂。从很多角度出发分析，都可以看出目前的太阳能热动力发电技术还未得到完全的优化与改进，有着很大的不足，困扰着太阳能热动力发电的发展与进程。但是，有赖于国家的政策扶持和企业自身的创新与探索，我也相信在不久的将来，太阳能技术的开发和其产业链的发展必有一个巨大的飞跃，届时，太阳能发电技术将会实实在在地影响到我们每一个人的生活，太阳能热动力发电也会在各个领域得到广泛应用，也就是说，太阳能热动力发电技术的发展前景无疑是十分可观的。

[1]余军胜．太阳能光伏器件技术[D]．电子科技大学出版社,2011．

[2]贾婧．光热发电,太阳能利用的下一个蛋糕[EB/OL]．https∶//mp．weixin．qq．com/s?_biz=MzA4NzI4MDgyOQ==&mid=2650673399&id x=1&sn=fe565d9ed8dbe3a801c4bbe3efff84ee&chksm=88316d25bf46e4332 e04498ce0a7012326eaeee201f5c0b006a2f7ce5cbd342d842cf5519de4#rd．

[3]杜凤丽．降低聚光太阳能热发电成本的途径[J]．太阳能,2011．

[4]王鼎,时雨,胡婧婷,等．太阳能热发电技术综述及其在我国适用性分析[J]．电网与清洁能源,2016．