一文看懂太陽能光熱發(fā)電原理及分類 - 全文
文章來源:未知時間:2022-02-07
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太陽能光熱發(fā)電是指利用大規(guī)模陣列拋物或碟形鏡面收集太陽熱能，通過換熱裝置提供蒸汽，結(jié)合傳統(tǒng)汽輪發(fā)電機的工藝，從而達到發(fā)電的目的。
采用太陽能光熱發(fā)電技術(shù)，避免了昂貴的硅晶光電轉(zhuǎn)換工藝，可以大大降低太陽能發(fā)電的成本。而且，這種形式的太陽能利用還有一個其他形式的太陽能轉(zhuǎn)換所無法比擬的優(yōu)勢，即太陽能所燒熱的水可以儲存在巨大的容器中，在太陽落山后幾個小時仍然能夠帶動汽輪發(fā)電。
光熱發(fā)電技術(shù)，是不同于光伏發(fā)電的全新的新能源應(yīng)用技術(shù)。它是一個將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，再將熱能轉(zhuǎn)化為電能的過程。利用聚光鏡等聚熱器采集的太陽熱能，將傳熱介質(zhì)加熱到幾百度的高溫，傳熱介質(zhì)經(jīng)過后產(chǎn)生高溫蒸汽，從而帶動汽輪機產(chǎn)生電能。此處的傳熱介質(zhì)多為導(dǎo)熱油與熔鹽。通常我們將整個的光熱發(fā)電系統(tǒng)分成四部分：集熱系統(tǒng)、熱傳輸系統(tǒng)、蓄熱與熱交換系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)。
集熱系統(tǒng)：集熱系統(tǒng)包括聚光裝置、接收器、跟蹤機構(gòu)等部件。如果說集熱系統(tǒng)是整個光熱發(fā)電的核心，那么聚光裝置就是集熱系統(tǒng)的核心。聚光裝置即為聚光鏡或者定日鏡等。其反射率、焦點偏差等均能影響發(fā)電效率。目前國內(nèi)生產(chǎn)的聚光鏡，效率可以達到94%，與國外生產(chǎn)的聚光鏡效率相差不大。集熱系統(tǒng)采集太陽能，將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能。
熱傳輸系統(tǒng)：熱傳輸系統(tǒng)主要是傳輸集熱系統(tǒng)收集起來的熱能。利用傳熱介質(zhì)將熱能輸送給蓄熱系統(tǒng)。傳熱介質(zhì)多為導(dǎo)熱油和熔鹽。理論上，熔鹽比導(dǎo)熱油溫度高，發(fā)電效率大，也更安全。熱傳輸系統(tǒng)一般有預(yù)熱器、蒸汽發(fā)生器、過熱器和再熱器等組成。熱傳輸系統(tǒng)的基本要求是：傳熱管道損耗小、輸送傳熱介質(zhì)的泵功率小、熱量傳輸?shù)某杀镜?。在熱傳輸過程中，傳熱管道越短，熱損耗就越小。
蓄熱與熱交換系統(tǒng)：個人認為，光熱發(fā)電技術(shù)在蓄熱與熱交換系統(tǒng)中充分體現(xiàn)了對比光伏發(fā)電技術(shù)的優(yōu)勢。即將太陽熱能儲存起來?？梢栽谝归g發(fā)電，也可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐挠秒娯摵桑m應(yīng)電網(wǎng)調(diào)度發(fā)電。蓄熱裝置常由真空絕熱或以絕熱材料包覆的蓄熱器構(gòu)成。蓄熱系統(tǒng)中對儲熱介質(zhì)的要求為：儲能密度大，來源豐富且價格低廉，性能穩(wěn)定，無腐蝕性，安全性好，傳熱面積大，熱交換器導(dǎo)熱性能好，儲熱介質(zhì)具有較好的黏性。目前我國正在研究蓄熱的各種新技術(shù)新材料，更有專家提出用陶瓷等價格低廉的固體蓄熱，以達到降低發(fā)電成本的效果。
發(fā)電系統(tǒng)：用于太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機有汽輪機、燃氣輪機、低沸點工質(zhì)汽輪機、斯特林發(fā)電機等。這些發(fā)電裝置，可根據(jù)汽輪機入口熱能的溫度等級及熱量、蒸汽壓力等情況進行選擇。對于大型光熱發(fā)電系統(tǒng)，由于其溫度等級與火力發(fā)電系統(tǒng)基本相同，可選用常規(guī)的汽輪機；工作溫度在800℃以上時，可選用燃氣輪機；對于小功率或者低溫的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，則可選用低沸點工質(zhì)汽輪機或斯特林。目前使用的汽輪機，空冷居多。雖然光熱技術(shù)的發(fā)電系統(tǒng)類似于火力發(fā)電系統(tǒng)，但是還是有一定的區(qū)別，這樣就要要求汽輪機具有頻繁啟停、快速啟動、低負荷運行、高效性等特點。
