一文看懂太陽(yáng)能光熱發(fā)電原理及分類 - 全文
文章來(lái)源:未知時(shí)間:2022-02-07
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太陽(yáng)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(yáng)熱能，通過(guò)換熱裝置提供蒸汽，結(jié)合傳統(tǒng)汽輪發(fā)電機(jī)的工藝，從而達(dá)到發(fā)電的目的。
采用太陽(yáng)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(yáng)能發(fā)電的成本。而且，這種形式的太陽(yáng)能利用還有一個(gè)其他形式的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)，即太陽(yáng)能所燒熱的水可以儲(chǔ)存在巨大的容器中，在太陽(yáng)落山后幾個(gè)小時(shí)仍然能夠帶動(dòng)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(gè)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能，再將熱能轉(zhuǎn)化為電能的過(guò)程。利用聚光鏡等聚熱器采集的太陽(yáng)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(guò)后產(chǎn)生高溫蒸汽，從而帶動(dòng)汽輪機(jī)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(gè)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(jī)構(gòu)等部件。如果說(shuō)集熱系統(tǒng)是整個(gè)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(diǎn)偏差等均能影響發(fā)電效率。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的聚光鏡，效率可以達(dá)到94%，與國(guó)外生產(chǎn)的聚光鏡效率相差不大。集熱系統(tǒng)采集太陽(yáng)能，將太陽(yáng)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(lái)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(guò)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(guò)程中，傳熱管道越短，熱損耗就越小。
蓄熱與熱交換系統(tǒng)：個(gè)人認(rèn)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(duì)比光伏發(fā)電技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。即將太陽(yáng)熱能儲(chǔ)存起來(lái)。可以在夜間發(fā)電，也可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐挠秒娯?fù)荷，適應(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(duì)儲(chǔ)熱介質(zhì)的要求為：儲(chǔ)能密度大，來(lái)源豐富且價(jià)格低廉，性能穩(wěn)定，無(wú)腐蝕性，安全性好，傳熱面積大，熱交換器導(dǎo)熱性能好，儲(chǔ)熱介質(zhì)具有較好的黏性。目前我國(guó)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(jià)格低廉的固體蓄熱，以達(dá)到降低發(fā)電成本的效果。
發(fā)電系統(tǒng)：用于太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電機(jī)有汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)、低沸點(diǎn)工質(zhì)汽輪機(jī)、斯特林發(fā)電機(jī)等。這些發(fā)電裝置，可根據(jù)汽輪機(jī)入口熱能的溫度等級(jí)及熱量、蒸汽壓力等情況進(jìn)行選擇。對(duì)于大型光熱發(fā)電系統(tǒng)，由于其溫度等級(jí)與火力發(fā)電系統(tǒng)基本相同，可選用常規(guī)的汽輪機(jī)；工作溫度在800℃以上時(shí)，可選用燃?xì)廨啓C(jī)；對(duì)于小功率或者低溫的太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，則可選用低沸點(diǎn)工質(zhì)汽輪機(jī)或斯特林。目前使用的汽輪機(jī)，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(jī)具有頻繁啟停、快速啟動(dòng)、低負(fù)荷運(yùn)行、高效性等特點(diǎn)。
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(diǎn)式聚焦系統(tǒng)，其利用大規(guī)模的定日鏡形成的定日鏡場(chǎng)陣列，將太陽(yáng)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(dòng)汽輪機(jī)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(diǎn)，但塔式系統(tǒng)必須規(guī)模化利用，占地要求高，單次投資較大，采用雙軸跟蹤系統(tǒng)，鏡場(chǎng)的控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。
槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)全稱為槽式拋物面反射鏡太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)，是將多個(gè)槽型拋物面聚光集熱器經(jīng)過(guò)串并聯(lián)的排列，加熱工質(zhì)，產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電。
