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        降低聚光太陽能熱發(fā)電成本的途徑

        2011-08-05 08:34:58中國科學(xué)院太陽能熱利用及光伏系統(tǒng)重點實驗室杜鳳麗
        太陽能 2011年7期
        關(guān)鍵詞:效率成本系統(tǒng)

        中國科學(xué)院太陽能熱利用及光伏系統(tǒng)重點實驗室 ■ 杜鳳麗

        一 引言

        聚光太陽能熱發(fā)電(以下簡稱太陽能熱發(fā)電)是通過聚光器將太陽光反射聚集在吸熱部件上,經(jīng)由傳熱介質(zhì)將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能,然后通過熱力循環(huán)做功實現(xiàn)發(fā)電的技術(shù)形式。聚光太陽能熱發(fā)電可以采用郎肯循環(huán),也可使用效率更高的布雷頓循環(huán)或斯特林循環(huán)。在原理上,聚光太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)與傳統(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,前者采用的是太陽能。

        太陽能具有間歇性及輸入不穩(wěn)定的特點,因此利用太陽能進行發(fā)電存在電力輸出波動大的問題。與目前的光伏發(fā)電技術(shù)不同,太陽能熱發(fā)電可以帶有儲熱系統(tǒng),將白天多余的熱量儲存起來,當(dāng)太陽輻照不好時,釋放儲存的熱能,保持汽輪機持續(xù)運行,從而保證輸出電力的穩(wěn)定性,并增加全負荷發(fā)電時數(shù)。此外,太陽能熱發(fā)電站還可以利用化石燃料進行補燃,實現(xiàn)在夜間或連續(xù)陰雨天時的持續(xù)發(fā)電。

        太陽能熱發(fā)電目前在國外已經(jīng)進入商業(yè)化發(fā)展的階段。然而,與傳統(tǒng)的化石燃料電站相比,太陽能熱發(fā)電的發(fā)電成本(LEC)仍然很高。在現(xiàn)有技術(shù)條件下,太陽能熱發(fā)電的成本為0.19~0.25$/kWh[1]。相對較高的發(fā)電成本在一定程度上影響了太陽能熱發(fā)電大規(guī)?;倪M程,因此降低發(fā)電成本是推進太陽能熱發(fā)電發(fā)展的首要任務(wù)。

        二 降低太陽能熱發(fā)電成本的途徑

        發(fā)電成本是影響太陽能熱發(fā)電發(fā)展的最關(guān)鍵因素。國際能源署(IEA)曾公布一種計算可再生能源系統(tǒng)發(fā)電成本的簡化公式[2],詳見式(1)。

        式中:Kinvest為電站總投資;KOM為年運行管理費用;Kfuel為年燃料費用;Enet為年凈發(fā)電量。crf=,其中:kd為實際利率;n為電站壽命;kinsurance為年保險費。

        從式(1)可以看出,發(fā)電成本與電站的初始投資、貸款利率、年運行維護費用以及年凈發(fā)電量等密切相關(guān)。其中,初始投資和電站年凈發(fā)電量(年發(fā)電量-用電量)是關(guān)鍵。降低太陽能熱發(fā)電站的初始投資,提高太陽能熱發(fā)電站的年凈發(fā)電量是降低太陽能熱發(fā)電成本的有效途徑。

        太陽能熱發(fā)電站的初始投資成本主要包括太陽能部件(太陽能鏡場、太陽能吸熱器、蓄熱系統(tǒng))以及常規(guī)熱力循環(huán)部件(蒸汽發(fā)生、發(fā)電模塊)的費用。降低初始投資的成本可通過降低各種部件的成本來實現(xiàn)。太陽能熱發(fā)電站的年發(fā)電量與系統(tǒng)年均效率、投射在鏡場上的年太陽直射輻照量相關(guān),在相同的太陽輻照量下,系統(tǒng)年均效率越高,則電站的年發(fā)電量就越多。

        經(jīng)過初步測算發(fā)現(xiàn),系統(tǒng)效率每提高1%,相當(dāng)于初投資降低5%~7%。因此,提高系統(tǒng)效率是降低發(fā)電成本的重要途徑。太陽能熱發(fā)電的發(fā)電成本、初投資和系統(tǒng)效率的關(guān)系如圖1所示。

        太陽能熱發(fā)電的系統(tǒng)效率,即光電轉(zhuǎn)換效率取決于集熱效率和熱機效率兩個參數(shù)。這兩者又與聚光比和吸熱器的工作溫度密切相關(guān)。當(dāng)聚光比一定時,隨著吸熱器工作溫度升高,集熱效率會下降,而汽輪機的效率提高,系統(tǒng)效率曲線會出現(xiàn)一個“馬鞍點”(圖2)。因此單純提高吸熱器的工作溫度,并不一定能提高系統(tǒng)效率,反而可能會降低光電轉(zhuǎn)換效率。只有聚光比與吸熱器的溫度協(xié)同提高,才是降低發(fā)電成本的有效途徑[3]。

