光熱發(fā)電（新能源利用的一個重要方向）

簡介

太陽能光熱發(fā)電是新能源利用的一個重要方向。

太陽能光熱發(fā)電

太陽能光熱發(fā)電

太陽能光熱發(fā)電是太陽能利用中的重要項目之一，只要將太陽能聚集起來，加熱工質(zhì)，驅(qū)動汽輪發(fā)電機即能發(fā)電。1950年，原蘇聯(lián)設計了世界上第一座太陽能塔式電站，建造了一個小型試驗裝置。 70年代，太陽電池價格昂貴，效率較低，相對而言，太陽熱發(fā)電與光伏發(fā)電相比，效率較高，技術(shù)比較成熟，因此當時許多工業(yè)發(fā)達國家都將太陽熱發(fā)電作為重點，投資興建了一批試驗性太陽能熱發(fā)電站。據(jù)不完全統(tǒng)計，從1981～1991年，全世界建造的太陽能熱發(fā)電站（500kw以上）約有20余座，發(fā)電功率最大達80MW。按太陽能采集方式劃分，太陽能熱發(fā)電站主要有塔式、槽式、蝶式和菲涅爾式四類。這些電站基本上都是試驗性的。例如，日本按照陽光計劃建造的一座1MW塔式電站，一座1MW槽式電站，完成了試驗工作后即停止運行。美國10MW太陽1號塔式電站，進行一段時間試驗運行后及時進行技術(shù)總結(jié)，很快將它改建為太陽：號電站，并于1996年1月投入運行。80年代中期，人們對建成的太陽能熱發(fā)電站進行技術(shù)總結(jié)后認為，雖然太陽能熱發(fā)電在技術(shù)上可行，但投資過大（美國太陽：號電站投資為1.42億美元），且降低造價十分困難，所以各國都改變了原來的計劃，使太陽能熱發(fā)電站的建設逐漸冷落下來。例如，美國原計劃在1983～1995年建成5～10萬KW和10～30萬KW太陽能熱電站，結(jié)果沒有實現(xiàn)。正當人們懷疑太陽能熱發(fā)電的時候，美國和以色列聯(lián)合組成的路茲太陽能熱發(fā)電國際有限公司，自1980年開始進行太陽熱發(fā)電技術(shù)研究，主要開發(fā)槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，5年后奇跡般地進入商品化階段。該公司從1985年至1991年在美國加州沙漠建成9座槽式太陽能熱電站，總裝機容353.8MW。電站的投資由1號電站的5976美元/KW，降到8號電站的3011美元/KW，發(fā)電成本從26.5美分/kwh降到8.9美分/kwh。該公司滿懷信心，計劃到2000年，在加州建成裝機容量達800MW槽式太陽能熱發(fā)電站，發(fā)電成本降到5～6分/kwh。遺憾的是，1991年因路茲公司破產(chǎn)而使計劃中斷。路茲熱電站的成功實踐表明，不能簡單地否定太陽能熱發(fā)電技術(shù)，而應繼續(xù)進行研究開發(fā)，不斷完善，使其早日實現(xiàn)商業(yè)化。為此，以色列、德國和美國幾家公司進行合作，繼續(xù)推動太陽能熱發(fā)電的發(fā)展，他們計劃在美國內(nèi)華達州建造兩座80MW槽式太陽能熱電站，兩座100MW太陽能與燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)電站。在西班牙和摩洛哥分別建造135MW和18MW太陽能熱發(fā)電站各一座。蝶式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)功率較小，一般為5～50kw，可以單獨分散發(fā)電，也可以組成較大的發(fā)電系統(tǒng)。美國、澳大利亞等國都有一些應用，但規(guī)模不大。研究表明，蝶式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)應用于空間，與光伏發(fā)電系統(tǒng)相比，具有氣動阻力低、發(fā)射質(zhì)量小和運行費用便宜等優(yōu)點，美國從1988年開始進行可行性研究，在太陽能低發(fā)電計劃中，以色列在死海沿岸先后建造了三座太陽池發(fā)電站，第一座功率為150kw，于1979年投入運行。以色列曾計劃圍繞死海建造一系列太陽池電站，以提供以色列全國三分之一用電需要。

美國也曾計劃將加州南部薩爾頓海的一部分變?yōu)樘柍兀ㄔ?0～600萬KW太陽池電站。后來，以色列和美國太陽池發(fā)電計劃均作了改變。除了以上幾種太陽能熱發(fā)電方式外，1983年在西班牙建成一座太陽能抽風式熱電站；以色列、美國等計劃建造太陽能磁流體熱發(fā)電試驗裝置；還開展了太陽能海水差發(fā)電研究。適用于小功率的太陽能熱發(fā)電技術(shù)還有太陽能熱離子發(fā)電和差發(fā)電，它們在特殊場合得到了一些應用。我國在太陽能熱發(fā)電領域受經(jīng)費和技術(shù)條件的限制，開展的工作比較少。在“六五”期間建立了一套功率為lkw的太陽能塔式熱發(fā)電模擬裝置和一套功率為lkw的平板式太陽能低熱發(fā)電模擬裝置。此外，我國還與美國合作設計并試制成功率為5kw的盤式太陽能發(fā)電裝置樣機。

