文 _ 吳鳴 南京凱盛開能環(huán)保能源有限公司

太陽能光熱與熱電耦合發(fā)電技術(shù)綜述（上）

文 _ 吳鳴 南京凱盛開能環(huán)保能源有限公司

1 太陽能光熱發(fā)電技術(shù)概述

太陽能光熱發(fā)電即聚光太陽能熱發(fā)電（Concentrating Solar Power），也稱CSP，是太陽能發(fā)電中不同于光伏發(fā)電的另一種技術(shù)。

光熱發(fā)電技術(shù)是利用光聚焦原理，把太陽光線的分散能量進(jìn)行高度聚集，通過吸熱器中工質(zhì)吸收陽光熱能，直接或間接地加熱水，產(chǎn)生一定參數(shù)的蒸汽，然后送往汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電。實(shí)際應(yīng)用的主要技術(shù)種類有槽式、塔式、碟式和線性菲涅爾式。

1.1 槽式光熱發(fā)電技術(shù)

分別采用槽式聚光鏡和吸熱管來聚焦和吸收太陽光熱能，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成電能。槽式聚光鏡是一種高精密度的太陽反射鏡，按主要制造材料可分為兩種：玻璃反射鏡和鋁板反射鏡，反射鏡的橫截面采用槽式拋物面。吸熱管一般由碳鋼或合金鋼材料制作，具體根據(jù)設(shè)計(jì)運(yùn)行溫度而定。吸熱管安裝在拋物鏡的焦線上，與聚光鏡一起構(gòu)成槽式聚光器。

槽式聚光器的聚光比比較低，一般不超過100。槽式光熱發(fā)電技術(shù)在歐美具有二十多年的商業(yè)化運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，技術(shù)比較成熟，產(chǎn)生的水蒸氣已經(jīng)達(dá)到371℃的商業(yè)化電站運(yùn)行溫度，電站年均光熱電轉(zhuǎn)換效率已達(dá)16%，理論峰值光熱電轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)21% 。

目前帶儲(chǔ)熱系統(tǒng)的槽式光熱電站，發(fā)電功率所需土地約20m2/kW（露天布置聚光鏡場）,10MW的槽式光熱電站占地300畝，50MW槽式光熱電站占地1500畝。如若采用玻璃房內(nèi)布置聚光鏡，則占地面積可減半。目前國外帶儲(chǔ)熱系統(tǒng)的槽式光熱電站功率造價(jià)折合人民幣2.5萬元/kW左右，不帶儲(chǔ)熱系統(tǒng)的槽式光熱電站功率造價(jià)人民幣2.2萬元/kW左右。 槽式光熱電站目前可設(shè)計(jì)建設(shè)的單機(jī)發(fā)電規(guī)模以不超過50MW為宜,適合建設(shè)集中式光熱電站，規(guī)模越大單位功率造價(jià)越低。

槽式光熱電站一般采用一維跟蹤方式，如果聚光鏡焦線采用南北布置，則只需要在東西方向根據(jù)太陽的視位置變化而調(diào)整聚光鏡的旋轉(zhuǎn)角度，以保證陽光始終直射聚光鏡，跟蹤系統(tǒng)比較簡單。

槽式光熱發(fā)電應(yīng)用的典型案例有：20世紀(jì)80～90年代美國加州建造的由9座電站組成的354MW的SEGS系列電站；西班牙Andasol1-2（100MW）；希臘的克里達(dá)電站（50MW）。

目前國內(nèi)已經(jīng)建成試運(yùn)行的典型槽式光熱發(fā)電示范項(xiàng)目有：國電青松吐魯番新能源180kW槽式光熱發(fā)電示范項(xiàng)目；蘭州大成能源在甘肅蘭州建設(shè)的200kW槽式菲涅爾電站；華能集團(tuán)在海南三亞南山電廠1.5MW線性菲涅爾光熱發(fā)電項(xiàng)目。

1.2 塔式光熱發(fā)電技術(shù)

