在太阳能热发电技术中,太阳热能间接发电已有100多年的发展历史,通常所说的太阳能热发电技术主要是指太阳热能间接发电,即太阳热能通过热机带动常规发电机发电。
从能源输入端转化利用模式看,太阳能热发电系统的发展经历了三个不同的阶段,逐步形成两大类系统：单纯太阳能热发电系统、太阳能与化石能源综合互补系统和太阳能热化学重整复合系统。当然,若从系统输出目标看,这三类系统也还都有各自不同功能类别的系统,如单纯发电的、热电联产或冷热电多联产的以及化工(或清洁燃料)电力多联产的等。
1.单纯太阳能热发电系统
早期的太阳能热发电技术多采用单纯太阳能利用模式,由于太阳能利用的不连续性和间歇性,往往需将蓄热装置集成到系统中。以提高系统的稳定性。按照太阳能聚光集热方式的不同,单纯太阳能热发电系统又可分为聚光型太阳能热发电系统和非聚光型太阳能热发电系统。聚光型太阳能热发电系统又可分为抛物槽式、碟式、塔式三种热发电系统；非聚光型太阳能热发电系统又分为太阳能热气流发电和太阳池发电等系统。单纯太阳能热发电系统作为本节的重点将在后文中对各系统原理及结构进行详细阐述。
2.太阳能与化石能源综合互补系统
鉴于单纯太阳能模式下运行的太阳能热电站存在许多问题,特别是考虑到开发太阳能热发电系统的投资和发电成本以及目前的蓄热技术还不够成熟等,将太阳能与常规的发电系统整合成多能源互补的系统受到了关注,得到广泛应用。太阳能与其他能源综合互补的利用模式,不仅可以有效地解决太阳能利用不稳定的问题,同时可利用成熟的常规发电技术,降低了开发利用太阳能技术的经济风险。太阳能与化石能源互补系统有多种不同的互补形式,根据所集成的常规化石燃料电站的不同,可以分为以下三类：
第一类是将太阳能简单地集成到朗肯循环(汽轮机)系统中(图3.3),该系统由太阳能集热器、蒸汽轮机、锅炉、烟囱等组成。系统将太阳能集成到燃煤电站中,可以有效地减少燃料量,节约常规能源和减少污染物排放。
图3.3 太阳能集成到燃煤电站的多能源互补发电系统(www.xing528.com)
第二类是将太阳能集成到布雷顿循环(燃气轮机)系统中(图3.4),该系统由太阳能集热器、燃气轮机和燃烧室等组成,它是利用太阳能来加热压气机出口的高压空气,以减少燃料量。在这类电站中,太阳能将空气加热到800℃,然后进入燃烧室经过燃料加热到1300℃,最后进入燃气轮机膨胀做功,实现太阳能向电能的转化,该系统的太阳能净发电效率高达20%,对应的太阳能份额为29%。
第三类是将太阳能集成到联合循环中,即ISCCS。根据所采用的太阳能集热技术和集热温度,可以实现不同温度的太阳能注入方式,其中最为典型的方式是将太阳能注入到余热锅炉中或者直接产生蒸汽注入汽轮机的低压级。图3.5给出了一个ISCCS系统,它由太阳能集热器、涡轮装置热回收锅炉和燃烧室组成。
图3.4 太阳能预热空气的多能源互补发电系统
3.太阳能热化学重整复合系统
德国和以色列等国学者提出太阳能热化学重整系统集成的概念,它是利用太阳能热来重整天然气,制得的合成气再进入动力系统进行发电。在太阳能热重整与燃料提升系统中,天然气与水蒸气进行混合,然后进入太阳能重整器中发生催化重整反应。该过程是一个强吸收反应,将太阳能转化为燃料的化学能,使反应后的产物(合成气)的热值得到提升。冷却后的合成气再送人燃烧室替代天然气的直接燃烧。系统中太阳能热化学反应装置是通过低聚光比的抛物槽式集热器将中温太阳热能聚集与碳氢燃料热解或重整的热化学反应相整合,可以将中低温太阳热能提升为高品位的燃料化学能,从而实现了低品位太阳热能的高效能量转换与利用。图3.6为中科院工程热物理所金红光研究员等人提出的中温太阳能甲醇制氢-发电联产系统。
图3.5 ISCCS发电系统
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