高 博，盧衛(wèi)青，羅亞橋，李遠(yuǎn)松，鄭國(guó)強(qiáng)

(1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院，安徽合肥230601；2.安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽合肥230601)

光伏與光熱發(fā)電發(fā)展前景對(duì)比分析

高 博1，盧衛(wèi)青2，羅亞橋1，李遠(yuǎn)松1，鄭國(guó)強(qiáng)1

(1.國(guó)網(wǎng)安徽省電力公司電力科學(xué)研究院，安徽合肥230601；2.安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽合肥230601)

太陽(yáng)能發(fā)電分為光伏發(fā)電和光熱發(fā)電，兩種發(fā)電方式有著諸多的不同之處。從發(fā)電方式、應(yīng)用領(lǐng)域、儲(chǔ)能方式、發(fā)電可調(diào)度性以及經(jīng)濟(jì)性等方面對(duì)兩種發(fā)電方式展開對(duì)比研究，找出兩者的優(yōu)缺點(diǎn)，分析兩種發(fā)電方式的發(fā)展前景。

光伏發(fā)電;光熱發(fā)電;儲(chǔ)能;可調(diào)度性;經(jīng)濟(jì)性

隨著煤炭、石油等化石能源的逐漸枯竭，傳統(tǒng)火力發(fā)電也逐漸面臨著燃料短缺的問題，因此迫切需要新的可再生能源來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的發(fā)電方式。而太陽(yáng)能作為當(dāng)今世界可再生能源領(lǐng)域中最清潔、最直接、最有大規(guī)模開發(fā)利用前景的發(fā)電方式之一，是實(shí)現(xiàn)向用戶提供“綠色電力”，實(shí)現(xiàn)我國(guó)“節(jié)能減排”目標(biāo)的重要舉措[1]。我國(guó)太陽(yáng)能資源儲(chǔ)量豐富，理論年儲(chǔ)量為1.7×1012標(biāo)準(zhǔn)煤，大多地區(qū)年平均日輻射量在4(kW·h)/m2以上，西北地區(qū)日輻射量可達(dá)7(kW·h)/m2，日照時(shí)間超過2 000 h/年，因此太陽(yáng)能的開發(fā)在我國(guó)具有得天獨(dú)厚的自然條件[2-3]。

根據(jù)發(fā)電方式的不同，太陽(yáng)能發(fā)電可分為光伏和光熱發(fā)電兩種，本文分別從發(fā)電方式、應(yīng)用領(lǐng)域、儲(chǔ)能方式、發(fā)電可調(diào)度性以及經(jīng)濟(jì)性等方面對(duì)兩者進(jìn)行對(duì)比分析，以期找出各自的優(yōu)缺點(diǎn)，分析兩種發(fā)電方式的發(fā)展前景。

1 光伏發(fā)電

光伏發(fā)電的原理是當(dāng)太陽(yáng)光照射到太陽(yáng)電池上時(shí)，電池吸收光能，產(chǎn)生光生伏打效應(yīng)，在電池的兩端出現(xiàn)異號(hào)電荷積累，若引出電極并接上負(fù)載，便有功率輸出[4]。

光伏發(fā)電相比于傳統(tǒng)發(fā)電方式，具有無污染、無噪聲的特點(diǎn)，其發(fā)電過程不需要消耗化石燃料也不需要進(jìn)行機(jī)械操作，不會(huì)對(duì)大氣產(chǎn)生污染，是一種可持續(xù)的能源利用方式。該種發(fā)電方式有以下幾個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)：(1)不受地理位置的影響，有光照就可以利用光伏發(fā)電，而且太陽(yáng)能理論上講是取之不盡、用之不竭的；(2)光伏發(fā)電電能可以就近消納，不需長(zhǎng)距離輸電，這樣就節(jié)約了輸電成本；(3)光伏發(fā)電不消耗燃料，不污染空氣、不產(chǎn)生噪聲，不受能源危機(jī)的限制，是綠色可再生能源；(4)光伏發(fā)電方式過程簡(jiǎn)單，不需要中間介質(zhì)，對(duì)水的需求少，可以在荒漠上使用，另外若和建筑物結(jié)合，則可以節(jié)省土地資源；(5)光伏發(fā)電組件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便運(yùn)輸及建設(shè)安裝，組件使用壽命較長(zhǎng)，維護(hù)成本較低。