碟式系統(tǒng)也是點(diǎn)式聚焦系統(tǒng)，它應(yīng)該是太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)是世界上最早出現(xiàn)的太陽(yáng)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(diǎn)上，接收器內(nèi)的傳熱介質(zhì)被加熱后，驅(qū)動(dòng)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)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(dá)到，聚焦溫度甚至可以達(dá)到1000℃以上，效率較高，對(duì)于地面坡度要求也更為靈活。但成本上還缺少優(yōu)勢(shì)，技術(shù)上也有待于完善。碟式系統(tǒng)較適用于邊遠(yuǎn)地區(qū)獨(dú)立電站?？梢詥闻_(tái)使用或多臺(tái)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(lái)替代拋面鏡。這使得它的成本相對(duì)來(lái)說(shuō)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(gè)系統(tǒng)的年發(fā)電效率僅能達(dá)到10%左右；但由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、直接使用導(dǎo)熱介質(zhì)產(chǎn)生蒸汽等特點(diǎn)，其建設(shè)和維護(hù)成本也相對(duì)較低。
1、電能質(zhì)量?jī)?yōu)良，可直接無(wú)障礙并網(wǎng)。
太陽(yáng)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(guò)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(duì)較為成熟，穩(wěn)定性高，因此更方便與目前國(guó)內(nèi)的電網(wǎng)對(duì)接，且電力品質(zhì)好。
2、可儲(chǔ)能，可調(diào)峰，實(shí)現(xiàn)連續(xù)發(fā)電。
電網(wǎng)的負(fù)荷曲線形狀在白天與太陽(yáng)能發(fā)電自然曲線相似，上午負(fù)荷隨時(shí)間上升，下午隨時(shí)間下降，因此太陽(yáng)能發(fā)電是天然的電網(wǎng)調(diào)峰負(fù)荷，可根據(jù)電網(wǎng)白天和晚上的最大負(fù)荷差確定負(fù)荷比例，一般可占10-20%的比例；
受益于熱能的易儲(chǔ)存性，所有太陽(yáng)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(guò)熱的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)發(fā)電的緩沖和平滑，并可應(yīng)對(duì)太陽(yáng)能短暫的不穩(wěn)定狀況；
儲(chǔ)能是可再生能源發(fā)展的一大瓶頸，實(shí)踐證明儲(chǔ)熱的效率和經(jīng)濟(jì)性顯著優(yōu)于儲(chǔ)電和抽水蓄能。配備專門蓄熱裝置的太陽(yáng)能光熱發(fā)電電站，不僅在啟動(dòng)時(shí)和少云到多云狀態(tài)時(shí)可以補(bǔ)充能量，保證機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行，甚至可以實(shí)現(xiàn)日落后24小時(shí)不間斷發(fā)電，同時(shí)可根據(jù)負(fù)載、電網(wǎng)需求進(jìn)行電力調(diào)峰、調(diào)度。
3、規(guī)模效應(yīng)下成本優(yōu)勢(shì)突出。
因熱電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)與火電相同，太陽(yáng)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(jìn)步和產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴(kuò)大，太陽(yáng)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(wú)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(yáng)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(wú)污染，是真正的清潔能源。
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近年來(lái)，國(guó)家不斷發(fā)布太陽(yáng)能光熱利用相關(guān)支持政策，并將太陽(yáng)能光熱產(chǎn)業(yè)列入國(guó)家七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，為加快太陽(yáng)能光熱的研究與開發(fā)，國(guó)內(nèi)成立了國(guó)家太陽(yáng)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(jì)院等研究機(jī)構(gòu)以及國(guó)內(nèi)龍頭企業(yè)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，開展產(chǎn)學(xué)研合作，發(fā)展太陽(yáng)能光熱產(chǎn)業(yè)。我國(guó)現(xiàn)有太陽(yáng)能光熱企業(yè)3000多家，其中規(guī)模化企業(yè)不超過(guò)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(chǎng)占有份額約為40%。從太陽(yáng)能光熱產(chǎn)品市場(chǎng)占有率來(lái)看，真空管集熱器的市場(chǎng)占有率約為80%，平板集熱器的市場(chǎng)占有率約為20%。
日前，國(guó)家發(fā)展改革委出臺(tái)《關(guān)于太陽(yáng)能熱發(fā)電標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)政策的通知》（以下簡(jiǎn)稱《通知》），核定太陽(yáng)能熱發(fā)電標(biāo)桿上網(wǎng)電價(jià)為每千瓦時(shí)1.15元，并明確上述電價(jià)僅適用于國(guó)家能源局2016年組織實(shí)施的示范項(xiàng)目。據(jù)了解，此次公布的光熱標(biāo)桿電價(jià)相比之前預(yù)計(jì)的1.1元/千瓦時(shí)略高，比中控德令哈項(xiàng)目1.2元/千瓦時(shí)的電價(jià)略低，并且電價(jià)在2019年之前基本不會(huì)做出調(diào)整，表明了國(guó)家對(duì)于推動(dòng)光熱行業(yè)的發(fā)展持有積極的態(tài)度。