所謂太陽能熱發(fā)電，就是利用太陽聚光集熱器把太陽輻射能高密度地匯聚起來，通過光－熱轉(zhuǎn)換裝置，獲得數(shù)百度甚至上千度的高溫工質(zhì)熱源，然后再通過蒸汽發(fā)生器利用高溫工質(zhì)將水加熱到過熱蒸汽狀態(tài)，驅(qū)動常規(guī)蒸汽輪機發(fā)電機組，進行常規(guī)發(fā)電的裝置。除此之外，還有一類直接利用太陽光輻射來加熱半導體材料，或雙金屬片組成的組件，利用兩種材料間存在溫差時，高溫度材料中的電子具有較高的動能，從而引起電子的擴散，導致在溫差電路的兩端產(chǎn)生電動勢，用導線加上負載后就會有電流通過的物理現(xiàn)象，來進行的所謂“溫差發(fā)電”。我國20世紀五六十年代曾一度出現(xiàn)過的小功率半導體溫差發(fā)電收音機就屬該類裝置。由于此類發(fā)電系統(tǒng)所能產(chǎn)生的功率很小，遠未進入到商業(yè)化開發(fā)利用的階段，故不再贅言。
世界上現(xiàn)有實用價值的太陽熱發(fā)電系統(tǒng)大致可分為:槽式線聚焦系統(tǒng)、塔式面聚焦系統(tǒng)、碟式(斯特林)發(fā)電系統(tǒng)和太陽能熱煙囪發(fā)電系統(tǒng)等幾大類。
(1)槽式線聚焦系統(tǒng):采用長槽型拋物柱面聚焦系統(tǒng)，將若干倍軸向兩側(cè)面積上的太陽輻射能，聚焦在系統(tǒng)焦線上的小范圍，形成高能量密度的太陽輻射能，用于加熱焦線管道中的導熱油或融熔鹽載熱工質(zhì);再將獲得高溫的工質(zhì)，輸送往蒸汽發(fā)生器加熱軟水，從而獲取過熱蒸汽;最后利用過熱蒸汽推動汽輪發(fā)電機組發(fā)電。槽型拋物柱面聚焦系統(tǒng)按東西方向布陣安裝，只需跟蹤南北一個方向上每月8°左右的太陽位移，就可達到聚焦加熱工質(zhì)的目的。但因為該型系統(tǒng)的幾何聚光比不是很高，焦線加熱溫度一般只在260°C ～ 570°C之間，而且工質(zhì)輸送路線太長，高溫工質(zhì)的熱損較大，故熱發(fā)電效率不是很高。
圖6. 10槽式太陽熱發(fā)電
(2)塔式面聚焦系統(tǒng):利用高塔周圍眾多的平面反光鏡組成的反光定日鏡陣列，在日光跟蹤系統(tǒng)的統(tǒng)一控制下，將大面積上的太陽輻射能全面集中到高塔頂部太陽接收器上，加熱過熱蒸汽驅(qū)動汽輪機發(fā)電。該型系統(tǒng)的定日鏡需要雙軸跟蹤，幾何聚光比較高，工質(zhì)溫度一般可達500°C ～1 000°C，輸送距離較近，故系統(tǒng)的發(fā)電效率，要遠高于槽式熱發(fā)電系統(tǒng)。
圖6.1 塔式太陽熱發(fā)電
圖6.12 蝶式太陽熱發(fā)電
(3)碟式(斯特林)發(fā)電系統(tǒng):系由多個相對獨立，各自具備自動雙軸跟蹤功能的拋物球面，碟式反射聚光集熱裝置及光熱轉(zhuǎn)換裝置“合二為一”的發(fā)電系統(tǒng)。這種發(fā)電裝置的載熱工質(zhì)就用空氣，聚焦和光熱轉(zhuǎn)換裝置合為一體，聚焦比較高、載熱工質(zhì)溫度最高可達1 500°C左右，而且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，因而熱發(fā)電效率高于槽型和塔式系統(tǒng)。根據(jù)熱力學第二定律，任何熱能轉(zhuǎn)換過程都伴隨著損失。任何熱機都不可能從單一熱源吸取熱量并使之全部轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械功;在熱機從熱源吸取的熱量中，必然有一部分要傳遞給低于熱源溫度的冷凝器。理想熱機的效率(ηm)，等于熱機輸出的機械功(W)與熱源向熱機供給的熱量(Q1)之比:
ηm= W / Q1=(Q1－ Q2)/ Q1=(T1－ T2)/ T1 (6. 7. 1)式中:Q2為熱機向冷源排除的熱量;
T1為熱源溫度(K);
