光熱裝置

光熱裝置是通過特定的聚光裝置，將太陽能轉換成熱能，從而將接收器中的介質（液體或氣體）加熱到較高溫度，然後將加熱介質直接加以利用，或者用於驅動其他裝置產生諸如電能、機械能等形式的能量。

基本介紹

• 中文名：光熱裝置
• 外文名：Photothermal equipment
• 能量轉化：太陽能轉化為熱能
• 關鍵技術：太陽能聚光技術
• 典型套用：光熱發電、建築物供暖、生活熱水
• 聚光形式：反射聚光和折射聚光兩大類

光熱轉換技術

太陽能必須經過各種轉換才能方便利用，其中的關鍵技術是太陽能轉換技術。現代意義上的太陽能轉換技術開發的全部內容可歸納為兩個主要方面：

（1）高效地收集太陽能，主要技術內容有：選擇性表面技術， 受光面的光學設計，集熱體的熱結構設計與分析，裝置的機械結構設計；

（2）將收集的太陽能高效地轉換為其他形式的有用能，主要技術內容有：儘可能降低能量轉換過程中的各種熱、電損失，優異的系統設計。

太陽能的轉換和利用主要有三種方式：光熱轉換、光電轉換和光化學轉換。

太陽能光熱轉換在太陽能工程中占有重要地位。光熱裝置的基本工作過程是通過特製的太陽能採光面，將投射到該面上的太陽輻射能作最大限度地採集和吸收，並轉換為熱能，進而加熱水或空氣，為各種生產過程或人們生活提供所需的熱能。如何增加太陽能光熱裝置的熱能擷取效率，提升加熱速度、光熱溫度與使用效能是關鍵。

光熱技術發展

針對幾種典型光熱裝置的套用發展過程進行介紹：

被動式太陽房

被動式太陽房是利用太陽輻射加熱來使房內溫度達到舒適程度的技術，這是人類在長期的實踐中逐步總結出來的豐富經驗。

坐落在亞利桑那州的“盲庭佐瑪堡壘”是利用太陽能加熱的典型例子，其始建於公元700年。

美國麻薩諸塞州的E.S.Morse教授1881年設計的被動式取暖房，其向陽面安有玻璃，玻璃下面是表面塗黑的瓦，牆上開有孔，使得房間裡的冷空氣通過瓦下排出，於玻璃與瓦之間加熱上升至頂部再壓入房間裡，這是最早有記載的一次試驗。