該電價(jià)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(bǔ)貼盲目擴(kuò)張，可以淘汰那些技術(shù)水平落后，經(jīng)濟(jì)性不佳的項(xiàng)目，對(duì)技術(shù)能力強(qiáng)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(guó)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(rèn)識(shí)到產(chǎn)業(yè)發(fā)展所存在的問(wèn)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(yáng)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(guó)家的重視，國(guó)家勵(lì)志將光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)推向國(guó)際，有國(guó)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(shí)的進(jìn)行與各國(guó)之間光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗(yàn)的交流，太陽(yáng)能作為一種新起用的能源，各方的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)有利于在太陽(yáng)能光熱發(fā)電此后的發(fā)展中，減少錯(cuò)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(wèn)題是光熱發(fā)電的技術(shù)在發(fā)展，但是技術(shù)沒(méi)有突破性的升級(jí)。我國(guó)的光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)雖然現(xiàn)在已經(jīng)在國(guó)際上首屈一指，但是存在一個(gè)現(xiàn)象，其他國(guó)家的光熱發(fā)電領(lǐng)域每隔一定時(shí)間內(nèi)會(huì)有技術(shù)上的突破，提高光熱發(fā)電的質(zhì)量。而我國(guó)現(xiàn)今光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)似乎還停留在擴(kuò)大規(guī)模的戰(zhàn)略上。
我國(guó)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(jī)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(yàn)，尤其是大規(guī)模設(shè)計(jì)作業(yè)的經(jīng)驗(yàn)，這些經(jīng)驗(yàn)都需要后期的操作去累積。我國(guó)的太陽(yáng)能資源豐富，主要是我國(guó)西部以及山西北部以上地區(qū)，近年來(lái)，太陽(yáng)能的推廣在我國(guó)境內(nèi)開始大規(guī)模的發(fā)展。缺乏經(jīng)驗(yàn)的我們更多的還是盤踞于我國(guó)西部，其他的項(xiàng)目不足1MW，這樣的“大規(guī)模”就是缺乏經(jīng)驗(yàn)的表現(xiàn)。
我國(guó)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(yáng)能的利用是一種綠色能源的表現(xiàn)，但是考慮到太陽(yáng)能的特殊性，目前正在設(shè)法高效地使用太陽(yáng)能，光熱發(fā)電的效率還是比較低，從另一方面來(lái)講，在光熱發(fā)電行業(yè)中游產(chǎn)業(yè)的延伸鏈?zhǔn)呛荛L(zhǎng)，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(guò)剩產(chǎn)能，而且同時(shí)還可以帶動(dòng)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(guó)的光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)對(duì)于過(guò)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(chǎng)還不完整，我國(guó)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(duì)于比較成熟，成熟的市場(chǎng)是一個(gè)產(chǎn)業(yè)成熟的標(biāo)志。擁有完整的系統(tǒng)和成熟的市場(chǎng)，這是光熱發(fā)電所不具備的條件。我國(guó)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(shí)驗(yàn)階段。
光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)的繁榮是我們可以預(yù)見(jiàn)的發(fā)展趨勢(shì)。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(guó)境內(nèi)目前所擁有的人才還無(wú)法支持我國(guó)光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，需要培養(yǎng)和引進(jìn)更多的人才。
與火電廠聯(lián)合發(fā)電，這種運(yùn)行方式將成為光熱發(fā)電的一個(gè)重要發(fā)展趨勢(shì)。光熱發(fā)電與光伏發(fā)電形成互補(bǔ)效應(yīng)，建設(shè)光熱+光伏的綜合電站。在同一個(gè)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(wèn)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(guó)的新月沙丘項(xiàng)目則是光熱&光伏全集成的項(xiàng)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(yuǎn)山區(qū)的供電問(wèn)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(yáng)能中高溫?zé)崂?。太?yáng)能熱發(fā)電站的聚光鏡場(chǎng)，可以用來(lái)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(guó)內(nèi)已有部分示范項(xiàng)目。海南樂(lè)東、臨高有太陽(yáng)能海水淡化的示范項(xiàng)目，廣東番禺有太陽(yáng)能中溫產(chǎn)生蒸汽供紡織廠用的示范，新疆克拉瑪依太陽(yáng)能預(yù)熱天然氣蒸汽鍋爐用于稠油開采等。
未來(lái)幾年，光熱成本有望進(jìn)一步下降，發(fā)展?jié)摿?huì)繼續(xù)增大。在一個(gè)行業(yè)剛起步的時(shí)候，成本高是不可避免的，光伏剛起步的時(shí)候也是近40元一瓦。國(guó)際上來(lái)看光熱發(fā)電電價(jià)已經(jīng)降到15美分，美國(guó)將降到6美分左右。而光熱示范工程電價(jià)為1.09～1.4元/瓦左右，再加上未來(lái)投資成本下行驅(qū)動(dòng)因素包括電站規(guī)?；秃诵牟考?guó)產(chǎn)化等，如果后續(xù)大面積鋪開，造價(jià)有望不斷下降。根據(jù)綠色和平組織預(yù)測(cè)，到2050年的光熱發(fā)電成本將降至1.6萬(wàn)元/千瓦，降幅可達(dá)40%。另外，光熱發(fā)電由于具備儲(chǔ)能優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)新能源發(fā)展的重要方向。根據(jù)IEA和ESLA預(yù)測(cè)，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(lái)10～15年是光熱市場(chǎng)的快速發(fā)展期。