T2為冷(凝器)源溫度(K)。
據(jù)此，可知要提高太陽能熱發(fā)電熱機的效率(ηm)，熱源溫度(Q1)就要越高越好;而冷凝器溫度(Q2)，則要求越低越好。事實上，對太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)而言，所謂“冷源”(即冷凝器)就是環(huán)境溫度。而環(huán)境溫度是不可能按人的意志就能輕易控制降低的溫度;因此要提高太陽能熱發(fā)電熱機的效率，出路只有一條，即盡可能提高熱源的溫度。在太陽能熱發(fā)電中，我們只能通過提高太陽聚光集熱器的聚焦比和系統(tǒng)對太陽的跟蹤精度，來獲取更多的太陽輻照熱量。但是隨著聚焦點溫度的升高，對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料的物理性能和高溫強度要求也就越高。此外，還有設(shè)備的造價和使用壽命等問題，也都必須通盤權(quán)衡考慮。綜其所述，各種相互影響又相互制約因素的存在，使得太陽能熱發(fā)電，成為一時難以得到大規(guī)模普及利用的難題。
太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的效率(ηS)，等于集熱器光熱轉(zhuǎn)換效率(ηc)，熱機效率(ηm)和汽輪發(fā)電機發(fā)電效率(ηe)的乘積，即：
ηS=ηc×ηm×ηe (6. 7. 2)由于太陽日照存在不連續(xù)、不穩(wěn)定和周期性與地域性等影響因素，為了保證社會生產(chǎn)和民眾生活的正常需要，太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)就必須配備有足夠容量的高溫工質(zhì)儲能裝置，或者建設(shè)成混合型的發(fā)電系統(tǒng)，在必要時動用常規(guī)輔助能源來維持發(fā)電設(shè)備的正常運轉(zhuǎn)，以保證用戶生產(chǎn)、生活用電。這是上述三種太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)共同面臨的問題。我國的光熱發(fā)電還處于起步探索的初始階段，截至2012年年底全國只建成小型的示范性電站6座，總共裝機容量也只有1. 38萬kW。
(4)太陽能熱煙囪發(fā)電系統(tǒng):眾所周知，當太陽光投射到大地上后，在有森林植被的地方當陽光灑在綠色植物上后，在葉綠素的作用下綠色植物能將二氧化碳和水加工成碳水化合物并釋放出氧氣，進行平靜而無聲無息的光－化學反應(yīng)。而在沒有植被覆蓋的荒漠地帶，情況就完全是另外一回事了;灼熱的陽光把大地烤得烽火連天的滾燙，隨即大地又把熱量傳遞給空氣，空氣受熱后體積膨脹，比重降低，形成一股股強大的上升氣流扶搖直上九霄;幾乎以此同時，處于臨近高緯度地區(qū)低溫地帶的冷空氣層，或更西邊高原上被遲到的太陽還沒有來不及加熱的高密度冷氣團，敏銳地感知到大氣層中這種微妙的壓差變化;在冰冷的寂靜中一個蓄勢待發(fā)的危機正在形成，可能就在一只蝴蝶翅膀的輕輕撲動下，這種陰森的大氣壓差平衡隨即被打破，頃刻之間觸發(fā)了冷氣團的大暴動，強大的冷空氣瞬間迅速做出反應(yīng)，以千軍萬馬之勢呼嘯著穿過山谷和平原，撲向熱空氣團上升后流留下的“真空”空缺;于是就形成了我們說的“寒流”或者“風”。風就是帶有強大空氣動能的氣流團。人們在風常年吹過的通道上架設(shè)高塔，安裝大型空氣螺旋槳，利用風的動力來推動槳葉的旋轉(zhuǎn)，把空氣動力轉(zhuǎn)換為機械能以推動發(fā)電機發(fā)電，這就是我們所說利用氣象能的“風力發(fā)電”。應(yīng)該說風力發(fā)電也是太陽能“熱”發(fā)電的一種形式，它利用太陽對不同緯度地區(qū)和地形地貌不均衡的熱輻照造成大范圍空氣的宏觀橫向水平運動，所產(chǎn)生的強大空氣動能來發(fā)電。