但光伏發(fā)電方式本身也有不少缺點(diǎn)：(1)光伏發(fā)電受太陽(yáng)光的影響，發(fā)電功率波動(dòng)較大，當(dāng)出現(xiàn)陰天或者晚上時(shí)，則沒有發(fā)電功率輸出；(2)光伏發(fā)電現(xiàn)階段光伏發(fā)電存儲(chǔ)成本較高，若要光伏發(fā)電大規(guī)模應(yīng)用到電網(wǎng)中，必須要能大規(guī)模存儲(chǔ)，這樣就限制了光伏發(fā)電的電網(wǎng)接入規(guī)模；(3)光伏發(fā)電是直接把光能轉(zhuǎn)換成電能，雖然減少了中間環(huán)節(jié)，但是卻因?yàn)槿鄙僦虚g環(huán)節(jié)而減少了光伏發(fā)電的應(yīng)用領(lǐng)域，如不能像傳統(tǒng)燃煤發(fā)電可以提供熱能等。

2 光熱發(fā)電

太陽(yáng)能光熱發(fā)電首先是利用聚光太陽(yáng)能集熱器把太陽(yáng)輻射能聚集起來，然后利用能量將某種工質(zhì)加熱到數(shù)百攝氏度，并以此工質(zhì)來驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的一項(xiàng)太陽(yáng)能利用技術(shù)[5]。光熱發(fā)電按所加熱介質(zhì)的溫度高低分為高溫發(fā)電和低溫發(fā)電。

2.1 高溫太陽(yáng)能光熱發(fā)電

高溫發(fā)電是通過聚焦太陽(yáng)光產(chǎn)生高溫，加熱工質(zhì)進(jìn)而推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電的一種發(fā)電方式。根據(jù)集熱形式的不同，光熱發(fā)電可分為槽式、塔式、碟式、分立式等。高溫光熱發(fā)電系統(tǒng)包括聚光集熱裝置、熱機(jī)、發(fā)電等3個(gè)部分，各種技術(shù)的差別主要在于聚光、集熱方式不同[6]。

2.1.1 塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)

塔式系統(tǒng)是利用多臺(tái)平面反射鏡，將太陽(yáng)輻射反射集中到1個(gè)高塔頂部的接收器上，將轉(zhuǎn)換成熱能后傳給工質(zhì)，經(jīng)過蓄熱裝置，再輸入熱動(dòng)力機(jī)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電[5]。塔式技術(shù)采用聚焦方式，聚光比較高，溫度可達(dá)1 000℃以上，但目前投資成本約為4萬(wàn)元/kW，占地面積約為1 000畝/10 MW。塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 塔式光熱發(fā)電

2.1.2 槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)

槽式發(fā)電系統(tǒng)的聚光鏡為槽型拋物面，細(xì)長(zhǎng)型的管狀集熱器被固定在聚光鏡的焦點(diǎn)線上，工質(zhì)在集熱管內(nèi)被加熱，為線聚焦，多個(gè)槽式聚光集熱器用串并聯(lián)方式組合起來，然后在換熱器內(nèi)產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，從而推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)如圖2所示。目前，國(guó)際上已投運(yùn)或在建的光熱發(fā)電站中，槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)較多。

圖2 槽式光熱發(fā)電

2.1.3 碟式光熱發(fā)電系統(tǒng)

碟式光熱發(fā)電是利用旋轉(zhuǎn)拋物面聚光鏡將太陽(yáng)光聚集在集熱器上，集熱器內(nèi)的工質(zhì)被加熱從而驅(qū)動(dòng)斯特林機(jī)或布雷頓機(jī)做功發(fā)電的一種發(fā)電方式，其示意圖如圖3所示。這種模式的光熱發(fā)電系統(tǒng)自身效率很高，可達(dá)30%，是以上幾種發(fā)電方式里效率最高的。碟式裝置聚光鏡面和焦點(diǎn)相對(duì)位置固定，和塔式技術(shù)相比，聚光鏡的直徑和焦距均較小，光斑和像散不大，聚光效率較高。碟式技術(shù)為點(diǎn)聚焦，集熱器單位面積上接受到的能量很高，集熱器內(nèi)的工質(zhì)被加熱到750～2 000℃。難以像槽式技術(shù)一樣采用串并聯(lián)方式、用軟管將單個(gè)聚光集熱器加熱的工質(zhì)集中輸送到熱機(jī)處做功發(fā)電，必須給每個(gè)碟式單機(jī)配置透平或斯特林裝置。另外，因?yàn)榈较到y(tǒng)的聚光點(diǎn)處溫度可達(dá)2 000℃，但工質(zhì)不能在這么高的溫度下工作，因此接收點(diǎn)不設(shè)置在聚光點(diǎn)上，太陽(yáng)能的利用還不充分。

