光热应用发展前景分析

戴永军刘寅

关键字：太阳能；光热发电；光热制冷；中高温；跨季储热；

近年来，在应对全球气候变暖的大背景下，大力发展可再生能源以替代化石能源已成为众多国家能源转型的大势所趋，节能环保的发电方式越来越受到各国的青睐。在目前众多备选的可再生能源类型中，太阳能无疑是未来世界最理想的能源之一，在各国中长期能源战略中占有重要地位。

太阳能应用可分为光伏和光热。光伏应用一次产物为电能，目前以分布式并网发电为主流，具有结构简单、并网便捷、即发即用等优点，但受限于光电转化效率，同时也存在电能存储成本高、难以持续输出电能等缺点。光热应用一次产物为热能，目前常见的应用方式为通过热能驱动汽轮机二次转化为电能，或直接进行热利用，例如太阳能热水器等。光热应用的优点在于可以结合辅助热源或储热系统做到持续输出，兼容性强，且光热设备在生产过程中也不存在光伏电池板生产过程中的污染问题，较光伏更为绿色。但目前我国光热产业尚处发展初期，普通光热应用仅仅停留在以家用热水器为主的热水利用阶段，而光热发电应用也存在设备成本过高、商业化项目少缺乏运行数据支撑、专项扶持政策不完善、技术还需进一步提升等障碍。展望未来，光热应用大致会有如下几个发展方向：

1、光热发电应用

太阳能光热发电是指利用大规模阵列抛物或碟形镜面收集太阳热能，通过换热装置提供蒸汽，结合传统汽轮发电机的工艺，从而达到发电的目的。目前主要有三种技术路线：槽式太阳能光热发电技术、塔式太阳能光热发电技术、碟式太阳能光热发电技术。无论哪种技术路线，其核心思想都为聚光。光热发电应用在原理上可以通过蓄热储能或者是补燃技术实现24小时持续电力供应，这是光伏发电目前无法做到的，从而使光热发电有望成为替代现有火电的有力竞争者。光热发电今后将朝着降低设备成本、提高聚光能力的方向进行发展，国家能源局发布的《太阳能发展“十三五”规划》中提出，到2020年底，太阳能热发电装机达到500万千瓦，实现太阳能热发电成本低于0.8元/千瓦时。

2、光热制冷

光热转换制冷是将太阳能转换成热能，再利用热能驱动制冷机制冷，主要有太阳能吸收式制冷系统、太阳能吸附式制冷系统和太阳能喷射式制冷系统。其中，技术最成熟、应用最多的是太阳能吸收式制冷。太阳能吸收式制冷的研究最接近于实用化，其最常规的配置是：采用集热器来收集太阳能，用来驱动单效、双效或双级吸收式制冷机，工质对主要采用溴化锂-水，当太阳能不足时可采用燃油或燃煤锅炉来进行辅助加热。系统主要构成与普通的吸收式制冷系统基本相同，唯一的区别就是在发生器处的热源是太阳能而不是通常的锅炉加热产生的高温蒸汽、热水或高温废气等热源。

光热制冷的最大优点在于季节适应性好:一方面，夏季天气炎热、太阳辐射强度大，人们对空调的需求大;另一方面，由于夏季太阳辐射强度大，使依靠太阳能来驱动的空调系统可以产生更多的冷量。也就是说，太阳能空调系统的制冷能力是随着太阳辐射能量的增加而增大的，这正好与夏季人们对空调的迫切需求相匹配，是夏季太阳能有效利用的最佳方案。

3、光热中高温技术

光热中高温技术是指利用太阳能产生150℃以上热水和蒸汽的技术。其主要实现手段为聚光和承压。该技术可广泛地应用于日常饮水、蒸汽、采暖、空调、发电、纺织、印染、造纸、橡胶、海水淡化、畜牧养殖、食品加工等各种需要热水和热蒸汽的生产和生活领域，而应用的关键则在于要有先进、实用、可靠，且价格合理的太阳能中高温集热器。

4、光热跨季储热技术

太阳能是一种时间上非连续分布的能源形式，要使得其能连续地向用户供应能量，储热是一个重要环节。通常的小型或者小规模太阳能热水系统，采用蓄热水箱可以实现短期蓄热。但是这种系统对于有太阳辐照并且有热量需求的情况，可高效进行太阳能热的收集和利用，而在有太阳辐照却没有热需求的情况，系统停止运行，太阳能没有得到有效的利用。可见，这种系统对太阳能的收集是季节性独立的，因而全年的太阳能利用率较低。为了充分利用太阳能资源，在没有热量需求的时候也应该进行太阳能的收集，以提高太阳能的全年利用率，太阳能长周期跨季节储热技术是目前研究的热点。跨季节储热技术考虑将夏季过剩的太阳能收集并储存起来，在冬季再加以释放和利用，充分利用非供暖季的太阳能热量，有效地克服了太阳能“夏盈冬亏”的不利条件。

太阳能储热的主要形式包括显热储热、潜热储热及化学反应储热。潜热储热具有热密度大，温度波动小等优点，开发新型低成本的相变材料是目前理论研究的一个主要热点;化学反应储热是利用可逆化学反应进行储热和放热，这种方法储热密度高，在环境温度下可长期储存，但是其循环效率低，运行和维护费用较高，尚需进行多方面提高和改进;显热储热对储热介质的要求较低，研究也相对成熟，尤其是利用水箱进行的显热储热使用较为广泛，并已经在国外一些跨季蓄热工程项目中得到了使用，但是其质量、容积较大，储热过程伴随较大的温度变化，难以在大规模的工程中应用。

结论：太阳能取之不尽、用之不竭，从长远来看，在各种可再生能源中太阳能将是最主要的可再生能源，其资源远大于人类对能源的总需求，应用前景十分广阔。但就目前我国光热领域发展现状来看，光热应用存在成本偏高、不少关键技术尚未成熟、产业链不健全、扶持政策不完善等诸多障碍，光热应用还有很长的路要走。

参考文献：

[1]国家能源局.太阳能发展“十三五”规划.2016.

[2]黄晟辉，赵大军，马银龙.太阳能跨季节地下储热技术.煤气与热力，2010.

[3]穆晓菲.2018年光热行业发展现状分析.前瞻产业研究院，2018