此外，還有一種利用熱空氣縱向垂直的上升運動，所產(chǎn)生動力來發(fā)電的系統(tǒng)。這種系統(tǒng)為獲得持續(xù)而源源不斷的縱向上升氣流，一般是通過建設(shè)一個大面積的集熱玻璃暖棚，來吸收太陽輻射能，使大型集熱暖棚中的氣溫、氣壓升高，形成高溫、高壓的溫室效應(yīng);然后將集熱暖棚中的熱空氣通過一個垂直向上的大口徑熱煙囪，利用煙囪筒體的隔絕作用，以及煙囪筒體高低兩端自然形成的大氣壓力差;引導集熱棚中的暖熱空氣定向釋放，從而產(chǎn)生持續(xù)不斷的強大熱空氣流體的動壓沖擊，來驅(qū)動置于熱煙囪底部的軸流式風力渦輪機，帶動發(fā)電機進行發(fā)電;這就是所謂的“太陽能熱煙囪發(fā)電”
圖6. 13太陽能熱煙囪發(fā)電(照片及原理示意圖
據(jù)資料介紹，1981年德國政府投資在西班牙新建了一座50kW的太陽能熱煙囪發(fā)電站，該發(fā)電站的熱煙囪高150m，直徑10m，塑料集熱采光大棚直徑240m(占地約68畝)。該電站自1982年投入使用至今共運行15 000h，運轉(zhuǎn)率為95%，造成其停機原因是西班牙電網(wǎng)限制，周末由于用電量大幅減少，禁止發(fā)電造成的。
太陽能熱煙囪發(fā)電與上述幾種熱發(fā)電技術(shù)相比較，有一系列優(yōu)越之處:第一，它不需要高精度的日光跟蹤技術(shù)，復雜的設(shè)備制造工藝，耐高溫材料和造價高昂的儲能設(shè)備;以及高溫導熱工質(zhì)等特殊原材料。第二，對太陽資源的要求有所降低，因為集熱棚不僅采集太陽的直射光，還可有效地采集利用太陽的散射光和漫反射光，因此適用范圍可擴大到陰雨天較多，但環(huán)境溫度較高，地形上升氣流強大的熱帶、亞熱帶雨林地區(qū)。第三，只需適當增加集熱棚內(nèi)的地面蓄熱設(shè)備，系統(tǒng)即可實現(xiàn)24h連續(xù)高效運轉(zhuǎn)。第四，安全可靠，只需維護好風力渦輪發(fā)電機組這個唯一的運轉(zhuǎn)部件;既不需要冷卻水，也不需要特殊的原輔材料和人力資源，就可維持長時間的安全運轉(zhuǎn)。第五，由于到達地球表面的太陽輻射能量密度低，所以造成各種太陽能發(fā)電系統(tǒng)都要占用很大的土地面積，但太陽能熱煙囪發(fā)電系統(tǒng)所占用的塑料或玻璃為主構(gòu)建的集熱采暖溫室大棚，與其他光伏－光熱發(fā)電項目高價值材料建造的完全排他性占用土地的使用方式不同，還可相機加以其他相應(yīng)的開發(fā)利用;例如可以作為某些工廠生產(chǎn)余熱的釋放場所等。綜合開發(fā)利用后，太陽能熱煙囪發(fā)電系統(tǒng)會有更好的社會經(jīng)濟效益。綜其所述，可以認為太陽能熱煙囪發(fā)電技術(shù)，也許是更為適合我國國情和云南省情的一種新型的太陽熱發(fā)電技術(shù)。事實上，云南在太陽能熱煙囪利用上，早就在20世紀末期開發(fā)的太陽能干燥工程項目上，就有過一系列成功的應(yīng)用經(jīng)驗;而且在云南境內(nèi)就有多個地處亞熱帶地區(qū)，環(huán)境溫度較高，又缺乏水資源的干熱“壩子”;或環(huán)境溫度較高的石漠化丘陵盆地;對此類基本喪失工、農(nóng)業(yè)開發(fā)價值，生態(tài)脆弱，又容易形成地形上升氣流的石漠化丘陵山區(qū)，如果能將其用于開發(fā)熱煙囪發(fā)電，某種情況下可能比光伏發(fā)電，或其他熱發(fā)電形式的經(jīng)濟效益都會更為理想。在國家發(fā)改委制定的我國“可再生能源發(fā)展十二五”規(guī)劃中，規(guī)劃2015年以前，我國將新建100萬kW的太陽能熱發(fā)電裝置，到2020年我國太陽能熱發(fā)電站裝機總量預計將達到300萬kW。我們期望在短期內(nèi)，云南在太陽能熱煙囪發(fā)電項目方面，會有成功的范例展現(xiàn)在世人面前。