圖3 碟式光熱發(fā)電

2.1.4 分立式光熱發(fā)電系統(tǒng)

分立式光熱發(fā)電系統(tǒng)的聚光鏡為高次曲面鏡，其跟蹤方式采用自旋+仰角技術(shù)，有效減小聚光鏡的像散，聚光效率高。各聚光鏡采用同步雙軸跟蹤，和塔式技術(shù)的獨(dú)立跟蹤相比，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)化。集熱器吸收槽式發(fā)電技術(shù)串并聯(lián)布置的特點(diǎn)，可配置單機(jī)功率較高的汽輪機(jī)，提高了汽輪機(jī)的效率和經(jīng)濟(jì)性。但高次曲面鏡加工難度高，價(jià)格昂貴[6]。

2.2 低溫太陽(yáng)能光熱發(fā)電

低溫太陽(yáng)能光熱發(fā)電過程是利用有機(jī)工質(zhì)低沸點(diǎn)蒸發(fā)的熱物理性質(zhì)，經(jīng)蒸發(fā)器與低溫?zé)嵩磽Q熱，蒸發(fā)為飽和或者過熱蒸汽推動(dòng)膨脹機(jī)做功，將低品位熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并拖動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電[7]。傳統(tǒng)火電廠和高溫太陽(yáng)能光熱發(fā)電都是采用以水蒸氣為介質(zhì)的朗肯循環(huán)，而低溫太陽(yáng)能發(fā)電是以低沸點(diǎn)有機(jī)物為工質(zhì)的朗肯循環(huán)[8]。兩者的最大區(qū)別在于所采用的工質(zhì)不同。

3 光伏和光熱發(fā)電的對(duì)比分析

從以上介紹情況可知，光伏發(fā)電和光熱發(fā)電的基本原理完全不同，這樣就造成兩種發(fā)電方式有很多的不同，對(duì)于電網(wǎng)來講，也會(huì)有很大的影響，兩者的不同可以從以下幾個(gè)方面展開分析。

3.1 應(yīng)用的地域不同

光伏發(fā)電和光熱發(fā)電對(duì)太陽(yáng)能輻照的要求不同，光熱發(fā)電對(duì)太陽(yáng)輻照的要求更高，尤其是高溫光熱發(fā)電，一般采用DNI(直接輻照強(qiáng)度)來衡量某地區(qū)是否適宜建設(shè)光熱電站，而光伏發(fā)電一般則采用GHI(地表總輻射值)來衡量即可，同樣一個(gè)地方，DNI的總量一般為GHI總量的65%～85%。這是因?yàn)楣夥l(fā)電對(duì)光照的要求低，即便是散射光也可用來發(fā)電，而光熱發(fā)電由于對(duì)工作溫度要求較高，只有直射光照才可以滿足運(yùn)行要求。所以這也就決定了兩者的應(yīng)用地域有所不同，在太陽(yáng)能輻照不高的地方，可以建設(shè)光伏電站，未必就適合建設(shè)光熱電站。

3.2 應(yīng)用的領(lǐng)域不同

從能量轉(zhuǎn)化的過程看，光伏發(fā)電僅需要經(jīng)過光電一次轉(zhuǎn)換即可，而光熱發(fā)電則需要經(jīng)過光導(dǎo)熱再到電的二次轉(zhuǎn)換。這雖增加了系統(tǒng)集成的難度，但熱量發(fā)生作為光熱電站運(yùn)行的一個(gè)中間環(huán)節(jié)，也擴(kuò)大了光熱發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。比如可以利用其產(chǎn)生的過熱蒸汽與傳統(tǒng)的燃煤電廠、燃?xì)怆姀S或生物質(zhì)能電廠進(jìn)行混合發(fā)電。另外，其產(chǎn)生的熱也可作為副產(chǎn)品進(jìn)行海水淡化、工業(yè)用熱等領(lǐng)域。

