太陽能光熱發(fā)電技術特點及應用前景

太陽能光熱發(fā)電特點及應用前景國網(wǎng)能源研究院新能源研究所世界光熱發(fā)電亞洲高峰論壇2012年6月20日一太陽能光熱發(fā)電技術經(jīng)濟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)電技術的戰(zhàn)略地位3光熱發(fā)電是通過“光-熱-功”的轉化過程實現(xiàn)發(fā)電的一種技術。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)將太陽能轉化為熱能，通過熱力循環(huán)做功實現(xiàn)到電能的轉換。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)電技術的發(fā)展對于人類經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。（二）太陽能光熱發(fā)電技術的技術類型4聚光太陽能熱發(fā)電（CSP）太陽能半導體溫差發(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)化利用前景的技術形式。根據(jù)聚光方式的不同，聚光光熱發(fā)電可進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。槽式電站的關鍵設備主要包括聚光器、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1號電站，2007年）槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)的特點：一是結構簡單、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)化應用；四是塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)一次性投入大，裝置結構和控制系統(tǒng)復雜，成本較高。太陽能碟式-斯特林發(fā)電系統(tǒng)的關鍵部件包括碟式聚光器、斯特林機和傳動系統(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℃，峰值光電轉換凈效率可達到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、風載荷低、結構簡單，布置緊密，用地效率更高；二是由于吸熱管無需進行真空處理，降低了技術難度和成本，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)電方式的技術特點比較9（四）光熱發(fā)電技術特性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)濟的儲熱技術是光熱發(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，且多位于遠離負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)模遠距離外送的經(jīng)濟性成為其規(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)機組并網(wǎng)，可按照電網(wǎng)要求輸出有功和無功，在運行技術和管理經(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)汽輪機或燃氣輪機并網(wǎng)，具有一定的轉動慣量和阻尼特性，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)?；l(fā)展不僅能夠作為調(diào)峰電源，為風電等間歇性電源提供輔助服務，而且隨著未來技術的優(yōu)化提升，大型光熱電站完全有可能承擔電力系統(tǒng)基礎負荷。（五）光熱發(fā)電經(jīng)濟成本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4000小時以上。槽式及塔式光熱初投資槽式光熱電站投資構成塔式光熱電站投資構成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電站相關數(shù)據(jù)美國昆士蘭塔式電站相關數(shù)據(jù)一太陽能光熱發(fā)電技術經(jīng)濟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)劃建設的光熱發(fā)電裝機容量約為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)電裝機容量17在已經(jīng)運行的光熱發(fā)電站中，拋物面槽式技術是應用最多的技術形式，約占總裝機容量的87.9%。槽式光熱發(fā)電技術是目前世界上最成熟的光熱發(fā)電技術，投資風險系數(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)電技術來看，槽式和塔式分別占49.2%和42.5%，塔式系統(tǒng)的應用比例有所提高。18已運行光熱發(fā)電站中不同技術形式的應用比例在建光熱發(fā)電站中不同技術形式的應用比例根據(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年的裝機目標為100萬kW，至2020年裝機目標300萬kW。目前，我國僅有1個獲得上網(wǎng)電價批準的光熱發(fā)電項目，即首個特許權項目—內(nèi)蒙古鄂爾多斯50MW項目。此外有9個處于建設和籌備階段的光熱發(fā)電項目?？傃b機容量約450MW。19（二）我國光熱發(fā)電現(xiàn)狀20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)建設條件21（3）地形和土地光熱發(fā)電站的建設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)模化發(fā)展地區(qū)多遠離負荷中心。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（四）全球和我國重點開發(fā)地區(qū)一太陽能光熱發(fā)電技術經(jīng)濟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）技術應用前景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。在同樣技術條件下，機組容量越大，單位kW的投資成本和年運行維護費用越低，機組本身的運行效率和電站輔助設備及管道系統(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)電成本與裝機容量規(guī)模密切相關。1.機組容量趨于大容量，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經(jīng)濟性能。2.通過補燃或與常規(guī)火電廠聯(lián)合運行，提高技術經(jīng)濟性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)或災區(qū)尤為有效。近年來一些科學家提出光熱發(fā)電技術用于煤的氣化與液化，形成氣體或液體燃料，進行遠距離的運輸。3.進行綜合利用，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。從技術類型來看，由于塔式發(fā)電在技術進步和效率提升方面具有很大潛力，預計在未來5年內(nèi)成本將快速下降。隨著儲熱長達15小時的GemaSolar