依照聚焦方式及結(jié)構(gòu)的不同，光熱技術(shù)可以分為塔式、槽式、碟式、菲涅爾式四種。
塔式發(fā)電系統(tǒng)為點式聚焦系統(tǒng)，其利用大規(guī)模的定日鏡形成的定日鏡場陣列，將太陽輻射反射到置于高塔頂部的吸熱器上，加熱傳熱介質(zhì)，使其直接產(chǎn)生蒸汽或者換熱后再產(chǎn)生蒸汽，以此驅(qū)動汽輪機發(fā)電。塔式系統(tǒng)具有熱傳遞路程短、熱損耗小、聚光比和溫度較高等優(yōu)點，但塔式系統(tǒng)必須規(guī)?；?，占地要求高，單次投資較大，采用雙軸跟蹤系統(tǒng)，鏡場的控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。
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。
碟式系統(tǒng)也是點式聚焦系統(tǒng)，它應(yīng)該是太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是世界上最早出現(xiàn)的太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)了。碟式系統(tǒng)也稱為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)的傳熱介質(zhì)被加熱后，驅(qū)動斯特林發(fā)動機進行發(fā)電。碟式系統(tǒng)的聚光比非常高，從幾百至上千都可達到，聚焦溫度甚至可以達到1000℃以上，效率較高，對于地面坡度要求也更為靈活。但成本上還缺少優(yōu)勢，技術(shù)上也有待于完善。碟式系統(tǒng)較適用于邊遠地區(qū)獨立電站。可以單臺使用或多臺并聯(lián)使用，適宜小規(guī)模發(fā)電。
菲涅爾式發(fā)電系統(tǒng)的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(yīng)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(dǎo)熱介質(zhì)產(chǎn)生蒸汽等特點，其建設(shè)和維護成本也相對較低。
1、電能質(zhì)量優(yōu)良，可直接無障礙并網(wǎng)。
太陽能光熱發(fā)電與常規(guī)化石能源在熱力發(fā)電上原理相同，都是通過Rankine循環(huán)、Brayton循環(huán)或Srling循環(huán)將熱能轉(zhuǎn)換為電能，直接輸出交流電，不必像光伏或風(fēng)電一樣還需要轉(zhuǎn)換，電量傳輸技術(shù)相對較為成熟，穩(wěn)定性高，因此更方便與目前國內(nèi)的電網(wǎng)對接，且電力品質(zhì)好。
2、可儲能，可調(diào)峰，實現(xiàn)連續(xù)發(fā)電。
電網(wǎng)的負荷曲線形狀在白天與太陽能發(fā)電自然曲線相似，上午負荷隨時間上升，下午隨時間下降，因此太陽能發(fā)電是天然的電網(wǎng)調(diào)峰負荷，可根據(jù)電網(wǎng)白天和晚上的最大負荷差確定負荷比例，一般可占10-20%的比例；
受益于熱能的易儲存性，所有太陽能光熱發(fā)電電站都有一定程度的調(diào)峰、調(diào)度能力，即通過熱的轉(zhuǎn)換實現(xiàn)發(fā)電的緩沖和平滑，并可應(yīng)對太陽能短暫的不穩(wěn)定狀況；
儲能是可再生能源發(fā)展的一大瓶頸，實踐證明儲熱的效率和經(jīng)濟性顯著優(yōu)于儲電和抽水蓄能。配備專門蓄熱裝置的太陽能光熱發(fā)電電站，不僅在啟動時和少云到多云狀態(tài)時可以補充能量，保證機組的穩(wěn)定運行，甚至可以實現(xiàn)日落后24小時不間斷發(fā)電，同時可根據(jù)負載、電網(wǎng)需求進行電力調(diào)峰、調(diào)度。
3、規(guī)模效應(yīng)下成本優(yōu)勢突出。
因熱電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)與火電相同，太陽能光熱發(fā)電也與火電同樣具備顯著的規(guī)模效應(yīng)，優(yōu)于風(fēng)電和光伏等。隨著技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴大，太陽能光熱發(fā)電的成本將很快接近甚至低于傳統(tǒng)化石能源發(fā)電成本。
4、清潔無污染，助力碳減排。
光伏盡管是清潔發(fā)電，但硅片生產(chǎn)環(huán)節(jié)卻高耗能高污染，而太陽能光熱發(fā)電不需要提煉重金屬、稀有金屬和硅，生產(chǎn)與發(fā)電環(huán)節(jié)均無污染，是真正的清潔能源。