原理

太陽能光熱發(fā)電的原理是，通過反射鏡將太陽光匯聚到太陽能收集裝置，利用太陽能加熱收集裝置內(nèi)的傳熱介質(zhì)（液體或氣體），再加熱水形成蒸汽帶動或者直接帶動發(fā)電機發(fā)電。

系統(tǒng)形式

一般來說，太陽能光熱發(fā)電形式有槽式、塔式、碟式（盤式）、菲涅爾式四種系統(tǒng)。

槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)全稱為槽式拋物面反射鏡太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，是將多個槽型拋物面聚光集熱器經(jīng)過串并聯(lián)的排列，加熱工質(zhì)，產(chǎn)生過熱蒸 汽，驅(qū)動汽輪機發(fā)電機組發(fā)電。

20世紀80年代初期，以色列和美國聯(lián)合組建了LUZ太陽能熱發(fā)電國際有限公司。從成立開始，該公司集中力量研究開發(fā)槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。從1985年-1991年的6年間，在美國加州沙漠相繼建成了9座槽式太陽能熱發(fā)電站，總裝機容量353.8MW，并投入網(wǎng)營運。經(jīng)過努力，電站的初次投資由1號電站的4490美元/KW降到8號電站的2650美元/kW，發(fā)電成本從24美分/KWh降到8美分/KWh。

建于西班牙的Acurex槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，借助槽形拋物面聚光器將太陽光聚焦反射到接收聚熱管上，通過管內(nèi)熱載體將太陽光聚焦反射到接收聚熱管上，通過管內(nèi)熱載體將水加熱成蒸汽，推動汽輪機發(fā)電。作為太陽能量不足時的備用，系統(tǒng)配備有一個輔助燃燒爐，用天然氣或燃油來產(chǎn)生蒸汽。

要提高槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的效率與正常運行，涉及到兩個方面的控制問題，一個是自動跟蹤裝置，要求使得槽式聚光器時刻對準太陽，以保證從源頭上最大限度的吸收太陽能，據(jù)統(tǒng)計跟蹤比非跟蹤所獲得的能量要高出37.7%。另外一個是要控制傳熱液體回路的溫度與壓力，滿足汽輪機的要求實現(xiàn)系統(tǒng)的正常發(fā)電。針對這兩個控制問題，國內(nèi)外學者都展開了研究，取得了一定的研究進展。

德州華園新能源應用技術(shù)研究所與中科院電工所、清華大學等科研單位聯(lián)手研制開發(fā)的槽式太陽能中高溫熱利用系統(tǒng)，設備結(jié)構(gòu)簡單、而且安裝方便，整體使用壽命可達20年，可以很好的應用于槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。由于太陽能反射鏡是固定在地上的，所以不僅能更有效地抵御風雨的侵蝕破壞，而且還大大降低了反射鏡支架的造價。更為重要的是，該設備技術(shù)突破了以往一套控制裝置只能控制一面反射鏡的限制。采用菲涅爾凸透鏡技術(shù)可以對數(shù)百面反射鏡進行同時跟蹤，將數(shù)百或數(shù)千平方米的陽光聚焦到光能轉(zhuǎn)換部件上（聚光度約50倍，可以產(chǎn)生三、四百度的高溫），改變了以往整個工程造價大部分為跟蹤控制系統(tǒng)成本的局面，使其在整個工程造價中只占很小的一部分。同時對集熱核心部件鏡面反射材料，以及太陽能中高溫直通管采取國產(chǎn)化市場化生產(chǎn)，降低了成本，并且在運輸安裝費用上降低大量費用。這兩項突破徹底克服了長期制約槽式太陽能在中高溫領域內(nèi)大規(guī)模應用的技術(shù)障礙，為實現(xiàn)太陽能中高溫設備制造標準化和產(chǎn)業(yè)化規(guī)模化運作開辟了廣闊的道路。

1973年，世界性石油危機的爆發(fā)刺激了人們對太陽能技術(shù)的研究與開發(fā)。相對于太陽能電池的價格昂貴、效率較低，太陽能熱發(fā)電的效率較高、技術(shù)比較成熟。許多工業(yè)發(fā)達國家，都將太陽能熱發(fā)電技術(shù)作為國家研究開發(fā)的重點。從1981-1991年10年間，全世界建造了裝機容量500kW以上的各種不同形式的兆瓦級太陽能熱發(fā)電試驗電站余座，其中主要形式是塔式電站，最大發(fā)電功率為80MW。由于單位容量投資過大，且降低造價十分困難，因此太陽能熱發(fā)電站的建設逐漸冷落下來。

