中國儲能網(wǎng)訊： 太陽能發(fā)電常用槽式發(fā)電、塔式發(fā)電、和蝶式發(fā)電。
槽式發(fā)電系統(tǒng) （parabolic trough solar power system），簡稱troughs。
槽式的意思是反射鏡面是彎曲的，接收管就在鏡面的上方，彎曲的鏡面恰好把陽光全部反射到接收管上（如圖）。接收管里面通常用油做介質(zhì)，現(xiàn)在的油都是人工混合油。被加熱的油傳送到蒸汽發(fā)生器中，熱交換產(chǎn)生蒸汽推動汽輪機(jī)發(fā)電。在太陽能電站，效率的高低跟溫度成正比例關(guān)系，可達(dá)到的溫度越高，發(fā)電效率越高。
因其較高的性價(jià)比而應(yīng)用最廣，槽式發(fā)電技術(shù)也是最成熟的，占太陽能發(fā)電90%的市場份額。技術(shù)簡單成熟，造價(jià)不高，規(guī)模中等，屬于沒有特長但是全能型選手。蝶式發(fā)電不常見，下圖中的fresnel發(fā)電的原理其實(shí)和槽式差不多，已經(jīng)很少用了這里不再討論。槽式對地形有較高要求，平地最好（如圖）。
這里提一句，因?yàn)槲沂切履茉磳I(yè)，每個(gè)領(lǐng)域都有涉及，太陽能電廠選址是個(gè)問題，不但要考慮天氣氣候條件，地形是一個(gè)大問題，在風(fēng)小塵小日晴值高又平坦又離供電區(qū)不太遠(yuǎn)的地方不太好找。反過來風(fēng)電可以跟地形良好契合。
塔式發(fā)電系統(tǒng)（solar tower power plant）是凈效率是最高的，因?yàn)榭蛇_(dá)溫度最高（500～1000攝氏度）。能達(dá)到這么高的溫度是因?yàn)橛么罅跨R子反射太陽光于一點(diǎn)。（如圖）
這么多鏡子照在一個(gè)點(diǎn)上，溫度多高可想而知。
Ivanph有17萬以上的鏡子（173500），是目前全世界最大的一個(gè)三級式塔式太陽能電站，即17萬鏡子分別照3個(gè)塔。一個(gè)塔發(fā)電126MWh，另外兩個(gè)133MWh，總的是377MWh-390MWh之間。這是塔式發(fā)電的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)：大規(guī)模發(fā)電。同等地理面積塔式發(fā)電規(guī)模是最大的，當(dāng)然成本也會攀升。我后面會講到。這個(gè)電站介質(zhì)依舊用的熔鹽。德國、西班牙、美國是太陽能技術(shù)最發(fā)達(dá)的國家。中國沒有是因?yàn)闆]有技術(shù)。有人提到鳥被烤死的情況，確實(shí)有，不過根本不可避免，死于風(fēng)電風(fēng)葉下的鳥多于被烤死的，而兩者之和也沒有死于輸油管道破裂或者運(yùn)原油的船泄露殺死的鳥和魚多。
一個(gè)塔式電站大體上分5個(gè)模塊：鏡場、接收、轉(zhuǎn)換（鹽轉(zhuǎn)氣）、儲存、發(fā)電。但是每一個(gè)子系統(tǒng)都細(xì)分為眾多小模塊。
第一部分：鏡場（heliostat）。這部分是整個(gè)塔式太陽能電站花費(fèi)最大的，差不多占40%左右。技術(shù)上包括跟蹤、定位、清潔等，清潔反而是最簡單的，對太陽位置的跟蹤以及自調(diào)節(jié)、對主塔的定位是技術(shù)難題，如果偏差1度那么在接受的裝置中就要損失N次方的能量。因此往往需要副定位系統(tǒng)（分布于鏡場四周的小塔，按有定位器）。且不說跟蹤定位這兩種高難的，單單是鏡子國內(nèi)就造不出來，高抗風(fēng)性、抗塵性、高反射率、鍍膜等等技術(shù)國內(nèi)都沒有掌握。這里我提一下最最簡單的鏡子支架設(shè)計(jì)，什么環(huán)境用什么支架也是經(jīng)過計(jì)算的，如下面兩圖：設(shè)計(jì)完全不同，抗風(fēng)效果大大不同，我嘗試在國內(nèi)找支架的資料，沒有找到。簡單處往往是成敗細(xì)節(jié)。
鏡場的熱損失也是最大的，包括余弦損失、隔擋損失、鏡子反射損失、在空氣中傳播的損失，此外當(dāng)?shù)仫L(fēng)速、氣溫也會影響熱傳遞。公式我就不寫了，總的損失控制好30%多，比較老的塔式電廠能達(dá)到43%，很大一個(gè)數(shù)字。如何盡量減小熱損失？就是通過一個(gè)最簡單的支架設(shè)計(jì)起步到鏡子最優(yōu)化排列，一點(diǎn)一點(diǎn)去減少每一個(gè)部分的損失。塔式發(fā)電在鏡場的一個(gè)好處是不受地形限制，槽式對地形有較高要求，最好是平地，但是塔式的鏡子是有支架的，意味著在小山坡也可以建。
接收器（receiver）是能量的第一次轉(zhuǎn)換，把太陽能傳遞給溶鹽（傳熱介質(zhì)heat transfer fluid），溶鹽（molten salts）做介質(zhì)在塔式發(fā)電比較常用，不貴，熱接受性能好，容易儲存。鏡場會反射過來上千度的高溫，因此接收器要有極好的耐高溫性能，因此特殊鍍膜材料非常重要，在接收器中，管道怎么走、密封、抗腐蝕都有講究。接收器的設(shè)計(jì)也分好幾種，例如圓柱式、內(nèi)孔式、立方式，應(yīng)用哪一種根據(jù)電站規(guī)模，每一種的熱損也不同。