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近年來，國家不斷發(fā)布太陽能光熱利用相關(guān)支持政策，并將太陽能光熱產(chǎn)業(yè)列入國家七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，為加快太陽能光熱的研究與開發(fā)，國內(nèi)成立了國家太陽能光熱產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，充分利用中科院、上海交大、設(shè)計院等研究機構(gòu)以及國內(nèi)龍頭企業(yè)的技術(shù)優(yōu)勢，開展產(chǎn)學(xué)研合作，發(fā)展太陽能光熱產(chǎn)業(yè)。我國現(xiàn)有太陽能光熱企業(yè)3000多家，其中規(guī)?；髽I(yè)不超過20家，中型企業(yè)約106家，小型企業(yè)2000多家，規(guī)?；髽I(yè)市場占有份額約為40%。從太陽能光熱產(chǎn)品市場占有率來看，真空管集熱器的市場占有率約為80%，平板集熱器的市場占有率約為20%。
日前，國家發(fā)展改革委出臺《關(guān)于太陽能熱發(fā)電標桿上網(wǎng)電價政策的通知》（以下簡稱《通知》），核定太陽能熱發(fā)電標桿上網(wǎng)電價為每千瓦時1.15元，并明確上述電價僅適用于國家能源局2016年組織實施的示范項目。據(jù)了解，此次公布的光熱標桿電價相比之前預(yù)計的1.1元/千瓦時略高，比中控德令哈項目1.2元/千瓦時的電價略低，并且電價在2019年之前基本不會做出調(diào)整，表明了國家對于推動光熱行業(yè)的發(fā)展持有積極的態(tài)度。該電價水平既有利于光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)的適當(dāng)規(guī)模發(fā)展，也有利于防止相關(guān)產(chǎn)業(yè)依賴高額補貼盲目擴張，可以淘汰那些技術(shù)水平落后，經(jīng)濟性不佳的項目，對技術(shù)能力強的企業(yè)有著十分積極的意義，有力于光熱產(chǎn)業(yè)的健康發(fā)展。
我國的光熱發(fā)電發(fā)展已經(jīng)擁有了一定的成就，但是在這些成就之下，我們也要清楚地認識到產(chǎn)業(yè)發(fā)展所存在的問題。由于能源的枯竭，風(fēng)力，水力發(fā)電等這些發(fā)電產(chǎn)業(yè)也遇到發(fā)展瓶頸，太陽能作為近幾年開發(fā)的最清潔的綠色能源之一，具有很大的發(fā)展前景。再加之國家的重視，國家勵志將光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)推向國際，有國家政策的扶持和幫助，有利于提供光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的技術(shù)人才以及及時的進行與各國之間光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗的交流，太陽能作為一種新起用的能源，各方的發(fā)展經(jīng)驗有利于在太陽能光熱發(fā)電此后的發(fā)展中，減少錯誤少走彎路。從上述以及各方的考察可以看出光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有很大的后勁，但是，目前所存在的問題是光熱發(fā)電的技術(shù)在發(fā)展，但是技術(shù)沒有突破性的升級。我國的光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)雖然現(xiàn)在已經(jīng)在國際上首屈一指，但是存在一個現(xiàn)象，其他國家的光熱發(fā)電領(lǐng)域每隔一定時間內(nèi)會有技術(shù)上的突破，提高光熱發(fā)電的質(zhì)量。而我國現(xiàn)今光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)似乎還停留在擴大規(guī)模的戰(zhàn)略上。
我國的光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)起步比較晚，但是在建設(shè)和規(guī)劃的光熱發(fā)電裝機容量早已位居于世界前列。但是我們的技術(shù)還不成熟，依然缺乏經(jīng)驗，尤其是大規(guī)模設(shè)計作業(yè)的經(jīng)驗，這些經(jīng)驗都需要后期的操作去累積。我國的太陽能資源豐富，主要是我國西部以及山西北部以上地區(qū)，近年來，太陽能的推廣在我國境內(nèi)開始大規(guī)模的發(fā)展。缺乏經(jīng)驗的我們更多的還是盤踞于我國西部，其他的項目不足1MW，這樣的“大規(guī)模”就是缺乏經(jīng)驗的表現(xiàn)。
