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太阳能热发电技术进展

供稿人:杨莺歌  供稿时间:2013-4-8   关键字:太阳能热发电  技术进展    
太阳能热发电,也叫聚焦型太阳能热发电(Concentrating Solar Power,简称CSP),通过大量反射镜以聚焦的方式将太阳能直射光聚集起来,加热工质,产生高温高压的蒸汽,蒸汽驱动汽轮机发电。
 
上世纪70年代石油危机的爆发, 引发了美国能源部在上世纪80 年代中期组织太阳能热发电技术的研究, 并由美国桑地亚国家实验室和美国国家可再生能源实验室联合组成SUNTN实验室负责商业化太阳能热发电示范电站的设计。从1981年至1991年的10年间, 在美国加州的Mojave沙漠相继建成了9座槽式太阳能热发电站, 总装机容量353.8MW。此后太阳能热发电站在美国西南部各州以及西班牙、以色列、瑞士等国家相继得到应用。
 
太阳能热发电技术分类
目前世界上现有的太阳能热发电系统按集热器类型可分为三大类:槽式系统、塔式系统和碟式系统。
 
槽式太阳能热发电系统是世界上唯一经过20年商业化运行的成熟技术,塔式和碟式系统尚处于商业化实验阶段。根据国际权威机构2009年的统计,目前太阳能热发电市场仍以槽式为主,占整个太阳能热发电市场的88 %,占在建项目的97.5%。塔式太阳能热发电技术将是太阳能热发电技术的下一步发展方向,特别是在大规模发电热发电系统中最具发展潜力,其效率和年发电量将会有很大增长。
 
表1 三种太阳能热发电系统比较
发电方式
塔式系统
槽式系统
碟式系统
规模/MW
运行温度/℃
聚光方式
跟踪方式
太阳聚光倍数
光热转换效率/%
年净效率/%
10-20
500-1000
平凹面反射镜
两轴跟踪
600-1000
60
7-20
30-320
260-400
抛物面反射镜
单轴跟踪
8-80
70
11-16
5-25
500-1500
旋转对称的抛物面反射镜
两轴跟踪
200-3000
85
12-25
发展状态
高温过程热,联网发电运行,处于实验示范阶段
中温过程热,联网发电运行,达到商业化阶段
高温过程热,分散独立运行,处于实验示范阶段
优点
效率高,可以通过开发定日镜及其跟踪方式和蓄热来降低成本
跟踪装置简单,投资成本低,具有商业化运行的经验
转化效率高,可独立运行也可集成使用,具有高效、模块化和组成混合发电系统的能力
缺点
聚光场与吸热场优化配合问题还需要研究,造价高,产业化困难
热载体工作温度低,热损耗较大,真空管的寿命尚未得到大规模验证,反光镜更换成本高
造价昂贵,没有商业化的与碟式聚光器配合的斯特林发动机
技术开发风险
 
 
太阳能热发电技术发展
1.       槽式系统
 
1984 年美国南佛罗里达州建立的第一个太阳能发电系统(SEGS),采用单轴抛物槽式反射器,转轴按南北方向放置(夏季聚焦的偏差较大),聚光比在19∶1 到26∶1 之间。吸收器表面采用铬金选择性涂层和金属陶瓷涂层,而后者比前者具有更好的性能,工作温度可达391 ℃,用天然气对蒸汽进行过热。这种太阳能-化石燃料的组合式系统较以往的发电技术具有更好的经济性,并能满足峰值负荷的需求。但由于没有环境津贴的实质性补助,该系统由于成本高而缺乏市场竞争力。若在偏远地区建设大型项目,可以使发电成本降到0.055$/kWh。
紧凑式线性菲涅尔反射器(CLFR)系统1993 年产生于澳大利亚,1999 年后采用了先进腔体接收器的设计。对CLFR 系统来说,提高生产规模或者将产生的蒸汽用于向具有较高热效率的主锅炉供热,都可以降低成本。
 
2.       塔式系统
 
塔式太阳能发电技术一直为大型单塔中央接收器的模式所统治。较成功的一个例子就是建于1982 年的美国SOLAR ONE 系统。该系统具有11.7 MW 的发电能力,工作温度为510 ℃,采用水- 蒸汽的换热方式,储热介质为油,介质的最高温度为302 ℃,峰值转换效率8.7%,年均转换效率5.8%。其后续系统是20 世纪90年代发展起来的SOLAR TWO,该系统证实了熔盐作为储热介质所具有的良好性质。
 
