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對太陽能熱發(fā)電走向成功之路的思考
日期:2021-08-12   [復(fù)制鏈接]
責(zé)任編輯:sy_mengjinshu 打印收藏評論(0)[訂閱到郵箱]
太陽能熱發(fā)電的原理是將太陽能轉(zhuǎn)換為高溫?zé)崮?,利用熱能產(chǎn)生高溫高壓蒸汽,從而推動蒸汽輪機(jī)發(fā)電。太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)通常由聚光系統(tǒng)、儲熱系統(tǒng)、熱能輸送系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)組成。其中,聚光系統(tǒng)是將收集的太陽能轉(zhuǎn)換成高溫?zé)崮?,主要由跟蹤系統(tǒng)、接收器、反射鏡及其支撐系統(tǒng)組成。根據(jù)采用的技術(shù)不同,通常,聚光系統(tǒng)可分為線聚焦槽式聚光系統(tǒng)、線性菲涅耳聚光系統(tǒng)、碟式聚光系統(tǒng)和塔式聚光系統(tǒng)。發(fā)電系統(tǒng)主要由汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)等組成。

太陽能熱發(fā)電的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下 3 個方面:1) 光電轉(zhuǎn)換效率較高。通常聚光系統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)換效率為 60%~90%,例如,20 世紀(jì) 80 年代研制的 Acurex-15 碟式聚光系統(tǒng)的光學(xué)效率可達(dá)92%,美國 Sandia 國立實(shí)驗(yàn)室研制的腔式接收器在 750 ℃溫度下工作時的熱效率達(dá)到了 92%[1],因而碟式聚光系統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)換效率高達(dá) 80% 以上。而通常發(fā)電系統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)50%[2],比如,武漢武鍋能源工程有限公司的 1350 MW 超超臨界二次再熱機(jī)組的熱耗為 6882 kJ/kWh [3],計(jì)算得到其熱電轉(zhuǎn)換效率高達(dá) 52.50%。綜上所述,未來太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率有望達(dá)到 30%~40%。2) 可通過低成本、高效率的儲熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)連續(xù)發(fā)電 [4]。在以可再生能源為主的未來電力系統(tǒng)中,儲熱系統(tǒng)是目前實(shí)現(xiàn)大規(guī)模連續(xù)發(fā)電的必不可少的技術(shù)手段。3) 使用低成本的反射鏡高效收集太陽能,投資成本較低。

雖然未來太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率有望達(dá)到 30%~40%,但目前其光電轉(zhuǎn)換效率還相對較低。其中,采用斯特林發(fā)電機(jī)組的碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率雖然接近30%,但由于該系統(tǒng)規(guī)模小且成本高已淡出人們的視線,而采用其他技術(shù)的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際光電轉(zhuǎn)換效率都低于 20%。此外,當(dāng)前太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電成本還相對較高,目前國際上太陽能熱發(fā)電的最低上網(wǎng)電價為 0.5 元 /kWh,而我國則高達(dá) 1.0 元 /kWh[5],遠(yuǎn)高于火力發(fā)電的電價,在經(jīng)濟(jì)上無競爭優(yōu)勢?;诖耍疚母鶕?jù)現(xiàn)有的太陽能熱發(fā)電技術(shù)及設(shè)備,在不考慮材料和制造技術(shù)方面進(jìn)步的情況下,提出了降低太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)投資成本并使太陽能熱發(fā)電具有競爭力的發(fā)展路線。

1 太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)投資成本的影響因素與降低途徑

在太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的主要組成部分中,熱能輸送系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)均已在火電廠中長期應(yīng)用,技術(shù)較為成熟;儲熱系統(tǒng)主要是采用絕熱材料,當(dāng)前也已擁有成熟的產(chǎn)品及生產(chǎn)技術(shù);而聚光系統(tǒng)的成本約占太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)總成本的一半以上,其中,除槽式聚光系統(tǒng)的技術(shù)較為成熟外,其他聚光技術(shù)目前尚處于快速發(fā)展階段。