3.3 能量存儲(chǔ)方式不同

在能量的存儲(chǔ)方面，光熱發(fā)電優(yōu)勢(shì)明顯，光伏發(fā)電一般只能采用蓄電池存儲(chǔ)的方式，光熱發(fā)電有熱量的轉(zhuǎn)換過程，可以采用熱量的存儲(chǔ)方式。熱量的存儲(chǔ)要比電能的存儲(chǔ)方便得多，熱量的存儲(chǔ)技術(shù)也比電能的存儲(chǔ)技術(shù)成熟且廉價(jià)得多。

3.4 應(yīng)用的前景不同

由于光伏電池自身的特性，光伏發(fā)電具有較大的不穩(wěn)定性，目前儲(chǔ)能技術(shù)不能保證大規(guī)模地存儲(chǔ)電能，無法平滑地輸送給電網(wǎng)，這就造成電網(wǎng)不可能無限制地接納光伏發(fā)電。而光熱發(fā)電，由于熱量存儲(chǔ)的方便性，就像常規(guī)火力發(fā)電機(jī)組一樣，在電網(wǎng)需求的前提下，可以無限制地接納。從這一層面上考慮，光熱發(fā)電比光伏發(fā)電有更廣闊的應(yīng)用前景。

3.5 發(fā)電的可調(diào)度性不同

3.5.1 對(duì)電網(wǎng)負(fù)荷波動(dòng)的響應(yīng)不同

由于光伏發(fā)電受光照的影響較大，夜晚以及陰天時(shí)發(fā)電受限，另外，現(xiàn)階段光伏電站普遍還未配有大規(guī)模存儲(chǔ)設(shè)備，這就造成光伏發(fā)電的不穩(wěn)定性，無法正常滿足電網(wǎng)不斷波動(dòng)的負(fù)荷，這會(huì)對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行造成很大的挑戰(zhàn)。圖4為某地區(qū)日負(fù)荷曲線圖，每15 min一個(gè)負(fù)荷點(diǎn)，對(duì)應(yīng)圖中的橫軸是從0點(diǎn)至24點(diǎn)的負(fù)荷值，圖中負(fù)荷最高點(diǎn)出現(xiàn)在下午18：00，而對(duì)應(yīng)的此時(shí)正是太陽(yáng)落山時(shí)，日照較少，發(fā)電量肯定較小，若僅靠光伏發(fā)電來提供負(fù)荷，肯定無法滿足要求。

圖4 某地區(qū)日負(fù)荷曲線圖

光熱發(fā)電則可以利用熱量的存儲(chǔ)技術(shù)，能平滑地輸出其功率，可以像火電一樣并入電網(wǎng)，滿足電網(wǎng)負(fù)荷不斷波動(dòng)的需求，不會(huì)對(duì)電網(wǎng)的運(yùn)行產(chǎn)生不利的影響。

3.5.2 旋轉(zhuǎn)備用問題

在電網(wǎng)方面，當(dāng)光伏大規(guī)模接入，占有全網(wǎng)發(fā)電負(fù)荷一定比例后，為了保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，電網(wǎng)方面必須考慮全網(wǎng)的旋轉(zhuǎn)備用問題，以防止光伏發(fā)電功率的波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)造成影響。備用的必須成一定的比例，30%備用或50%備用等，這就造成很大的浪費(fèi)情況，現(xiàn)階段電網(wǎng)備用一般為火電機(jī)組，光伏發(fā)電雖然為清潔能源，但旋轉(zhuǎn)備用機(jī)組卻需要同時(shí)燃燒大量相當(dāng)?shù)拿簛砭S持旋轉(zhuǎn)備用以保證光伏發(fā)電大規(guī)模接入后電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。這樣一方面會(huì)對(duì)電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行造成影響，另一方面也并沒有達(dá)到節(jié)能減排的目的，還造成了巨大的浪費(fèi)。