采用平面玻璃銀鏡陣列聚集太陽光輻射到吸熱器去加熱工質(zhì)，吸熱器則安裝在聚光鏡陣列中間的高塔頂部，目前比較流行的是多面體腔式吸熱器。

塔式光熱發(fā)電技術(shù)由于采用大面積的聚光鏡陣列來聚集太陽光，可以達(dá)到1000以上的聚光比，因此聚集的光強(qiáng)很高，能將吸熱工質(zhì)（一般采用工業(yè)熔鹽）加熱到565℃的工作溫度，目前能將水蒸氣加熱到高達(dá)540℃的商業(yè)化電站運(yùn)行溫度，電站年均光熱電轉(zhuǎn)換效率已達(dá)13.7%，理論峰值光熱電轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)23% 。

目前帶儲(chǔ)熱系統(tǒng)的塔式電站，發(fā)電功率所需土地約66m2/kW左右，10MW塔式光熱電站占地1000畝，50MW塔式電站占地5000畝。因此，考慮到占地面積和吸熱器的體積限制，塔式光熱電站可設(shè)計(jì)建造的單塔發(fā)電規(guī)模以不超過10MW為宜，塔式適合建設(shè)集中式大型光熱電站。

目前帶儲(chǔ)熱系統(tǒng)塔式光熱電站單位功率造價(jià)在人民幣2.5萬元/kW，與槽式光熱電站差不多。

塔式光熱電站采用二維太陽跟蹤方式，對跟蹤系統(tǒng)的精準(zhǔn)度要求很高，跟蹤系統(tǒng)比較復(fù)雜。

典型的塔式水/ 蒸汽太陽能光熱發(fā)電試驗(yàn)電站有：美國在20世紀(jì)80～90年代建成的10MW Solar One，后來增加熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)，演化為Solar Two；西班牙的CESA-1和11MW的PS10電站（2007年投運(yùn)）。皇明太陽能、華電集團(tuán)和中科院在北京延慶合作建設(shè)1MW塔式光熱發(fā)電項(xiàng)目已經(jīng)正式運(yùn)行；浙江中控太陽能在青海德令哈50MW塔式光熱電站一期10MW已經(jīng)完工；青島神泰能源準(zhǔn)備投資16億元在山東平度市建設(shè)塔式熱氣流光熱電站。

1.3 碟式光熱發(fā)電技術(shù)

采用旋轉(zhuǎn)拋物面聚光鏡，將陽光聚焦在焦點(diǎn)上，采用斯特林發(fā)電機(jī)吸收光能加熱工質(zhì)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。碟式聚光鏡的聚光比很高，可以產(chǎn)生2000℃以上的高溫，目前的發(fā)電機(jī)材料還難以承受如此高的溫度，因此斯特林發(fā)電機(jī)吸熱器一般不能布置在正焦點(diǎn)位置上，而是偏移焦點(diǎn)一段距離，以防止高溫毀壞發(fā)電機(jī)。

碟式光熱發(fā)電具有很高的光熱電轉(zhuǎn)換效率，年均光熱電轉(zhuǎn)換效率已達(dá)25%，峰值光熱電效率理論上最高可達(dá)到30%，但造價(jià)高昂，是幾種光熱發(fā)電技術(shù)中最高的，目前功率造價(jià)在人民幣4萬～6萬元/kW。

碟式（斯特林）系統(tǒng)適合小型的分布式發(fā)電，和其它太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)不同，碟式（斯特林）系統(tǒng)是由斯特林發(fā)電機(jī)直接實(shí)現(xiàn)由熱能到機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)化，而不需要汽輪機(jī)。這種系統(tǒng)規(guī)模較小，高效、模塊化，可以靈活單獨(dú)使用或者集成使用。

碟式光熱發(fā)電單碟裝機(jī)容量一般以不超過25kW為宜，單位發(fā)電功率所需土地約50m2/kW左右，最適宜建設(shè)分布式小型光熱發(fā)電系統(tǒng)，也能建設(shè)集中式光熱電站。

1.4 線性菲涅爾式光熱發(fā)電技術(shù)

是槽式光熱發(fā)電技術(shù)的一種簡化。 該技術(shù)采用長條形反光板代替槽式拋物鏡，即線性菲涅爾聚光器，制造更為簡單。線性菲涅爾聚光器的聚光比一般為10～80，年平均效率10%～18%，理論峰值效率可達(dá)20%，蒸汽參數(shù)可達(dá)250～500℃，發(fā)電功率所需土地約15m2/kW左右。目前單位功率造價(jià)比槽式低45%左右。