但對塔式太陽能熱發(fā)電的研究開發(fā)并未完全中止。1980年美國在加州建成太陽I號塔式太陽能熱發(fā)電站，裝機容量10MW。經(jīng)過一段時間試驗運行后，在此基礎上又建造了太陽II號塔式太陽能熱發(fā)電站，并于1996年1月投入試驗運行。

盤式（又稱碟式）太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是世界上最早出現(xiàn)的太陽能動力系統(tǒng)。近段時間以來，盤式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)主要開發(fā)單位功率質(zhì)量比更小的空間電源。盤式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)應用于空間，例如，1983年美國加州噴氣推進試驗室完成的盤式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，其聚光器直徑為11m，最大發(fā)電功率為24.6 kW，轉(zhuǎn)換效率為29%。1992年德國一家工程公司開發(fā)的一種盤式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電功率為9kW，到1995年3月底，累計運行了17000h，峰值凈效率20%，月凈效率16%，該公司計劃用100臺這樣的發(fā)電系統(tǒng)組建一座MW的盤式太陽能熱發(fā)電示范電站。

盤式（又稱碟式）太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)（拋物面反射鏡斯特林系統(tǒng)）是由許多鏡子組成的拋物面反射鏡組成，接收在拋物面的焦點上，接收器內(nèi)的傳熱工質(zhì)被加熱到750℃左右，驅(qū)動發(fā)動機進行發(fā)電。

美國熱發(fā)電計劃與Cummins公司合作，1991年開始開發(fā)商用的7千瓦碟式/斯特林發(fā)電系統(tǒng)，5年投入經(jīng)費1800萬美元。1996年Cummins向電力部門和工業(yè)用戶交付7臺碟式發(fā)電系統(tǒng)，計劃1997年生產(chǎn)25臺以上。Cummins預計10年后年生產(chǎn)超過1000臺。該種系統(tǒng)適用于邊遠地區(qū)獨立電站。

美國熱發(fā)電計劃還同時開發(fā)25千瓦的碟式發(fā)電系統(tǒng)。25千瓦是經(jīng)濟規(guī)模，因此成本更加低廉，而且適用于更大規(guī)模的離網(wǎng)和并網(wǎng)應用。1996年在電力部門進行實驗，1997年開始運行。

工作原理類似槽式光熱發(fā)電，只是采用菲涅爾結(jié)構(gòu)的聚光鏡來替代拋面鏡。這使得它的成本相對來說低廉，但效率也相應降低。

此類系統(tǒng)由于聚光倍數(shù)只有數(shù)十倍，因此加熱的水蒸氣質(zhì)量不高，使整個系統(tǒng)的年發(fā)電效率僅能達到10%左右；但由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、直接使用導熱介質(zhì)產(chǎn)生蒸汽等特點，其建設和維護成本也相對較低。

商業(yè)前景

以上三種系統(tǒng)性能比較。有實現(xiàn)商業(yè)化的可能和前景。三種系統(tǒng)均可單獨使用太陽能運行，安裝成燃料混合（如與天然氣、生物質(zhì)氣等）互補系統(tǒng)是其突出的優(yōu)點。

就幾種形式的太陽熱發(fā)電系統(tǒng)相比較而言，槽式熱發(fā)電系統(tǒng)是最成熟，也是達到商業(yè)化發(fā)展的技術(shù)，應該指出，槽式、塔式和盤式太陽能光熱發(fā)電技術(shù)同樣受到世界各國的重視，并正在積極開展工作。

2009年底全球投運的光熱電站裝機容量為668.15MW，截至2010年，全球已投入運行的光熱裝機容量達988.65MW，其中，槽式占94.57%，塔式次之，占4.37%。從目前已投運光熱電站國家分布來看，美國占了48.95%，其次是西班牙，占47.49%。

預計到2015年，全球?qū)⒐鉄岚l(fā)電累計裝機24.5GW，五年復合增速90%;到2020年光熱發(fā)電在全球能源供應份額中將占1-1.2%，到2030年占3-3.6%，到2050年占8.5-11.80%，即到2050年光熱發(fā)電裝機容量將達到830GW，每年新增41GW。

從國內(nèi)光熱發(fā)電來看：近年來，光熱發(fā)電在中國太陽能發(fā)電政策規(guī)劃中的地位開始顯著提升。伴隨光熱發(fā)電在中國能源結(jié)構(gòu)中的戰(zhàn)略地位的提升，光熱發(fā)電行業(yè)有望獲得更多政策傾斜，隨之而來的是光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)化進程加快。預計到2015年，我國的太陽能熱發(fā)電裝機容量將達3GW左右，市場總量達450億元人民幣。