1933年，建築師威廉·科克與喬治·科克兩位美國現代被動式太陽房先驅建造了一座稱之為“明天的建築”的芝加哥世博會發展中心，即為被動式太陽房。

1939年，美國麻省理工學院建成第一棟實驗性太陽房（MIT1）。

1956年，法國太陽能研究所所長費利克斯·特倫貝博士與建築師米歇爾共同研究並提出的特朗勃牆是太陽房發展史上具有重大貢獻的一項發明，稱為集熱蓄熱器。

1977年，中國第一棟試驗性太陽房在甘肅省民勤縣重興中學建成，2000年底，全國各類太陽房建設面積就達到9.87萬平方米。

太陽能集熱器

太陽能熱水器是太陽能光熱裝置利用最主要的一個方面，其技術的發展大致經歷了以下幾個階段：

（1）1897年，第一個太陽能熱水器專利在美國誕生，利用黑油漆吸收太陽能，此為初步階段；

（2）1955年，第一次國際太陽熱科學會議上，以色列的泰伯等人提出了選擇性塗層的技術理念，並研製成實用的黑鎳等選擇性塗層，為促進集熱器的發展創造了條件；

（3）1973年，中東戰爭引發的能源危機促使世界各國加入了開發太陽能的潮流，引領了太陽能技術前所未有的大發展；

（4）1992年，在巴西的世界環境與發展大會後，世界各國重新重視了太陽能技術的研發，其中，我國在太陽能光熱技術推廣上成為典範，太陽能熱水器蓬勃發展起來；

（5）2007年，太陽能集熱器與熱水器生產企業約3000多家，包括骨幹企業100多家，其中大型企業20多家，絕大部分為地方中小型企業。

光熱發電

1950年，原蘇聯設計建造了世界第一座塔式太陽能熱發電小型試驗裝置。

1976年，法國在庇里牛斯山建成第一座功率達到100千瓦的塔式太陽能發電系統。

20世紀80年代以來，美國、義大利、法國、西班牙、日本、澳大利亞、德國、以色列等國相繼建立各種不同類型的實驗示範裝置和商業化裝置，促進了太陽能熱發電技術的發展和商業化進程。

根據《太陽能發電發展“十二五”規劃》，截止到2010年底，全球已經實現併網運行的光熱電站總裝機容量達到110萬千瓦，在建項目總裝機容量約1200萬千瓦。

在中國，到2015年底，以經濟性與光伏發電基本相當為前提，建成光熱發電總裝機容量100萬千瓦；到2020年底，實現光熱發電300萬千瓦。

光熱聚光原理

聚光型光熱利用裝置將陽光聚焦在較小的吸熱面上，可獲得較高的溫度，從而實現光熱的轉化，但其只能利用陽光直射，而且需要跟蹤太陽軌跡。聚光主要分為反射聚光和折射聚光，大部分為反射聚光。反射鏡將太陽光反射聚集到吸熱部件上，從而產生高溫蒸汽或空氣。

線性聚光系統

線性聚光採用線性聚焦技術，線性聚光器包括拋物面槽式系統和線性菲涅耳反射系統兩種。通過採用很大的反射鏡來捕獲太陽的能量，並把太陽光反射和對焦集中到焦線上，在這條焦線上安裝有線性管狀集熱器，集熱器吸收聚焦後的太陽輻射能，把吸熱管內的流體加熱，然後產生過熱蒸汽，可以驅動渦輪發電機產生電力。線性集中聚光器系統通常由按南北向平行排列的大量聚光器組成，這樣保證最大限度地聚集太陽能。

（1）拋物面槽式系統

拋物面槽式聚光系統原理圖

目前，在美國光熱發電領域中占主導地位的是拋物面槽式線性聚光系統。槽式光熱發電系統由太陽能聚光器，吸熱配件或接收器以及跟蹤機構組成，其中太陽能聚光器由許多彎曲的反射鏡組合裝配而成，安裝在支架上。吸熱管或接收器管沿著每個拋物形反射鏡的焦線固定安裝，用以吸收太陽輻射能，傳熱工質(不管是傳熱流體還是水蒸汽)都要從太陽能集熱管中流過，從而產生過熱蒸汽，直接輸送到渦輪機用以發電。

（2）線性菲涅爾反射器系統

線性菲涅爾反射器系統原理圖

第二種線性聚光技術是線性菲涅爾反射器系統，該系統由反射鏡，聚光器和跟蹤機構組成。把平坦的或略有彎曲的反射鏡安裝配置在跟蹤器上，在反射鏡上方的空間安裝吸熱管，反射鏡把陽光反射到吸熱管上。有時在聚光器的頂部加裝小型拋物面反射鏡，以加強陽光的聚焦。

碟式聚光系統

碟式光熱利用裝置系統原理

碟式聚光系統的整個熱量接收器及發電裝置安裝在一個雙軸跟蹤支撐機構上，是所有光熱發電系統中效率最高的，但碟式光熱發電系統單的元發電容量較小。高倍匯聚的太陽光（1000 倍以上）將能量轉換單元中的氣體（通常是氦氣或氫氣）加熱到約750攝氏度的高溫，通過氣體的膨脹推動引擎活塞。

塔式聚光系統

集熱塔式聚光系統原理圖

塔式聚光系統主要由日光反射鏡子系統以及接收器組成。其中日光反射鏡子系統由大量大型平坦的太陽跟蹤反射鏡構成，對太陽進行實時跟蹤，把太陽光聚焦到塔頂的接收器，在接收器中對傳熱流體進行加熱，產生高溫過熱蒸汽，過熱蒸汽推動機械設備運轉。

