太陽能光熱發(fā)電技術(shù)特點及應(yīng)用前景講述

太陽能光熱發(fā)電特點及應(yīng)用前景一太陽能光熱發(fā)電技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性二太陽能光熱發(fā)電國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀三2太陽能光熱發(fā)電發(fā)展前景（一）太陽能光熱發(fā)電技術(shù)的戰(zhàn)略地位3光熱發(fā)電是通過“光-熱-功”的轉(zhuǎn)化過程實現(xiàn)發(fā)電的一種技術(shù)。光熱發(fā)電在原理上和傳統(tǒng)的化石燃料電站類似，兩者最大的區(qū)別在于輸入的能源不同。光熱發(fā)電利用能源為太陽能，通過聚光器將低密度的太陽能聚集成高密度的能量，經(jīng)由傳熱介質(zhì)將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，通過熱力循環(huán)做功實現(xiàn)到電能的轉(zhuǎn)換。太陽能熱發(fā)電實質(zhì)是太陽能熱利用方式之一。從其發(fā)電原理上來看，是一種綠色能源的綠色利用方式，且太陽能資源是世界上分布最廣泛的取之不盡、用之不竭的可再生能源。從這個意義上看，太陽能光熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展對于人類經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。（二）太陽能光熱發(fā)電技術(shù)的技術(shù)類型4聚光太陽能熱發(fā)電（CSP）太陽能半導(dǎo)體溫差發(fā)電太陽能煙囪發(fā)電太陽池發(fā)電太陽能熱聲發(fā)電聚光光熱發(fā)電是現(xiàn)今最具商業(yè)化利用前景的技術(shù)形式。根據(jù)聚光方式的不同，聚光光熱發(fā)電可進(jìn)一步分為點聚焦和線聚焦兩大系統(tǒng)。其中，點聚焦系統(tǒng)主要包括塔式光熱發(fā)電和碟式光熱發(fā)電；線聚焦系統(tǒng)主要包括槽式光熱發(fā)電和線性菲涅爾式光熱發(fā)電。槽式電站的關(guān)鍵設(shè)備主要包括聚光器、吸熱管和儲熱器。槽式光熱發(fā)電是最早實現(xiàn)商業(yè)化運行，也是目前全球商業(yè)化運行電站中占比最大的技術(shù)形式。51.槽式光熱發(fā)電太陽能拋物面槽式發(fā)電（圖片：內(nèi)華達(dá)1號電站，2007年）槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)的特點：一是結(jié)構(gòu)簡單、成本較低；二是可通過多個聚光-吸熱裝置的串、并聯(lián)組合，構(gòu)成較大容量的光熱發(fā)電系統(tǒng)；三是聚光比不高，一般在50-80，傳熱介質(zhì)溫度也難以提高，一般在400℃左右；四是槽式系統(tǒng)熱傳遞回路長、熱損耗大，系統(tǒng)綜合效率較低，約為11%-15%。塔式電站主要包括定日鏡、太陽塔、吸熱器和儲熱器等。根據(jù)吸熱器內(nèi)傳熱介質(zhì)的不同，塔式電站主要包括水/蒸汽、熔融鹽和空氣三種。62.塔式光熱發(fā)電太陽能塔式發(fā)電（圖片：GemaSolar電站，2011年）塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)的主要特點：一是聚光比較高，一般在300-1000之間，容易實現(xiàn)較高的系統(tǒng)運行溫度（500-1400℃）；二是塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)的熱傳遞路程短、熱損耗少，綜合效率高，目前可達(dá)到14%左右；三是太陽能塔式發(fā)電適合于大規(guī)模、大容量商業(yè)化應(yīng)用；四是塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)一次性投入大，裝置結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高。