市場現(xiàn)狀

全球光熱資源豐富。全球光熱發(fā)電市場主要分布在南歐、北非、中東、南非、南亞、中國、澳洲、北美與南美。截止2014年4月底，全球已投入運行的光熱電站約4000MW,其中約93%集中于西班牙與美國；在建約1600MW，主要分布在美國、西班牙、印度、南非、伊朗、摩洛哥、澳大利亞、中國等國家。IEA預測到2060年光熱直接發(fā)電及采用光熱化工合成燃料發(fā)電共占全球電力結(jié)構(gòu)約30%。

美國能源部將光熱發(fā)電技術(shù)定為基礎負荷電站。預計到2020年，加州光熱發(fā)電占可再生能源的40%。此外，美國能源部SunShot對光熱發(fā)電的研發(fā)目標是到2020年實現(xiàn)75%的成本削減，在不依賴政策補貼的前提下將光熱發(fā)電的LCOE（平準化電力成本）推至6美分/KWh甚至更低的水平。這個價格將使太陽能光熱發(fā)電擁有與傳統(tǒng)火電相競爭的能力。美國頒布了2個激勵政策，一個是30%的投資稅收抵免，另外一個是貸款擔保政策。即便如此，美國的激勵政策也促進了光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。同時，美國能源部對光熱發(fā)電的資金支持每年都高達5000萬美元左右，這也促進了其光熱技術(shù)的發(fā)展。

歐洲光熱發(fā)電Desertec計劃規(guī)模宏大。2009年10月，德國主要的大企業(yè)宣布成立聯(lián)合企業(yè)，投資4000億歐元在非洲北部建立太陽能發(fā)電站，該項目被命名為Desertec，即沙漠技術(shù)。它的目標就是利用撒哈拉沙漠架設9000平方公里的太陽能電板，來滿足全世界的電力要求。根據(jù)該計劃，這項工程到2050年的時候，所產(chǎn)生的電能產(chǎn)量頂峰值將達到100GW，相當于100座火力發(fā)電廠的發(fā)電量，屆時將滿足歐洲地區(qū)15%的用電需求。2013年，中國國家電網(wǎng)宣布加入這一計劃，推進全球配置可再生能源。

全球光熱市場近年重拾高增速。光熱發(fā)電經(jīng)過了上世紀70年代的研發(fā)興起，80年代的第一批建站建立之后，長期處于停滯階段。直到2007年，市場開始逐漸復蘇。2010~2013年，全球光熱發(fā)電的裝機量快速增長。2009年底全球裝機量僅為700MW，2013年底全球總的并網(wǎng)光熱發(fā)電的裝機容量達3320MW。2014年，新增裝機92.5萬千瓦，累計裝機規(guī)模435萬千瓦。

中國光熱發(fā)電總體進展較慢，地方政府在風電、光伏之后，也開始瞄準光熱發(fā)電，希望占得先機。太陽能資源豐富的西部地區(qū)，已經(jīng)開始在核準項目上提速，2012年國內(nèi)核準的光熱電站818兆瓦，到2014年已經(jīng)達到1448兆瓦。

首個項目

我國第一家工業(yè)化運行的太陽能光熱發(fā)電項目在柴達木盆地建成，項目已具備發(fā)電能力，不久將實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。

這個總投資9.96億元的50兆瓦光熱項目位于青海省海西蒙古族藏族自治州德令哈市西出口，由青海中控太陽能發(fā)電有限公司建設。據(jù)公司副總經(jīng)理陳武忠介紹。

陳武忠介紹說，項目的核心技術(shù)是“追日”，用關鍵技術(shù)控制安裝在地面的上萬塊玻璃鏡子像向日葵一樣追著太陽光將其反射到吸熱塔上的吸熱器中，將吸熱器內(nèi)的水轉(zhuǎn)化成高溫蒸汽，再通過管道傳輸推動汽輪發(fā)電機發(fā)電。

利用現(xiàn)狀

從太陽資源的利用方式上來說，本質(zhì)上，地球上的風能、水能、海洋溫差能、波浪能和生物質(zhì)能以及部分潮汐能都是來源于太陽；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然氣等）從根本上說也是遠古以來貯存下來的太陽能，所以太陽能的利用范圍非常大。而對太陽輻射能的即時利用是當前技術(shù)研究的重點，是作為一種能取代常規(guī)能源的新能源。太陽能利用經(jīng)過長久的發(fā)展，特別是1973年第一次石油危機以來，人們意識到不可再生能源的有限性，對新能源的研究投入大大增加，太陽能作為永久的、清潔的能源具有光明的前景，得到了很大的發(fā)展。目前對太陽輻射的利用主要流行的有熱利用光和電利用兩種。