        三 太陽能熱發(fā)電的技術(shù)發(fā)展路線圖

        太陽能熱發(fā)電的技術(shù)進步主要反映在發(fā)電成本上,太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率是影響發(fā)電成本最重要的因素。從熱力學(xué)的角度,發(fā)電工質(zhì)的參數(shù)(溫度、壓力)會對系統(tǒng)效率產(chǎn)生重要影響。而發(fā)電工質(zhì)參數(shù)與聚光、光熱轉(zhuǎn)換、儲熱過程中的材料、熱學(xué)和力學(xué)等問題密切相關(guān)?;谝陨峡紤],以系統(tǒng)年平均發(fā)電效率為引領(lǐng),以發(fā)電工質(zhì)的溫度和換熱介質(zhì)種類為主線,將太陽能熱發(fā)電技術(shù)分為四代,如圖3所示。

        “十一五”期間(2006~2010年),我國對以水/油作為集熱系統(tǒng)換熱介質(zhì)的第一代技術(shù)進行了研發(fā)示范,建立了1MWe塔式實驗示范電站;對以熔融鹽為傳熱介質(zhì)的第二代技術(shù),主要進行了熔融鹽熱物性等研究,搭建了熔融鹽工質(zhì)系統(tǒng)的實驗平臺,并研制了用于塔式發(fā)電站的100kWt熔融鹽吸熱器;針對第三代技術(shù),對以碳化硅泡沫陶瓷作為吸熱體的空氣吸熱器進行了基礎(chǔ)問題的摸索;針對第四代技術(shù),分別在北京和銀川建立了20kWt和300kWt的高溫太陽爐聚光集熱系統(tǒng)。

        “十二五”期間(2011~2015年),水和油作為集熱系統(tǒng)換熱介質(zhì)進入產(chǎn)業(yè)化推廣階段,以熔融鹽為傳熱介質(zhì)的集熱系統(tǒng)進入規(guī)?;痉峨A段,而以空氣為換熱介質(zhì)的集熱系統(tǒng)從基礎(chǔ)研究進入應(yīng)用基礎(chǔ)研究階段,并逐步進行中試。

        “十三五”期間(2016~2020年),第一代技術(shù)繼續(xù)大規(guī)模商業(yè)化,第二代技術(shù)開始進入市場,發(fā)電效率提高到20%。由于熔融鹽的使用,傳熱介質(zhì)溫度大大提高,超臨界太陽能熱發(fā)電技術(shù)也開始進入中試。

        “十四五”期間(2021~2025年),第三代以空氣為傳熱介質(zhì)和發(fā)電工質(zhì)的技術(shù)進入市場,系統(tǒng)年發(fā)電效率達到30%,并且無需耗水。但由于高溫空氣傳輸?shù)脑?,該類電站的容量受到制約,此時第四代以固體顆粒作為傳熱介質(zhì)的吸熱過程進入高技術(shù)示范階段。

        “十五五”期間(2026~2030年),第四代太陽能熱發(fā)電技術(shù)進入市場,系統(tǒng)年發(fā)電效率達到35%,并且突破了第三代技術(shù)的系統(tǒng)容量問題,高溫儲熱問題也得到了解決,超臨界太陽能熱發(fā)電站也將出現(xiàn)。

        四 結(jié)論

        太陽能熱發(fā)電是真正的不影響自然環(huán)境和經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的綠色能源,太陽能熱發(fā)電站的建設(shè)可以利用貧瘠的荒漠土地進行并網(wǎng)發(fā)電,也可獨立于電網(wǎng)運行,建成分布式電源,為偏遠地區(qū)供電。太陽能熱發(fā)電可采用儲熱系統(tǒng),或者利用化石燃料補燃,克服了太陽能間歇性、不穩(wěn)定的缺點,因此,太陽能熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

        從根本上來說,相對較高的發(fā)電成本阻礙了太陽能熱發(fā)電大規(guī)模發(fā)展的進程。降低太陽能熱發(fā)電的成本主要有兩個途徑:降低初投資和提高系統(tǒng)效率。據(jù)測算,系統(tǒng)效率每提高1%,相當(dāng)于初投資降低5%~6%,因此提高太陽能熱發(fā)電站的系統(tǒng)效率是降低發(fā)電成本的重要途徑。從熱力學(xué)的角度講,發(fā)電工質(zhì)的參數(shù)(溫度、壓力)會對系統(tǒng)效率產(chǎn)生重要影響,而發(fā)電工質(zhì)的參數(shù)與聚光、光熱轉(zhuǎn)換、儲熱過程中的材料、熱學(xué)和力學(xué)等問題密切相關(guān)。通過四代太陽能熱發(fā)電技術(shù)的逐步發(fā)展,太陽能熱發(fā)電技術(shù)在成本上將更具有競爭性。

        [1]Hermann Spellmann, Luis Fa朼nas Martinez, Alexander Karnick.The CSP industry: An awakening giant[R].Deutsche Bank, Global Markets Research, Companies, 2009-03-19.

        [2]Robert Pitz-Paal, J焤gen Dersch, Barbara Milow.European Concentrated solar thermal road-mapping (ECOSTAR)[R].SES6-CT-2003-502578, 2004.

        [3]Wang Zhifeng, Du Fengli.Concentrating solar power strategies in China [J].Journal of the Japan Institute of Energy, 2010, 89(4):331-336.

        [4]王志峰, 杜鳳麗.太陽能熱發(fā)電的技術(shù)發(fā)展途徑[A].科技創(chuàng)新促進中國能源可持續(xù)發(fā)展——首屆“中國工程院/國家能源局 能源論壇”論文集[C], 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2010:661-665.

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