太陽能碟式-斯特林發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件包括碟式聚光器、斯特林機(jī)和傳動系統(tǒng)。73.碟式光熱發(fā)電太陽能碟式-斯特林發(fā)電（圖片：SES電站，2010年）碟式光熱發(fā)電系統(tǒng)的主要特點：一是聚光比高，一般為1000-3000，運行溫度可接近1000℃，峰值光電轉(zhuǎn)換凈效率可達(dá)到30%；二是碟式發(fā)電系統(tǒng)功率較小，一般為5-50kW，單位造價昂貴；三是發(fā)電成本不依賴于工程規(guī)模，既可以作為分布式發(fā)電系統(tǒng)使用，也可以建成MW級的電站并網(wǎng)發(fā)電。線性菲涅爾式發(fā)電系統(tǒng)是簡化的槽式發(fā)電系統(tǒng)，主要部件包括菲涅爾式反射鏡、吸熱管和傳動系統(tǒng)等。84.線性菲涅爾式光熱發(fā)電線性菲涅爾式光熱發(fā)電（圖片：皇明太陽能股份有限公司，2010年）線性菲涅爾式光熱發(fā)電系統(tǒng)的特點：一是聚光器采用平面反射鏡代替拋物面槽式反射鏡，聚光器離地面近、風(fēng)載荷低、結(jié)構(gòu)簡單，布置緊密，用地效率更高；二是由于吸熱管無需進(jìn)行真空處理，降低了技術(shù)難度和成本，系統(tǒng)總成本相對較低；三是系統(tǒng)聚光比較低、運行溫度不高、系統(tǒng)效率不高。（三）不同聚光太陽能熱發(fā)電方式的技術(shù)特點比較9（四）光熱發(fā)電技術(shù)特性10由于發(fā)電原理不同，聚光太陽能熱發(fā)電出力特性優(yōu)于光伏發(fā)電出力特性。通過增加儲熱單元能夠顯著平滑發(fā)電出力，顯著減小小時級出力波動。根據(jù)不同儲熱模式，可不同程度提高電站利用小時數(shù)和發(fā)電量，提高電站調(diào)節(jié)性能。研究顯示，一座帶有儲熱系統(tǒng)的光熱發(fā)電站，年利用率可以從無儲熱的25%提高到65%。因此，相對經(jīng)濟(jì)的儲熱技術(shù)是光熱發(fā)電與光伏發(fā)電等其它可再生能源發(fā)電競爭的一個關(guān)鍵要素。利用長時間儲熱系統(tǒng)，光熱發(fā)電可以更好的滿足系統(tǒng)負(fù)荷需求。1.通過儲熱改善出力特性美國加州50MWCSP/50MWPV實測帶儲熱裝置的槽式熱發(fā)電系統(tǒng)11不同于其他波動電源，是一種電網(wǎng)友好型電源。帶有儲熱和補燃裝置的太陽能熱發(fā)電站可提高電網(wǎng)的靈活性，提高電網(wǎng)消納波動電源的能力。帶有儲熱和補燃裝置的太陽能熱發(fā)電站具有較好的調(diào)峰性能，可替代化石燃料調(diào)峰電站。由于太陽能熱發(fā)電站的最優(yōu)規(guī)模為20萬千瓦左右，且多位于遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的荒漠或人煙稀少地區(qū)，處于網(wǎng)架相對薄弱的電網(wǎng)末端，大規(guī)模遠(yuǎn)距離外送的經(jīng)濟(jì)性成為其規(guī)?；_發(fā)利用的制約因素。長距離輸電是提高CSP利用規(guī)模的重要途徑。特別對于美國、南非、印度、中國、巴西等大國。2.具有電網(wǎng)友好性12美國能源部研究項目：未來光熱發(fā)電愿景。采用長距離高壓直流（HVDC）輸電線路將西南太陽能資源豐富地區(qū)的太陽能熱發(fā)電電站的電能送至美國其他地區(qū)。歐洲-中東北非沙漠行動計劃（DESERTECconcepttoEU-MENA）通過建設(shè)跨國、長距離高電壓等級輸電線路將北非太陽能熱發(fā)電電站的電能送至歐洲。13光熱發(fā)電系統(tǒng)通過常規(guī)機(jī)組并網(wǎng)，可按照電網(wǎng)要求輸出有功和無功，在運行技術(shù)和管理經(jīng)驗等方面較為成熟，具有較好的電網(wǎng)友好性。