影響太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)投資成本的主要因素是其硬件的成本和系統(tǒng)效率,且系統(tǒng)效率與系統(tǒng)的工作溫度相關(guān)。其中,發(fā)電系統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換效率隨其工作溫度的增加而增加,而聚光系統(tǒng)、儲熱系統(tǒng)及熱能輸送系統(tǒng)的效率則隨其工作溫度的增加而降低,但各系統(tǒng)均存在最佳工作溫度。

1.1 系統(tǒng)效率

對于線聚焦槽式聚光系統(tǒng)和線性菲涅耳聚光系統(tǒng)而言,聚光比較低、接收器接收面的面積較大、接收器中工質(zhì)的工作溫度較高時,接收器產(chǎn)生的熱損失較大,因此接收器的最佳工作溫度通常在 300~400 ℃,但這會限制發(fā)電系統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換效率,導(dǎo)致太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率較低。而碟式聚光系統(tǒng)的聚光比是 4 種聚光技術(shù)中最大的,因此其光熱轉(zhuǎn)換效率較高,而且其接收器的最佳工作溫度可達(dá) 600 ℃以上。雖然塔式聚光系統(tǒng)的聚光比介于上述最高聚光比與最低聚光比之間,但受目前傳熱介質(zhì)工作溫度的限制,采用集中發(fā)電的塔式和碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的接收器的工作溫度并無明顯區(qū)別,因此這 2種太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中發(fā)電系統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換效率并無明顯差別。此外,由于目前線聚焦槽式和線性菲涅耳聚光系統(tǒng)通常采用單軸跟蹤系統(tǒng),低余弦因子和接收器對反射光線的低攔截率,導(dǎo)致聚光系統(tǒng)的光學(xué)效率較低,在最佳工作溫度下,聚光系統(tǒng)的年平均光熱轉(zhuǎn)換效率不到 50%;而塔式聚光系統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)換效率有望達(dá)到 60%,碟式聚光系統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)換效率則可接近 90%。

提高材料性能是提高聚光系統(tǒng)光熱轉(zhuǎn)換效率的重要手段。比如提高反射鏡鏡面反射率、接收器吸收率等,可直接提高聚光系統(tǒng)的光學(xué)性能;提高反射鏡鏡面加工精度和跟蹤系統(tǒng)加工精度,可降低光學(xué)誤差,減少太陽光散射,增加接收器對反射光線的攔截率,從而提高光熱轉(zhuǎn)換效率。

1.2 系統(tǒng)規(guī)模

規(guī)模是影響系統(tǒng)中硬件成本的關(guān)鍵因素之一。本文為簡化計(jì)算,假設(shè)僅考慮擴(kuò)大硬件的規(guī)模 ( 包括生產(chǎn)規(guī)模和系統(tǒng)規(guī)模 )2 方面,而不考慮其他方面產(chǎn)生的影響。通常當(dāng)規(guī)模擴(kuò)大 10 倍時,該規(guī)模所對應(yīng)的單位投資成本下降一半以上。以給水和排水管道建設(shè)為例 [6],當(dāng)輸水管道的日輸水量達(dá) 1~5 萬 t 時,每 km 管道的單位投資成本為 6074 元,而當(dāng)輸水管道的日輸水量達(dá) 20 萬 t以上時,每 km 管道的單位投資成本則降至 2884元。對于塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)而言,規(guī)模效應(yīng)同樣非常明顯。例如,美國一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn) [7],塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)模從 13.5 MW 增至 220 MW 后,鏡場的單位投資成本最大可下降 70% 以上,其中下降的投資成本中,70% 以上是由規(guī)模擴(kuò)大貢獻(xiàn)的,這與上述假設(shè)得出的結(jié)論相近。

從實(shí)際情況來看,主要有 2 種通過擴(kuò)大規(guī)模來降低投資成本的方法。一種方法是通過增加生產(chǎn)規(guī)模來降低單個裝置的制造成本,比如隨著光伏組件制造量的增加,其制造成本在不斷降低。另一種是通過增加單個系統(tǒng)的規(guī)模,比如目前碟式聚光系統(tǒng)中單個反射鏡的最大面積可達(dá) 500 m2 [8],線聚焦槽式聚光系統(tǒng)中單個反射鏡的面積超過了 1000 m2,塔式聚光系統(tǒng)中單個反射鏡的最大面積為 248 m2。反射鏡面積的擴(kuò)大有助于降低單位面積反射鏡的制造成本,而且隨著單個反射鏡面積的增大,跟蹤系統(tǒng)的數(shù)量減少,投資成本隨之下降。但在反射鏡面積增大的同時,其所需要的支撐結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度與高度也隨之增加,投資成本相應(yīng)增加;且面積較大的反射鏡易受風(fēng)力影響,在風(fēng)力作用下跟蹤系統(tǒng)容易跟蹤失位,從而影響聚光系統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)換效率。