我國的光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展還處于商業(yè)規(guī)?；那捌陔A段，還存在諸多的不足。太陽能的利用是一種綠色能源的表現(xiàn)，但是考慮到太陽能的特殊性，目前正在設(shè)法高效地使用太陽能，光熱發(fā)電的效率還是比較低，從另一方面來講，在光熱發(fā)電行業(yè)中游產(chǎn)業(yè)的延伸鏈是很長，可以涉及到很多的其它行業(yè)，比如，在光熱發(fā)電生產(chǎn)中可以消化水泥、鋼鐵、玻璃、化工等這些產(chǎn)業(yè)的過剩產(chǎn)能，而且同時還可以帶動其他很多產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在擁有這樣的發(fā)展可能之下，我國的光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)對于過剩產(chǎn)能的應(yīng)用太少。
光熱產(chǎn)能所提供的能量該應(yīng)用以何種領(lǐng)域？光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)的市場還不完整，我國境內(nèi)的石油，煤炭等資源正在枯竭，風(fēng)力、火力發(fā)電相對于比較成熟，成熟的市場是一個產(chǎn)業(yè)成熟的標志。擁有完整的系統(tǒng)和成熟的市場，這是光熱發(fā)電所不具備的條件。我國現(xiàn)今光熱發(fā)電應(yīng)用的地方還比較少，大部分還正處于實驗階段。
光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)的繁榮是我們可以預(yù)見的發(fā)展趨勢。光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)大規(guī)模的推行需要大量的相關(guān)人才。我國境內(nèi)目前所擁有的人才還無法支持我國光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，需要培養(yǎng)和引進更多的人才。
與火電廠聯(lián)合發(fā)電，這種運行方式將成為光熱發(fā)電的一個重要發(fā)展趨勢。光熱發(fā)電與光伏發(fā)電形成互補效應(yīng)，建設(shè)光熱+光伏的綜合電站。在同一個發(fā)電區(qū)域內(nèi)平衡光熱和光伏之間的電力生產(chǎn)和輸送，可消除光伏的間歇性問題，這兩大技術(shù)的結(jié)合從總體上可有效降低整體系統(tǒng)的發(fā)電成本。美國的新月沙丘項目則是光熱&光伏全集成的項目，該電站向需要全天候電能供給的礦業(yè)供電。建立分布式發(fā)電系統(tǒng)，這種發(fā)電系統(tǒng)有助于解決偏遠山區(qū)的供電問題，蝶式發(fā)電系統(tǒng)最適合，但由于其發(fā)電技術(shù)還不成熟，因此多采用槽式發(fā)電系統(tǒng)。太陽能中高溫?zé)崂?。太陽能熱發(fā)電站的聚光鏡場，可以用來產(chǎn)生蒸汽供工業(yè)應(yīng)用，比如用于海水淡化、紡織行業(yè)、化工和稠油開采等，國內(nèi)已有部分示范項目。海南樂東、臨高有太陽能海水淡化的示范項目，廣東番禺有太陽能中溫產(chǎn)生蒸汽供紡織廠用的示范，新疆克拉瑪依太陽能預(yù)熱天然氣蒸汽鍋爐用于稠油開采等。
未來幾年，光熱成本有望進一步下降，發(fā)展?jié)摿^續(xù)增大。在一個行業(yè)剛起步的時候，成本高是不可避免的，光伏剛起步的時候也是近40元一瓦。國際上來看光熱發(fā)電電價已經(jīng)降到15美分，美國將降到6美分左右。而光熱示范工程電價為1.09～1.4元/瓦左右，再加上未來投資成本下行驅(qū)動因素包括電站規(guī)?；秃诵牟考a(chǎn)化等，如果后續(xù)大面積鋪開，造價有望不斷下降。根據(jù)綠色和平組織預(yù)測，到2050年的光熱發(fā)電成本將降至1.6萬元/千瓦，降幅可達40%。另外，光熱發(fā)電由于具備儲能優(yōu)勢，是未來新能源發(fā)展的重要方向。根據(jù)IEA和ESLA預(yù)測，到2030年，光熱將滿足全球6%的電力需求，到2050年該比例將上升至12%。光熱將逐步和光伏一樣，成為主要的清潔能源，未來10～15年是光熱市場的快速發(fā)展期。