電能質(zhì)量問題：光熱發(fā)電通過傳統(tǒng)電機(jī)并網(wǎng)，能夠很好的解決諧波、三相電流不平衡和直流分量等問題。電網(wǎng)調(diào)度與經(jīng)濟(jì)運行問題：由于光熱電站通常配置大容量儲熱裝置，或與其他常規(guī)火電機(jī)組聯(lián)合運行，克服了光伏發(fā)電的間歇性和波動性，可實現(xiàn)光熱電站發(fā)電出力的平穩(wěn)可控，接近常規(guī)機(jī)組性能，更易接受電網(wǎng)調(diào)度，并具備一定的調(diào)峰調(diào)頻能力，減輕電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻壓力。大電網(wǎng)穩(wěn)定控制問題：光熱電站通過常規(guī)汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)并網(wǎng)，具有一定的轉(zhuǎn)動慣量和阻尼特性，具備按照電網(wǎng)要求向其提供有功和無功功率的能力，同時電網(wǎng)調(diào)度有較為豐富的常規(guī)機(jī)組運行控制和管理經(jīng)驗，有助于電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。光熱發(fā)電的規(guī)模化發(fā)展不僅能夠作為調(diào)峰電源，為風(fēng)電等間歇性電源提供輔助服務(wù)，而且隨著未來技術(shù)的優(yōu)化提升，大型光熱電站完全有可能承擔(dān)電力系統(tǒng)基礎(chǔ)負(fù)荷。（五）光熱發(fā)電經(jīng)濟(jì)成本14初始投資。根據(jù)電站規(guī)模、儲熱系統(tǒng)規(guī)模、光照條件、土地和人工費用的不同，電站造價不同。一般來說，碟式光熱電站單位造價最高，約為塔式光熱電站的兩倍；槽式光熱電站單位造價略低于塔式光熱電站，略高于菲涅爾式光熱電站。發(fā)電量。光熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量主要取決于配置儲熱裝置的容量，根據(jù)目前實際投運的帶儲熱的光熱電站的運行情況來看，其年有效利用小時數(shù)基本可達(dá)4000小時以上。槽式及塔式光熱初投資槽式光熱電站投資構(gòu)成

槽式塔式

美元/kW美元/kW無儲熱4000-45004500-4800混合5000-5600--熱儲存6000-80008000-16000塔式光熱電站投資構(gòu)成15度電成本?？紤]匯率折算后，槽式電站的度電成本為1.2-2.4元/kWh；塔式電站的度電成本為1.3-2.4元/kWh。碟式/斯特林光熱發(fā)電系統(tǒng)的成本不隨系統(tǒng)容量的增加而降低，適合于分布式發(fā)電；槽式光熱發(fā)電和塔式光熱發(fā)電的成本隨系統(tǒng)容量的增加而下降，適合于發(fā)展大容量電站。美國SEGS電站相關(guān)數(shù)據(jù)美國昆士蘭塔式電站相關(guān)數(shù)據(jù)電站名稱單位SEGSⅠ-ⅡSEGSⅢ-ⅦSEGSⅧ-Ⅸ地點CaliforniaCaliforniaCalifornia電站類型槽式槽式槽式投運時間1984-19851986-19881989-1990裝機(jī)容量MW13.8、3030×580×2年發(fā)電效率%9.5-10.511.0-12.513.8單位造價美元/kW3800-50003200-38002890度電成本美元/kWh0.18-0.270.12-0.180.11-0.14單位塔式裝機(jī)容量MW100單位投資成本美元/kW7906年運維成本美元/kW71容量因子%40.9折現(xiàn)率%7運行年限年202010年度電成本美元/kWh0.226一太陽能光熱發(fā)電技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性二太陽能光熱發(fā)電國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀三16太陽能光熱發(fā)電發(fā)展前景截至2011年7月，全球在運的光熱發(fā)電站共42座，裝機(jī)容量總計139.4萬kW，主要集中在西班牙和美國。