1)在鏡場規(guī)模方面。對于塔式聚光系統(tǒng)而言,不僅可以通過增加反射鏡鏡場規(guī)模來降低投資成本,而且可以通過減少接收塔的數(shù)量來進(jìn)一步降低投資成本。但是,離接收器較遠(yuǎn)的反射鏡的光學(xué)效率會較低,且易受風(fēng)力作用影響導(dǎo)致跟蹤系統(tǒng)跟蹤失位,使光學(xué)效率進(jìn)一步下降。因此,若塔式聚光系統(tǒng)采用環(huán)形鏡場方案,可以在同樣鏡場規(guī)模下縮短反射鏡離接收器的最大距離,但布置在鏡場南部的反射鏡的余弦因子會較低,導(dǎo)致聚光系統(tǒng)光熱轉(zhuǎn)換效率明顯下降。對于線聚焦槽式聚光系統(tǒng)而言,隨著反射鏡鏡場規(guī)模的增加,會增加熱能輸送系統(tǒng)單位傳熱量的輸送距離,與鏡場規(guī)模擴(kuò)大帶來的成本下降效應(yīng)部分抵消。目前的塔式聚光系統(tǒng)采用的是大鏡場方案,1 個接收塔配置 1 臺發(fā)電機(jī),極大地降低了熱能輸送系統(tǒng)的投資成本,但不利的一方面是隨著鏡場規(guī)模的擴(kuò)大,聚光系統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)換效率會下降,而且會導(dǎo)致反射鏡的工作狀態(tài)不穩(wěn)定,因此,鏡場規(guī)模不能無限增大,需要進(jìn)行優(yōu)化限制。

2) 發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)模增加,不僅能直接降低其單位制造成本,而且還可以提高熱電轉(zhuǎn)換效率,從而可以更進(jìn)一步地降低投資成本。例如,當(dāng)塔式聚光系統(tǒng)中接收器的工作溫度約為 535 ℃時,根據(jù)額定功率和額定進(jìn)汽量估算,南京汽輪電機(jī)( 集團(tuán) ) 有限責(zé)任公司生產(chǎn)的 50 MW 蒸汽輪機(jī) [9]的熱電轉(zhuǎn)換效率為 38.81%,而上海汽輪機(jī)廠生產(chǎn)的 600 MW 蒸汽輪機(jī) [10] 的熱電轉(zhuǎn)換效率則為48.67%,比前者的熱電轉(zhuǎn)換效率提高了 25.4%。從火力發(fā)電的歷史來看,目前已投入運(yùn)行的蒸汽輪機(jī)的最大規(guī)模已經(jīng)高達(dá) 135 萬 kW,熱電轉(zhuǎn)換效率超過 50%[3];但在太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域,已投入運(yùn)行的蒸汽輪機(jī)機(jī)組的最大規(guī)模僅約為 10 萬kW,與火力發(fā)電的相比,二者相差 10 余倍,這說明降低太陽能熱發(fā)電成本的潛力還很大。若采用 100 萬 kW 的蒸汽輪機(jī)機(jī)組,根據(jù)發(fā)電系統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換效率和硬件規(guī)模估算,目前發(fā)電系統(tǒng)的投資成本有望降至 40% 以下。若在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化聚光系統(tǒng)中的反射鏡鏡場面積,還可以進(jìn)一步降低投資成本,從而使太陽能熱發(fā)電真正具有商業(yè)化價值,使其上網(wǎng)電價低于目前的火電,成為非常有競爭力的能源技術(shù)。