3.5.3 削峰填谷的作用

光伏發(fā)電由于其儲(chǔ)存難度較大，并不能實(shí)現(xiàn)削峰填谷的作用。而光熱發(fā)電不同，熱量發(fā)生作為光熱電站運(yùn)行的一個(gè)中間環(huán)節(jié)，可以方便地實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)以及重復(fù)利用，使其可以像抽水蓄能電站一樣充當(dāng)電網(wǎng)的調(diào)度電力來源。利用峰谷電價(jià)的差異，在谷電價(jià)時(shí)加熱儲(chǔ)能，在峰電價(jià)時(shí)放熱發(fā)電，從而達(dá)到削峰填谷的作用，有利于電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行，并且也節(jié)能環(huán)保。

3.6 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比

從光熱發(fā)電的幾種發(fā)電方式的成本對(duì)比來看，成本電價(jià)最便宜的是槽式發(fā)電，技術(shù)也最成熟，槽式光熱發(fā)電的保本電價(jià)在1.6～1.7元/kWh，而光伏發(fā)電的保本電價(jià)在1.28元/kWh。光熱發(fā)電成本比光伏發(fā)電要高很多。但是，以上電價(jià)的計(jì)算過程中并未考慮光伏儲(chǔ)能的成本，太陽(yáng)能光熱發(fā)電可以利用500℃以上熔融鹽作為蓄熱介質(zhì)，儲(chǔ)存的能量在1×106kW·h以上，比利用蓄電池的光伏發(fā)電的能量存儲(chǔ)成本低一個(gè)數(shù)量級(jí)。從電網(wǎng)的需求看，若要大規(guī)模接入新能源發(fā)電，必須要求有相應(yīng)的儲(chǔ)存，以滿足電網(wǎng)調(diào)度。所以光伏發(fā)電的經(jīng)濟(jì)成本還需考慮這方面的費(fèi)用，綜合計(jì)算，其電價(jià)成本還要提高一個(gè)等級(jí)。

而且，光熱發(fā)電技術(shù)現(xiàn)在還在工業(yè)應(yīng)用的初級(jí)階段，還沒有進(jìn)入大規(guī)模應(yīng)用階段，在光熱發(fā)電技術(shù)日趨成熟，工業(yè)應(yīng)用越來越規(guī)?；那闆r下，光熱發(fā)電成本還有很大的下降空間。所以，從長(zhǎng)遠(yuǎn)看，光熱發(fā)電的經(jīng)濟(jì)成本有光伏發(fā)電方式不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

本文對(duì)光伏與光熱發(fā)電的基本原理進(jìn)行了介紹，并對(duì)兩者的應(yīng)用地域、應(yīng)用領(lǐng)域、發(fā)電可調(diào)度性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了對(duì)比分析，從分析可以看出：光熱發(fā)電在應(yīng)用領(lǐng)域、能量存儲(chǔ)，發(fā)電可調(diào)度性等方面都有自身獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但由于光熱發(fā)電對(duì)太陽(yáng)能輻射要求較高，其應(yīng)用地域易受限制；經(jīng)濟(jì)性方面，目前光熱發(fā)電成本依然較高，當(dāng)然，目前光熱發(fā)電技術(shù)還處在初步應(yīng)用階段，在其技術(shù)上還有很大的發(fā)展空間，經(jīng)濟(jì)性上還有很大的降低空間。

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Comparative analysis of development prospect of photovoltaic generation and photo-thermal generation

GAO Bo1,LU Wei-qing2,LUO Ya-qiao1,LI Yuan-song1,ZHENG Guo-qiang1
(1.State Grid Anhui Electric Power Research Institute,Hefei Anhui 230601,China;2.Anhui Water Conservancy Technical College,Hefei Anhui 230601,China)

The photovoltaic generation and photo-thermal generation,which belong to the solar power generation,have many differences.In order to reveal the development prospect of the photovoltaic generation and photo-thermal generation, a detailed comparative analysis on some aspects was made, such as the generation dispatching,application fields,energy storage,generation schedulability,economy,and so on,so that the advantage and disadvantages of them could be summarized.

photovoltaic generation;photo-thermal generation;energy storage;schedulability;economy

TM 615

A

1002-087 X(2017)07-

2016-12-06

高博(1981—)，男，安徽省人，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槔^電保護(hù)、新能源及智能電網(wǎng)技術(shù)。