其中，西班牙境內(nèi)共有21座，約占總裝機(jī)容量的61.1%，總占地面積約3002萬平方米（西班牙光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)）；美國境內(nèi)共有17座光熱發(fā)電站，約占總裝機(jī)容量的36.5%。另外，德國、以色列、意大利和埃及境內(nèi)分別各有一座。截至2010年底，全球規(guī)劃建設(shè)的光熱發(fā)電裝機(jī)容量約為3000萬kW，分別位于美國、西班牙、澳大利亞、印度、意大利、摩洛哥、阿爾及利亞、埃及、阿聯(lián)酋、法國和中國等國家。（一）全球光熱發(fā)電現(xiàn)狀全球光熱發(fā)電裝機(jī)容量17在已經(jīng)運行的光熱發(fā)電站中，拋物面槽式技術(shù)是應(yīng)用最多的技術(shù)形式，約占總裝機(jī)容量的87.9%。槽式光熱發(fā)電技術(shù)是目前世界上最成熟的光熱發(fā)電技術(shù)，投資風(fēng)險系數(shù)相對較小。截至2010年底，全球在建的光熱發(fā)電站的裝機(jī)容量約為274.7萬kW，其中大部分位于美國和西班牙，分別為140萬kW和130萬kW，其他主要分布在北非和中東地區(qū)。從所采用的發(fā)電技術(shù)來看，槽式和塔式分別占49.2%和42.5%，塔式系統(tǒng)的應(yīng)用比例有所提高。18已運行光熱發(fā)電站中不同技術(shù)形式的應(yīng)用比例在建光熱發(fā)電站中不同技術(shù)形式的應(yīng)用比例根據(jù)國家能源局《可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》征求意見稿，光熱發(fā)電至2015年的裝機(jī)目標(biāo)為100萬kW，至2020年裝機(jī)目標(biāo)300萬kW。目前，我國僅有1個獲得上網(wǎng)電價批準(zhǔn)的光熱發(fā)電項目，即首個特許權(quán)項目—內(nèi)蒙古鄂爾多斯50MW項目。此外有9個處于建設(shè)和籌備階段的光熱發(fā)電項目?？傃b機(jī)容量約450MW。19（二）我國光熱發(fā)電現(xiàn)狀開發(fā)商規(guī)模地點說明大唐新能源股份有限公司50MW內(nèi)蒙古鄂爾多斯國內(nèi)首個商業(yè)化光熱發(fā)電示范項目，特許權(quán)招標(biāo)電價0.9399元/kWh（含稅）。電站建設(shè)周期為30個月，電站運行期25年，預(yù)計最初年發(fā)電量為1.2億度，投資總成本約在16億元左右。中國電力投資集團(tuán)公司100MW青海省格爾木項目由中電投下屬的黃河上游水電開發(fā)責(zé)任有限公司與上海工電能源科技公司的合資公司——黃河工電光能發(fā)電有限公司負(fù)責(zé)開發(fā)建設(shè)，西北電力設(shè)計院參與了電站項目設(shè)計。項目采用塔式技術(shù)，太陽島共設(shè)5個鏡場，每個鏡場設(shè)計一座太陽塔和1700臺定日鏡，共5座太陽塔和8500臺定日鏡。整個項目占地東西向4.2公里，南北向2.3公里。目前已啟動太陽塔的土建、預(yù)埋件及設(shè)備安裝工程招標(biāo)。天威（成都）光熱發(fā)電開發(fā)有限公司1.5MW甘肅嘉峪關(guān)市2010年12月舉行開工奠基儀式，項目位于甘肅礦區(qū)大唐803電廠。由中國大唐集團(tuán)、保定天威集團(tuán)共同出資建設(shè)，屬于大唐天威10MW光熱發(fā)電試驗示范項目的一期部分；采用國外技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備。