2 碟式與點(diǎn)聚焦菲涅耳太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展方向

2.1 碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展方向

2.1.1 聚光系統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)換效率


采用腔式接收器的碟式聚光系統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)換效率最高,技術(shù)也較為成熟,是目前最具潛力的太陽能熱發(fā)電技術(shù)之一。使用腔式接收器可使太陽光在腔內(nèi)被多次吸收,使聚光系統(tǒng)能夠更好地吸收太陽光,被反射的太陽光僅占 1.4%[11],吸收率可達(dá)到 98.6%。

聚光系統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)換效率主要與鏡面反射率、光學(xué)誤差和接收器工作溫度等相關(guān)。其中,改進(jìn)反射鏡的質(zhì)量,提高鏡面反射率是非常重要的工作,一直是太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一,已有很多技術(shù)方案可獲得鏡面反射率超過 97% 的反射鏡 [12]。以玻璃作為基底,通過熱分解有機(jī)金屬化合物沉積形成高附著的鍍銀膜,以此制備的反射鏡對太陽光的反射率約為 97%[13]。NWOSU 等 [14] 通過熱蒸發(fā)將銀沉積在薄的微觀玻璃基板上,同時通過濺射 Cu 在 Ag 膜表面形成 Cu 膜,再加上漆膜保護(hù)后制備的反射鏡的反射率高達(dá) 96%~99%。HASS [15] 通過使用雙層反射膜使鍍銀的鏡面的反射率從 98.3% 增加到 99.3%。KENNEDY 等 [16] 開發(fā)了一種低成本的、先進(jìn)的反射鏡材料來制備聚光系統(tǒng)的反射鏡(ASRM),反射鏡以鍍銀玻璃作為基板,該基板由幾 ?m 厚的氧化鋁涂層保護(hù),涂層通過離子束輔助沉積制備。通過測試表明,該反射鏡樣品經(jīng)過3 年以上的加速戶外曝曬后仍可保持 95% 的半球反射率,制造成本低于 10.76 美元 /m2。因此,反射鏡的平均鏡面反射率有望達(dá)到 95%。

光學(xué)誤差來源于鏡面坡度誤差和跟蹤誤差等,主要會影響聚焦效果;較大的光學(xué)誤差會在鏡面形成較大的光斑,使最佳聚光比減小。而接收器的熱效率與分?jǐn)偟絾挝幻娣e鏡面的接收器熱損失相關(guān),聚光比越大,接收器的熱效率越高。聚光比約為 1000 的塔式聚光系統(tǒng)中接收器出口的工質(zhì)溫度為 620 ℃,而熱損失會使接收器的熱效率下降 3.9%[11];而對于聚光比為 2000 的碟式聚光系統(tǒng)而言,因熱損失而引起接收器熱效率下降的幅度約為 3.9% 的 1/2??紤]到目前較為成熟的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)通常使用熔鹽作為傳熱介質(zhì),熔鹽的工作溫度為 560 ℃時,接收器的熱效率損失應(yīng)不大于 3%,即碟式聚光系統(tǒng)中腔式接收器的熱效率約為 97%。

提高聚光比的關(guān)鍵工作之一是減小光學(xué)誤差。采用大量小面積球面反射鏡組合構(gòu)成大面積的碟式聚光系統(tǒng),是降低光學(xué)誤差、保持高聚光比的主要技術(shù)手段。通常加工球面反射鏡時的光學(xué)誤差較小,約為 1~2 mrad[17],而制作碟式聚光系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)拋物面鏡時的光學(xué)誤差則高達(dá) 3~4 mrad[18]。當(dāng)光學(xué)誤差為 2 mrad、最佳聚光比約為 2000 時,碟式聚光系統(tǒng)中接收器對反射光線的攔截率為 98.6%[19]。當(dāng)采用球面反射鏡代替旋轉(zhuǎn)拋物面鏡時,碟式聚光系統(tǒng)中的反射鏡與塔式聚光系統(tǒng)中的在制造方面的要求是一樣的,因此碟式聚光系統(tǒng)中反射鏡的制造成本也與普通塔式聚光系統(tǒng)的反射鏡相似。