典型套用

光熱的典型套用涉及非常廣泛的領域，這裡主要介紹廣泛使用的光熱發電系統和太陽能熱水器的典型套用及其結構。

光熱發電系統

聚光光熱（CSP：Concentrated Solar Power）發電的基本原理是：系統先使用匯聚的太陽光將熱量接收器中的介質（液體或氣體）加熱到非常高的溫度，然後把這部分熱量轉換為機械能，再從機械能轉化為電能。與之相對的，傳統太陽能光伏發電則是使用半導體光電轉換器件（光伏電池）將光能直接轉化為電能。

根據聚光器形式的不同，構成了不同的光熱發電系統，具體如下：

（1）拋物面槽式光熱系統

拋物面槽式系統是目前技術最成熟、套用最廣泛的聚光發電技術，系統主要由兩大部分組成：由數百行拋物面槽式反射鏡構成的太陽能集熱場，和一套傳統的蒸汽渦輪發電裝置。在一些較新的槽式光熱電站中還有一個重要組成部分：儲熱罐。它使用融鹽作為介質將太陽能以熱能的形式儲存起來，需要的時候再放出熱量用於發電。但儲熱裝置的加入會明顯提高項目的單位功率造價。

拋物面槽式光熱系統

拋物面槽式光熱發電電站的優勢在於它所使用的技術已非常成熟，建設風險較小，而越來越多的成功商業化電站也使得採用此項技術的工程更受銀行貸款的信任，在這樣的良性循環下，成就了拋物面槽式技術在全球已投產光熱發電電站中93.6%的市場份額（以裝機容量計）。主要缺點是耗水量大，發電效率相對較低。

（2）集熱塔式光熱發電系統

塔式光熱發電電站的具體結構多種多樣，單塊定日鏡的面積從1.2 平方米至120 平方米不等，塔高也從50 米至165 米不等，聚光倍數則可以達到數百倍至上千倍。塔式光熱發電電站可以使用水、氣體或融鹽作為導熱介質，以驅動後端的汽輪發電機（若採用融鹽作為導熱介質，則需加裝熱交換器，但儲能能力較好）。

集熱塔式光熱發電系統

塔式光熱發電的主要優勢在於它的工作溫度較高（可達800~1000攝氏度），使其年度發電效率可以達到17%~20%，並且由於管路循環系統較槽式系統簡單得多，提高效率和降低成本的潛力都比較大。塔式光熱發電電站採用濕冷卻的用水量也略少於槽式系統，若需要採用乾式冷卻，其對性能和運行成本的影響也較低。其缺點也是明顯的：為了將陽光準確匯聚到集熱塔頂的接收器上，對每一塊定日鏡的雙軸跟蹤系統都要進行單獨控制，而槽式系統的單軸追蹤系統在結構上和控制上都要簡單得多。

（3）線性菲涅爾式光熱發電系統

線性菲涅爾式光熱發電系統是一種結構更為簡單的系統，它採用靠近地面放置的多個幾乎是平面的鏡面結構（帶單軸太陽跟蹤的線性菲涅爾反射鏡），先將陽光反射到上方的二次聚光器上，再由其匯聚到一根長管狀的熱吸收管，並將其中的水加熱產生270攝氏度左右的蒸汽，直接驅動後端的渦輪發電機。

線性菲涅爾式發電系統

此類光熱發電系統由於聚光倍數只有數十倍，因此加熱的水蒸氣質量不高，使整個系統的年發電效率僅能達到10%左右；但由於系統結構簡單，直接使用導熱介質產生蒸汽等特點，其建設和維護成本也相對較低。

（4）拋物面碟式光熱發電系統

拋物面碟式光熱發電系統

拋物面碟式光熱發電系統與以上介紹的三種技術有較大的不同：槽式、塔式、線性菲涅爾式系統均是在大範圍內聚熱後，集中用渦輪發電機進行發電，而碟式系統則是每個獨立的聚熱模組都能就地進行熱電轉換。