線性菲涅爾式光熱發(fā)電技術(shù)與槽式一樣，采用一維跟蹤，跟蹤系統(tǒng)比較簡單。電站單機(jī)規(guī)模以不超過50MW為宜，適合建設(shè)集中式光熱電站。目前，華能海南1.5MW線性菲涅爾天然氣耦合電站已經(jīng)投運(yùn)。

2 太陽能光熱發(fā)電市場與成本分析

2.1 國際市場現(xiàn)狀

2007年起，全球光熱發(fā)電年新增裝機(jī)容量成倍增長，到2011年底，全球光熱裝機(jī)容量達(dá)到1300MW，在建3000MW，預(yù)計(jì)到2020年達(dá)到25GW，主要集中在美國和西班牙。

美國處于準(zhǔn)備階段的太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目已有8.5GW，其中3200MW已經(jīng)簽署購電協(xié)議，美國計(jì)劃2020年光熱發(fā)電生產(chǎn)的電量將占總能量的25%。美國加州政府能源局處于審批公示階段中的太陽能熱發(fā)電裝機(jī)容量則達(dá)24GW，占地面積超過12.14萬公頃。根據(jù)美國加州的計(jì)劃，到2030年，太陽能熱發(fā)電與光伏發(fā)電的比例為4∶1。

美國已經(jīng)建成的典型光熱電站有：加州Mojave沙漠354MW槽式光熱電站，20世紀(jì)80～90年代建成，成功運(yùn)行了多年；內(nèi)華達(dá)州65MW槽式光熱電站，2007年6月投運(yùn)；亞利桑那州280MW槽式光熱電站，2011年投產(chǎn)；內(nèi)華達(dá)州10MW塔式Solar One，后來增加熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)，演化為Solar Two。

2009年7月啟動(dòng)的“歐洲沙漠行動(dòng)計(jì)劃”，堪稱全世界太陽能領(lǐng)域最具雄心的計(jì)劃。以德國企業(yè)為主的多個(gè)歐洲財(cái)團(tuán)和公司，計(jì)劃在未來10年內(nèi)投資4000億歐元，在中東及北非地區(qū)建設(shè)一系列并網(wǎng)的太陽能光熱發(fā)電站，來滿足歐洲未來15%的電力需求，以及電站所在地的部分電力需求。

目前，西班牙是太陽能熱發(fā)電規(guī)模最大的國家，既有20MW量級的塔式電站，也有50MW量級的槽式電站。在西班牙的可再生能源規(guī)劃中，提出2010～2013年太陽能熱發(fā)電裝機(jī)容量的新目標(biāo)為2440MW。

西班牙的Andasol系列電站是歐洲第一座大規(guī)模槽式光熱電站，其中的AndosalⅠ，電站容量50MW，是世界上首座帶有蓄熱系統(tǒng)的光熱電站，蓄熱時(shí)間可達(dá)7.5h。蓄熱工質(zhì)采用硝酸熔鹽混合物，采用雙罐間接式蓄熱，冷罐溫度292℃，熱罐溫度386℃，罐體高度14m，直徑38.5m，可容納熔鹽28500t，蓄熱量1010MW/h。電站年均光-熱-電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)16%，高于美國SEGS電站13.7%。

2 0 11年7月，總裝機(jī)2 0 M W的西班牙Gemasolar太陽能光熱電站順利完成了試運(yùn)行，成功實(shí)現(xiàn)24h不間斷發(fā)電，成為世界上首個(gè)能夠全天候持續(xù)供電的商業(yè)化太陽能發(fā)電廠。

2.2 國內(nèi)市場現(xiàn)狀

我國光熱發(fā)電項(xiàng)目屬于國家863計(jì)劃，于2006年立項(xiàng)，2008年獲得國家發(fā)展改革委批準(zhǔn)。2011年6月國家發(fā)展改革委頒布的《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄》中，鼓勵(lì)新增新能源產(chǎn)業(yè)，光熱發(fā)電放在首位?！犊稍偕茉窗l(fā)展“十二五”規(guī)劃》中明確指出，我國太陽能光熱發(fā)電目標(biāo)為2015年裝機(jī)達(dá)到1GW，2020年達(dá)到3GW，年增裝機(jī)容量300MW以上，但按目前 “光熱發(fā)電西北圈地”的情況看來，未來規(guī)模將遠(yuǎn)超規(guī)劃。