另一項(xiàng)效率損失來自于低太陽高度角下的太陽光損失。當(dāng)太陽高度角為 12°時碟式聚光系統(tǒng)開始工作,可使聚光系統(tǒng)的光學(xué)效率下降約3%。因此,當(dāng)接收器對反射光線的攔截率為 98.6%、接收器對太陽光線的吸收率為 98.6% [19]、接收器的熱效率為 97%、鏡面半球反射率為 0.95 [16] 時,碟式聚光系統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)換效率為 0.95×0.9862×0.97×(1–0.03)=86.9%。其中,根據(jù)接收器工作溫度為620 ℃時其熱損為 3.9%[11],可估算得到接收器工作溫度為 560 ℃時其熱損為 3%,從而得到接收器的熱效率。美國在 20 世紀(jì) 80 年代研制了多種碟式聚光系統(tǒng),其最好的光學(xué)效率和接收器熱效率均達(dá)到了 92%[1],相當(dāng)于光熱轉(zhuǎn)換效率為84.64%,接近上述分析中得到的未來最佳水平。

上述分析也表明,碟式聚光系統(tǒng)在光熱轉(zhuǎn)換效率方面的改進(jìn)空間已經(jīng)很小,今后的發(fā)展方向應(yīng)該是增加聚光系統(tǒng)的硬件規(guī)模。

2.1.2 系統(tǒng)成本

未來,碟式聚光系統(tǒng)中多個反射鏡可以安裝在 1 個方位跟蹤裝置上,可以共用太陽高度和方位跟蹤設(shè)備,從而可減少跟蹤裝置的數(shù)量,降低跟蹤系統(tǒng)的成本。

目前碟式聚光系統(tǒng)中多個反射鏡共用 1 個跟蹤裝置尚無實(shí)際案例,本文僅從理論方面將該方案與塔式聚光系統(tǒng)進(jìn)行比較。從規(guī)模增長來看,當(dāng)聚光系統(tǒng)的硬件規(guī)模擴(kuò)大 10 倍,聚光系統(tǒng)成本約下降 50%;另外,若多個碟式反射鏡共用1 個跟蹤裝置,可大幅度減少跟蹤裝置的數(shù)量,比如以 2500 個碟式聚光系統(tǒng) ( 不包括太陽方位角與太陽高度角跟蹤裝置 ) 為例進(jìn)行分析,將2500 個碟式聚光系統(tǒng)平行布置 50 排、每排放置50 個,這些聚光系統(tǒng)均安裝到一個超大的旋轉(zhuǎn)平臺上,相當(dāng)于這 2500 個碟式聚光系統(tǒng)共用 1個方位跟蹤裝置;同時這一方案只需 50 個太陽高度角跟蹤裝置,使跟蹤裝置的數(shù)量從 5000 個降至51 個,數(shù)量僅為原方案的約 1/100。美國 UIUC 大 學(xué) Sunlab 實(shí)驗(yàn)室對碟式聚光系統(tǒng)的反射鏡鏡面面積為148 m2時的跟蹤系統(tǒng)成本進(jìn)行了核算 [7],其中,太陽方位角跟蹤裝置的成本占跟蹤系統(tǒng)成本的20%,太陽高度角跟蹤裝置的成本占跟蹤系統(tǒng)成本的 6.1%,通信裝置的成本占跟蹤系統(tǒng)成本的 4.4%。若按上述聚光系統(tǒng)布置方式再次進(jìn)行成本估算,太陽方位角跟蹤裝置的成本將降至其自身原成本的2.5%,而太陽高度角跟蹤裝置則降至其自身原成本的 30.8%,通信系統(tǒng)則降至其自身原成本的1%,跟蹤系統(tǒng)的成本下降可使反射鏡的成本下降 26.1%;按反射鏡成本占塔式聚光系統(tǒng) (Solar 220) 成本的 47%[7] 估算,由于跟蹤系統(tǒng)成本下降,可使塔式聚光系統(tǒng)成本下降 12.3%,比單純考慮硬件規(guī)模擴(kuò)大 10 倍還可以多下降 4.8%( 扣除單純規(guī)模擴(kuò)大帶來的 7.5% 成本下降 )。