中國華能集團(tuán)公司1.5MW海南省三亞市位于華能海南南山電廠，采用線性菲涅爾式技術(shù)，帶儲熱的太陽能混合熱發(fā)電試驗系統(tǒng)。預(yù)計2011年底完成。20開發(fā)商規(guī)模地點說明浙江中控太陽能科技有限公司50MW青海德令哈建設(shè)地點位于青海省德令哈市西出口（蓄集鄉(xiāng)陶斯圖村）。工程規(guī)劃共建設(shè)6個熱功率為40MW的鏡場和吸熱塔、1套儲熱系統(tǒng)、1套蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)、1套汽輪發(fā)電機(jī)系統(tǒng)以及輔助發(fā)電系統(tǒng)。全場共設(shè)置定日鏡217,440臺，每個鏡場設(shè)置36,240臺，每臺定日鏡2平米。吸熱塔高80米，采用鋼筋砼筒體結(jié)構(gòu)；項目總投資7.5億元。目前已經(jīng)完成項目工程環(huán)境影響評估。華電華電工程集團(tuán)公司50MW甘肅省金塔2011年8月5日獲得國家能源局關(guān)于同意開展示范工程前期工作的復(fù)函。電站采用槽式技術(shù)，關(guān)鍵設(shè)備由國產(chǎn)和進(jìn)口兩部分組成，沒有儲熱系統(tǒng)，利用天然氣補燃。中廣核太陽能開發(fā)有限公司50MW青海德令哈總投資15億元，采用槽式技術(shù)，目前項目預(yù)可研報告已編制完成，正在開展其它前期工作，計劃8月份開工建設(shè)。益科博能源科技（上海）有限公司1MW海南省三亞市位于三亞崖城創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)園，2011年4月獲得海南省發(fā)改委核準(zhǔn)，項目占地95畝，主要示范“模塊定日陣”技術(shù)的可行性，設(shè)計蒸汽壓力2.35MPa，過熱溫度355℃。華能西藏發(fā)電有限公司50MW西藏拉薩預(yù)計投資12.5億元，有儲熱系統(tǒng)。西安熱工研究院有限公司參與了項目建議書的起草。中廣核太陽能開發(fā)有限公司100MW甘肅武威采用槽式導(dǎo)熱油技術(shù)。目前項目可研報告前期工作基本結(jié)束。主要影響因素包括太陽法向直射輻射（DNI）、地形和土地、水資源等。（1）太陽法向直射輻射強(qiáng)度根據(jù)國外的經(jīng)驗，DNI值在1800kWh/m2/y以上的地區(qū)適宜建設(shè)光熱發(fā)電站。（2）水資源根據(jù)美國能源部研究數(shù)據(jù)（2007），采用水冷技術(shù)時，碟式/斯特林發(fā)電約為0.0757立方米/MWh，塔式電站用水約為2.27立方米/MWh，槽式電站用水約為3.02立方米/MWh。槽式和塔式高于常規(guī)燃煤電站和聯(lián)合循環(huán)天然氣發(fā)電站。可采用空冷技術(shù)減少用水量，約為0.299立方米/MWh，投資成本上升約7%-9%，發(fā)電量減少約5%。對塔式熱發(fā)電運行成本的影響小于槽式熱發(fā)電方式。為減少運行成本，通常采用水冷/空冷混合制冷方式。以槽式熱發(fā)電為例，采用這種方式可減少水耗50%，而發(fā)電量損失僅為1%左右。（三）光熱發(fā)電開發(fā)建設(shè)條件21（3）地形和土地光熱發(fā)電站的建設(shè)需要考慮地形的因素，最好選擇平坦廣闊的土地，一是由于坡地會影響入射角而導(dǎo)致電站效率的變化，二是坡地會增加土地平整的成本。不同的光熱發(fā)電技術(shù)形式對地形的要求不盡相同。國外經(jīng)驗顯示，槽式和線性菲涅爾式發(fā)電要求地面坡度在3%以下；塔式電站可以適合5%-7%以下的地面坡度。碟式由于單機(jī)規(guī)模較小，因此對坡度的要求更低。光熱發(fā)電對土地面積要求較高，目前國際經(jīng)驗顯示，建設(shè)一座50MW無儲熱的光熱發(fā)電站（槽式或塔式）需要占地約1平方公里，一座30MW帶6小時儲熱的光熱發(fā)電站（槽式或塔式）電站同樣需要1平方公里土地。適宜規(guī)?；l(fā)展地區(qū)多遠(yuǎn)離負(fù)荷中心。包括沒有樹木的大草原、矮樹林、戈壁灘、荒漠地、廢棄鹽堿地和沙漠等。22不同光熱發(fā)電站的開發(fā)建設(shè)要求全球重點開發(fā)地區(qū)：美國西南部、歐洲地中海地區(qū)國家、南北非國家、中東地區(qū)（約旦、以色列、伊朗）、印度沙漠平原、巴基斯坦、澳大利亞和我國西北部。我國重點開發(fā)地區(qū)：內(nèi)蒙古西部阿拉善盟和鄂爾多斯地區(qū)、甘肅西部河西走廊、青海、西藏、以及新疆的哈密和吐魯番地區(qū)。23