我國初步擬定的四個(gè)重點(diǎn)光熱發(fā)電試點(diǎn)地區(qū)是：內(nèi)蒙鄂爾多斯高地沿黃河平坦沙漠、甘肅河西走廊平坦沙漠、新疆吐魯番盆地、塔里木盆地和西藏拉薩。這四個(gè)地區(qū)除了光照好，還具備豐富水源及電網(wǎng)接入條件，非常適合建設(shè)光熱電站。

隨著設(shè)備國產(chǎn)化，技術(shù)的成熟，2012年下半年，甘肅金塔、寧夏哈納斯、中廣核寧夏德令哈、大唐鄂爾多斯等幾個(gè)50MW以上的大項(xiàng)目相繼開工，國內(nèi)光熱發(fā)電項(xiàng)目進(jìn)入實(shí)質(zhì)性建設(shè)階段。

目前，中海陽、皇明、力諾和中航通用等光熱設(shè)備制造企業(yè)紛紛加快了產(chǎn)業(yè)鏈布局。其中，中海陽連續(xù)三年保持業(yè)績高增長，主要投資方向是太陽聚光鏡生產(chǎn)線建設(shè)及電站系統(tǒng)集成能力提升。早在2001年，皇明公司就自行開發(fā)光熱發(fā)電技術(shù)，如今光熱發(fā)電所需的核心部件，如定日鏡、槽式鍍膜鋼管、槽式聚光器均可自行生產(chǎn)。

北京延慶電站是亞洲首座塔式太陽能光熱發(fā)電站，裝機(jī)容量為1MW，屬于示范項(xiàng)目。電站建成后，每年的發(fā)電量將達(dá)到270萬kWh，相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤1100t，可減排CO22300t、SO221t、NOx35t。2

.3 成本分析

由于我國光熱核心設(shè)備及關(guān)鍵技術(shù)還沒有國產(chǎn)化，在發(fā)展光熱發(fā)電的過程中，受到國外的技術(shù)壟斷。一臺實(shí)際價(jià)值不過500萬美元的鍍膜機(jī)國外報(bào)價(jià)1.2億元人民幣，一噸成本不過2.5萬元的高溫導(dǎo)熱油，國外報(bào)價(jià)5萬元。最為核心的聚光鏡和吸熱管技術(shù)被少數(shù)幾家公司壟斷，這導(dǎo)致了我國光熱發(fā)電成本居高不下。因此，要降低成本，必須實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)和核心設(shè)備的國產(chǎn)化，實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。

以大唐鄂爾多斯50MW光熱電站為例，根據(jù)該項(xiàng)目0.9399元/kWh的中標(biāo)上網(wǎng)電價(jià)，結(jié)合國外光熱電站成本比例，可以推算出大唐鄂爾多斯50MW電站成本大約為23000元/kW，與美國SEGS電站相當(dāng)。

太陽能光熱發(fā)電最大的優(yōu)勢就是清潔與低成本，規(guī)模越大成本越低。光熱電站單機(jī)和裝機(jī)規(guī)模的提升是降低光熱比成本的最大動(dòng)力，近一半的成本降低來自規(guī)模效應(yīng)。光熱裝機(jī)由50MW提高至100MW，單位成本將下降12%，提高至200MW，單位成本將下降20%；聚光鏡和集熱管等核心部件的技術(shù)升級能帶來20%以上的成本下降空間。

根據(jù)目前國內(nèi)外現(xiàn)狀分析，光熱電站單位功率造價(jià)比光伏略高，但通過4～5年的發(fā)展，光熱電站的電價(jià)預(yù)計(jì)將降低至0.8～1.0元/kWh，并在2020年有望實(shí)現(xiàn)無需補(bǔ)貼就能平價(jià)上網(wǎng)。

……待續(xù)