另一個降低系統(tǒng)投資成本的因素是提高系統(tǒng)效率。發(fā)電系統(tǒng)采用超大功率蒸汽輪機(jī)可使機(jī)組規(guī)模擴(kuò)大 10 倍,同時熱電轉(zhuǎn)換效率提高25%;按照光學(xué)效率和接收器熱效率均達(dá)到 92%計(jì)算 [1],碟式聚光系統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)換效率可達(dá)到84.64%,而塔式聚光系統(tǒng)的則為 57.73%[20],前者比后者提高了 46.62%,使碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率可比塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)提高 83.3%,從而使碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的總投資成本比塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)下降 45.4%;加上前文所述的共用跟蹤系統(tǒng)帶來的成本下降4.8%,以及規(guī)模效應(yīng)使發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)模擴(kuò)大 10倍所帶來的投資成本下降一半;最終,與塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)相比,碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的總投資成本可下降 75.2%。

與塔式聚光系統(tǒng)相比,在共用跟蹤系統(tǒng)時會增加碟式聚光系統(tǒng)的接收器數(shù)量,但由于大部分碟式聚光系統(tǒng)的接收器可在較低溫度下工作,對于設(shè)備的制造要求較低,因此不一定會增加接收器總成本。在 Solar 220 塔式聚光系統(tǒng)中 [1] 導(dǎo)熱流體輸送時,熱能輸送系統(tǒng)與接收塔的成本占該塔式聚光系統(tǒng)總成本的 6%;當(dāng)共用跟蹤系統(tǒng)時,熱能輸送系統(tǒng)的總長度增加,成本也會有所增加,但高溫導(dǎo)熱流體輸送路徑長度增加有限,省略了建塔成本,其對投資成本的影響很小。

綜上所述,對于碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)而言,提高系統(tǒng)效率和擴(kuò)大規(guī)??墒蛊淇偼顿Y成本降至現(xiàn)有塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的 1/4。

2.1.3 碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的其他研究方向

用于碟式聚光系統(tǒng)的反射鏡的最佳尺寸是今后非常重要的研究方向。對于碟式聚光系統(tǒng)而言,采用傳統(tǒng)的雙軸跟蹤系統(tǒng)是一種選擇,但會在跟蹤方面增加投入,可能會使其成本不再具有優(yōu)勢。

2.2 點(diǎn)聚焦菲涅耳太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)展方向

點(diǎn)聚焦菲涅耳聚光系統(tǒng)是一種新的聚光技術(shù) [21],其將大量反射鏡安裝到方位跟蹤裝置上,1排反射鏡共用 1 個太陽高度角跟蹤裝置;同時其光學(xué)效率比傳統(tǒng)塔式聚光系統(tǒng)提高了 20% 以上,這主要是因?yàn)橛嘞乙蜃拥奶岣摺|c(diǎn)聚焦菲涅耳聚光系統(tǒng)相當(dāng)于是將碟式聚光系統(tǒng)的鏡面分散布置到水平面上,極大地降低了反射鏡高度,從而降低了支撐結(jié)構(gòu)的成本。

與碟式聚光系統(tǒng)相比,點(diǎn)聚焦菲涅耳聚光系統(tǒng)的接收器效率約下降了 3%,主要是因其聚光比較低。與普通的塔式聚光系統(tǒng)相比,在相同反射鏡尺寸下,點(diǎn)聚焦菲涅耳聚光系統(tǒng)的跟蹤系統(tǒng)數(shù)量可減少 95% 以上,相當(dāng)于降低了跟蹤系統(tǒng)的成本。以大尺寸反射鏡為例,對于點(diǎn)聚焦菲涅耳聚光系統(tǒng)而言,當(dāng)其與塔式聚光系統(tǒng)每個水平軸上安裝的反射鏡面積相同時,其跟蹤系統(tǒng)成本可下降一半,而且支撐結(jié)構(gòu)成本遠(yuǎn)低于大尺寸反射鏡方案。