碟式光熱發電系統最大的優勢在於其相對較高的效率和可實現靈活部署的模組化特點：

首先，碟式系統的最大供應商斯特林能源系統的產品已達到31%的峰值效率，全年發電效率也可達到19%~25%（單台功率25千瓦，直徑12米），是目前的四項光熱發電技術中實現效率最高的一種；

其次，模組化的特點使碟式光熱發電系統既適合以數百千瓦的規模進行分散式部署，又有能力構建數百兆瓦的大型電站；

最後，碟式光熱發電系統在發電過程中不使用水進行導熱或冷卻，僅需要少量水用於設備清潔。

碟式光熱發電系統的缺點在於較難配置儲能系統，這也是由於其獨特的結構原理所導致的（每台碟式單元直接進行熱電轉換，輸出交流電併網）。因此在使用該項技術建設大規模電站時，所輸出電力的可調度性較低，這點與傳統的光伏電站較為類似。

太陽能熱水器

太陽能熱水器

熱水器是目前太陽能熱利用中商業化程度最高、套用最為普遍、技術較為成熟的裝置。太陽能熱水器是一種吸收太陽輻射能並向工質傳遞熱量的裝置，一般為平板式和玻璃真空管式結構，它的工作原理是溫室效應，由於項部透明蓋板材料對太陽輻射（短波）透過性好而對長波透過性差，太陽光短波輻射使吸收板升溫，吸收板收集到能量不斷加熱管道內的傳熱工質。目前使用較多的太陽能收集裝置主要有平板型集熱器、真空管集熱器和聚光型集熱器三種。

前景展望

太陽能作為一種開發潛力巨大的可再生能源，已經引起了世界全國的廣泛關注。對於太陽能利用技術，加快技術發展，擴大市場推廣，提高利用效率滿足我國甚至全球的能源需求具有重大的意義。太陽能光伏光熱利用具有更廣闊的發展空間：

（1）從調整和最佳化能源結構需求考慮，太陽能光伏發電會占據世界能源消費的重要席位，目前需要進一步開發新的工藝、技術和材料，降低生產成本，同時需要國家出台相關政策大力支持；

（2）太陽能熱水器是太陽能熱利用主要產品之一，我國太陽能熱水器已經成為世界上太陽能熱水器產量和銷售量最大的國家，未來發展方向為通過技術創新提高集熱性能，擴大適用的季節和範圍，實現集熱器與建築一體化；

（3）太陽房採暖在節能、環保方面的優越性使其得到越來越多的套用，但系統龐大，初投資高，穩定性和可靠性較差等是下一步要解決的問題；

（4）太陽能熱泵系統將太陽能技術和熱泵技術相結合，提高了系統的能效比，直膨式太陽能熱泵系統的關鍵技術在於集熱蒸發器的設計及其與系統的匹配，循環工質的選擇等，相反，非直膨式太陽能熱泵系統關注系統的規模、尺度和複雜程度以及且集熱循環存在的管路腐蝕、冬季防凍、夏季防止過熱等問題；

（5）太陽能光伏光熱綜合利用將經過加熱後的流體用作採暖或提供熱水，同時降低電池板的工作溫度，提升光電效率，這種利用方式將大大提高太陽能的綜合利用效率，目前關注的問題是集熱和冷卻系統的匹配循環工質的選擇，不同工況的控制等；

（6）利用光熱發電系統用於製備氫氣等清潔燃料和進行海水淡化。使用太陽能發出的電力來電解水製備大量氫氣，並將其運送到各工業部門、家庭、交通工具以供使用，是將來以太陽能取代化石燃料的一條重要途徑。適合建造大型光熱電站的地區通常是乾旱或半乾旱地區，十分缺乏淡水。因此，將渦輪機排出的低壓蒸汽導入“多級蒸餾系統(MED)”，利用其餘熱進行海水淡化，也是充分發揮聚光光熱電站技術特長的一種重要方式。