溶鹽吸熱之后會首先經(jīng)過第三部分儲存系統(tǒng)（storage system），溶鹽的儲存性能是最好的，儲存一周以上也只有微小的溫度下降，這是用它做介質(zhì)的原因之一。一般儲存系統(tǒng)會保證電廠晚間繼續(xù)發(fā)電，但是遇到陰天下雨的日間也會工作。儲存系統(tǒng)非常重要，因?yàn)榭梢韵鳒p發(fā)電成本，新能源發(fā)電是燒錢的，現(xiàn)在成本也沒有降下來，還是靠國家補(bǔ)貼。
第三部分的技術(shù)難題是溶鹽在管道的腐蝕性，考驗(yàn)系統(tǒng)的密封性，另外溶鹽極易晶體化，就是凍住，這個(gè)過程不可逆，意味著操作不好整個(gè)儲存系統(tǒng)報(bào)廢。我的大學(xué)教授說他見過一個(gè)操作失誤的溶鹽儲存系統(tǒng)，凍的用斧子刨都刨不動。大家可以google美國ivanpah的儲存系統(tǒng)，超級大的，報(bào)廢了了不是鬧著玩的。為什么是兩個(gè)罐子呢，一冷一熱嘛，熱的進(jìn)來冷的出去，形成循環(huán)。
因此在里面有持續(xù)加熱系統(tǒng)，這就增加了電廠的負(fù)載。
再往下走就到了第四部分在熱交換器（heat exchanger），在這發(fā)生第二次熱交換把水加熱成水蒸氣。大規(guī)模太陽能電站因?yàn)閿y帶大功率渦輪機(jī)，所以需要蒸汽過熱（superheat steam），因此這個(gè)模塊也需要輔助加熱設(shè)備，技術(shù)上講這個(gè)模塊是最簡單的。不過熱的蒸汽叫做飽和蒸汽，大家應(yīng)該知道渦輪機(jī)是很脆的玩意，飽和蒸汽打進(jìn)去對葉片不好，而且飽和蒸汽的熱焓值也沒有過熱蒸氣高。因此過熱蒸汽很必要。
第五部分當(dāng)然就是發(fā)電了，這里要說一個(gè)發(fā)電效率，整個(gè)發(fā)電站的發(fā)電效率簡單來說等于蒸汽機(jī)效率x發(fā)電機(jī)效率x二次轉(zhuǎn)化蒸汽的效率，能達(dá)到40%就燒高香了，通常35%左右，還是很低的。
發(fā)電機(jī)中國造的出，最大的短板是中國沒有好的渦輪機(jī)。一個(gè)百兆瓦級渦輪機(jī)幾萬個(gè)小部件小技術(shù)，說不過來。這個(gè)模塊中還有冷凝技術(shù)（condenser），回?zé)峒夹g(shù)，這就跟普通發(fā)電廠沒什么區(qū)別了，系統(tǒng)圖里面最右邊那部分。
新的太陽能塔式發(fā)電技術(shù)又有直接蒸汽發(fā)電技術(shù)（direct steam generation DSG），即用水代替溶鹽，這個(gè)技術(shù)很好的，把溶鹽抽到百十來米的塔上很費(fèi)電的，同時(shí)減少二次熱損。大體思路是先把水預(yù)熱，高溫閃蒸成過熱蒸汽，加壓推到汽輪機(jī)。缺點(diǎn)是受天氣因素影響太大，晴天沒問題，過一片云彩就不好了，而且另一個(gè)難題是不易儲存，儲存蒸汽基本還沒聽說過?，F(xiàn)在折衷的一個(gè)辦法是儲存空氣，德國julish塔式電站用這個(gè)技術(shù)，小日本也想用，把空氣加熱到極高的溫度（700度），用固體儲存系統(tǒng)（solid storage system）存起來，再經(jīng)過轉(zhuǎn)換器加熱水變成蒸汽。用的介質(zhì)叫ceramic honeycomb，好東西，儲存效果不錯(cuò)，缺點(diǎn)是體積太大，多大本來不想說了，既然補(bǔ)充我就再說深一點(diǎn)，一個(gè)5MWh的電廠，4小時(shí)儲存，那么完美情況下，儲存系統(tǒng)大小是：6x6x34m。
如果用這種技術(shù)，整個(gè)接收器就變了，如圖：
當(dāng)然了，儲存系統(tǒng)放的地方也變了，放在塔里面。請讓我再說一句，日本要學(xué)這個(gè)技術(shù)，人家也是復(fù)制，但是不止是復(fù)制，人家還有創(chuàng)新。
最前沿的新技術(shù)當(dāng)屬超臨界二氧化碳循環(huán)技術(shù)，溫度突破1200攝氏度，大幅度提升效率，有望提高到60%，很了不起了。而且跳過蒸汽直接推動汽輪機(jī)。但是外國人正在研究，中國沒人研究只想等現(xiàn)成的。這個(gè)技術(shù)我能力有限，不能多說。
太陽能塔式發(fā)電有諸多難題，中國八達(dá)嶺延慶塔式發(fā)電算是一個(gè)示范項(xiàng)目，但是后續(xù)也不見動靜。一個(gè)塔式發(fā)電可以大規(guī)模帶動產(chǎn)業(yè)，發(fā)電已經(jīng)不是目的，假如有朝一日塔式發(fā)電真能建成，中國發(fā)動機(jī)、蒸汽機(jī)、新材料等諸多領(lǐng)域都發(fā)展起來了。