按照適度擴(kuò)大規(guī)模的原則,推薦單個點(diǎn)聚焦菲涅耳聚光系統(tǒng)中反射鏡的總面積為 2000 m2,而一個商業(yè)化規(guī)模的點(diǎn)聚焦菲涅爾太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)需要 2000 個這樣的反射鏡面積,發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)功率高達(dá) 100 萬 kW,占地面積約為 20 km2;此聚光系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率有望達(dá)到 30% 左右,這主要是因?yàn)槌蠊β拾l(fā)電系統(tǒng)熱電轉(zhuǎn)換效率的提高和聚光系統(tǒng)余弦因子的提高。鏡場的規(guī)模效應(yīng)則主要依靠擴(kuò)大工廠的生產(chǎn)規(guī)模,通過大規(guī)模制造反射鏡來降低生產(chǎn)成本。

點(diǎn)碟式聚光系統(tǒng)的安裝方案相比,點(diǎn)聚焦菲涅爾聚光系統(tǒng)的安裝方式使其大幅度減少了接收器的數(shù)量,這部分成本可下降 60% 以上,相當(dāng)于系統(tǒng)成本下降了 10% 以上,抵消了接收器熱效率方面的劣勢,使點(diǎn)聚焦菲涅爾太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)總成本比碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)下降了約 7%。

3 與其他可再生能源技術(shù)的合作與競爭

未來的可再生能源發(fā)電量中必然是多種清潔電力的組合。傳統(tǒng)的水電成本很低,例如,三峽電站的水電上網(wǎng)電價僅為 0.075 元 /kWh,遠(yuǎn)低于火電。但很多水力發(fā)電站都是季節(jié)性電站,而且水力資源有限,不能成為未來可再生能源電力的主體。風(fēng)電成本同樣很低,但資源分布不均勻性更嚴(yán)重。在未來以可再生能源為主的電力系統(tǒng)中,受限于自身缺陷,這 2 種方式都不可能成為主體,但會成為必不可少的組成部分。

隨著光伏發(fā)電技術(shù)的日益成熟,及其與儲能技術(shù)結(jié)合的日益普遍,未來光伏發(fā)電可能會成為可再生能源發(fā)電的主力。但目前聚光太陽電池的散熱問題是技術(shù)難點(diǎn),高聚光比下,無可供使用的大面積聚光太陽電池。對于當(dāng)前的碟式聚光光伏技術(shù),單個光伏發(fā)電系統(tǒng)中反射鏡面積很小,主要依賴擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模來降低成本。使用線聚焦聚光光伏發(fā)電系統(tǒng),如槽式系統(tǒng)和線性菲涅耳系統(tǒng),可降低太陽電池散熱要求,是目前聚光光伏發(fā)電系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。聚光光伏光熱系統(tǒng)是目前光伏發(fā)電領(lǐng)域比較熱門的技術(shù)方案之一。該技術(shù)使用分光技術(shù),將長波輻射和短波輻射分離,使用太陽電池直接將短波輻射轉(zhuǎn)換為電能,避免了長波輻射產(chǎn)生的熱能對太陽電池的危害,同時又利用長波輻射產(chǎn)生高溫?zé)崮?,從而可以提高光電轉(zhuǎn)換效率。

采用生物質(zhì)氣化推動燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電,可以使燃?xì)廨啓C(jī)快速啟動,可在不同季節(jié)和夜間使用該方式,能較好地彌補(bǔ)光伏、風(fēng)能等不穩(wěn)定的缺點(diǎn),很可能成為未來可再生能源電力系統(tǒng)的重要組成部分,但其存在成本較高的缺點(diǎn)。

4 結(jié)論

本文從理論角度對降低太陽能熱發(fā)電投資成本使其上網(wǎng)電價具有競爭力的方式進(jìn)行了分析。結(jié)果表明,通過優(yōu)化設(shè)計(jì)提高系統(tǒng)效率和擴(kuò)大規(guī)模,可使太陽能熱發(fā)電投資成本下降,并使上網(wǎng)電價降至 0.25 元 /kWh,完全可以與現(xiàn)有燃煤電廠競爭。按照上述技術(shù)路線,逐步增加系統(tǒng)規(guī)模,預(yù)計(jì)經(jīng)過 8~10 年的努力就可以實(shí)現(xiàn)。這為我國解決能源問題和溫室氣體排放問題提供了一項(xiàng)重要的選擇。 

原標(biāo)題:對太陽能熱發(fā)電走向成功之路的思考
 
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來源:太陽能雜志
 
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