DNI地面平坦程度電網(wǎng)接入距離水資源供給交通條件等塔式DNI值越高越好5%-7%以下

要求距離接近要求要求槽式3%以下要求要求碟式無特別要求無要求菲涅爾式3%以下要求要求（四）全球和我國重點開發(fā)地區(qū)一太陽能光熱發(fā)電技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性二太陽能光熱發(fā)電國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀三24太陽能光熱發(fā)電發(fā)展前景（一）技術(shù)應(yīng)用前景25建造大容量太陽能熱發(fā)電站是降低太陽能熱發(fā)電成本的重要途徑。在同樣技術(shù)條件下，機(jī)組容量越大，單位kW的投資成本和年運行維護(hù)費用越低，機(jī)組本身的運行效率和電站輔助設(shè)備及管道系統(tǒng)的效率也越高，則電站綜合效率明顯提高。特別是對于塔式、槽式光熱發(fā)電站，其發(fā)電成本與裝機(jī)容量規(guī)模密切相關(guān)。1.機(jī)組容量趨于大容量，提高系統(tǒng)效率塔式電站系統(tǒng)發(fā)電效率與電站容量的關(guān)系26未來聚光太陽能熱發(fā)電站規(guī)模27將光熱發(fā)電系統(tǒng)與常規(guī)火電廠聯(lián)合運行，既可高效利用太陽能光熱系統(tǒng)提供中低溫和中低壓的水蒸汽，又具有很高的發(fā)電系統(tǒng)綜合效率，將成為今后較長一個時期內(nèi)開發(fā)利用光熱發(fā)電技術(shù)的重要發(fā)展趨勢之一。槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)在中高溫應(yīng)用時成本較低，因此槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)與常規(guī)火電廠聯(lián)合運行是今后首選發(fā)展方式。當(dāng)電站規(guī)模較大或配備大容量儲熱系統(tǒng)時，塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)與常規(guī)火電廠聯(lián)合運行也具有很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能。2.通過補燃或與常規(guī)火電廠聯(lián)合運行，提高技術(shù)經(jīng)濟(jì)性28光熱發(fā)電存在“熱”這種中間形式，可通過對熱的綜合利用提高能源利用效率，具體形式包括采暖制冷一體化、海水淡化等，進(jìn)行綜合利用，同時滿足多種需求，對某些特殊地區(qū)，如邊防海島、沙漠等地區(qū)或災(zāi)區(qū)尤為有效。近年來一些科學(xué)家提出光熱發(fā)電技術(shù)用于煤的氣化與液化，形成氣體或液體燃料，進(jìn)行遠(yuǎn)距離的運輸。3.進(jìn)行綜合利用，提高能源利用效率光熱發(fā)電和海水淡化相結(jié)合的綜合利用（二）成本發(fā)展趨勢29到2025年，各種光熱發(fā)電技術(shù)的成本都有顯著下降。為了降低成本，槽式發(fā)電將向更為簡單的系統(tǒng)發(fā)展。從技術(shù)類型來看，由于塔式發(fā)電在技術(shù)進(jìn)步和效率提升方面具有很大潛力，預(yù)計在未來5年內(nèi)成本將快速下降。隨著儲熱長達(dá)