近年来,西班牙建成了两个更为先进的商业化中央接收器塔式系统,分别是10 MW 的PS10 项目和15 MW 的SolarTres 项目。这两个项目的成功运作得益于政府颁布的关于太阳能利用的一些法规,它们保证太阳能发电的成本为0.19$/kWh。Solar Tres 系统是SOLAR TWO 系统的衍生物,由于加入了具有16 h 供电能力的储热系统而大大增加了占地面积。峰值供电能力为SOLAR TWO 系统的1.5 倍左右,熔盐在系统中既是传热介质也是储热介质。采用传统的朗肯循环汽轮机,供汽温度接近熔盐的最高温度565 ℃。
澳大利亚的多塔太阳能阵列(MTSA)是塔式发电技术在城市中运用的例子,已开始了商业电站的建设。该系统采用独特的聚光技术,使反射镜实现超密集布置,镜面面积占整个占地面积的90%以上。
 
3.       碟式系统
 
澳大利亚国立大学SG3 碟式系统是一种有发展潜力的阵列技术。整个反射场中的蒸汽被集中起来,然后流过大型蒸汽轮机。反射器呈六角形,直径25 m,由54 块三角形镜面组成。镜面材质为薄玻璃,其支撑结构由泡沫和轻金属组成。焦距为13.1 m。镜面背部的支架用来改变反射镜的高度,底部支架用来改变方位角。该系统的研制重点强调减轻质量,加强结构。
波音SES 盘式系统这一系统由美国研制,至今已运行10000多小时,日平均效率为24%,峰值效率29.4%,峰值电力24.9 kW,太阳能利用率为96%。其特点是使用可工作于720 ℃的一种斯特灵引擎,并可用天然气驱动。
 
欧洲也有此类项目,其中比较先进的是西班牙的DISTALI系统,其额定功率9 kW,已运行20000h 以上,太阳能利用率达90%。有效辐射聚光比高于3500,峰值转换效率高于20%。欧盟的一个项目正在研制热管接收器和一体燃气机的组合式系统。
 
太阳能热发电市场预测
2009年, 国际能源署(IEA )下属的绿色和平组织、欧洲太阳能热能发电协会(ESTELA)和Solar PACES 联合发布预测报告, 到2030年太阳能热发电技术将可满足全球电力需求的7% , 到2050 年将可满足全球电力需求的25 %。报告指出, 到2008 年底全球太阳能热发电系统新增装机容量436MW , 在建项目主要位于西班牙, 到2011年将至少增加1000 MW 。到2017 年, 美国的在建项目预计将增加到7000MW ,而西班牙则增加到10000MW。
 
绿色和平国际组织和欧洲可再生能源委员会认为,太阳能热发电在将世界新能源中起重要作用。一些国家2010年投资太阳能热发电144 亿美元,到2050 将增加到约1285 亿美元。2020 年太阳能热发电将可为超过20 万人创造工作岗位,到2050 年约为118.7 万人创造工作岗位,并且到2020 年可减排CO21.48 亿吨,到2050 年可减排CO221亿吨。2015-2050年太阳能热发电的年安装量、发电成本、投资额及从业人员数量预测见下表。
 
表2 太阳能热发电三种情况预测
 
 
2015年
2020年
2030年
2050年
参比预测
年安装量(MW)
成本(欧元/kW)
投资(10亿欧元/年)
从业人数/年
566
3400
1924
9611
681
3000
2043
13739
552
2800
1546
17736
100
2400
0.383
19296
适中预测
年安装量(MW)
成本(欧元/kW)
投资(10亿欧元/年)
从业人数/年
5463
3230
17545
83358
12602
2850
35917
200279
19895
2660
52921
428292
40557
2280
92470
1187611
高点预测
年安装量(MW)
成本(欧元/kW)
投资(10亿欧元/年)
从业人数/年
6814
3080
20852
89523
14697
2700
39683
209998
35462
2520
89356
629546
80827
2160
174585
2106123
 
 
从世界范围来看, 目前太阳能热发电的装机容量为679MW , 建设中的项目超过2000 MW。据2009年Today & Altran公司发布的市场报告,到2020年, 聚光类太阳能热发电的装机容量将达到24 GW。这主要将集中在两个关键的市场: 西班牙和美国。全球太阳能热发电工业报告指出, 在安装能力方面, 美国是全球最大市场, 占市场份额的63% , 其次是西班牙, 占32 % , 这两大市场在今后10 年内仍将继续起重要作用"目前西班牙在建项目的装机容量占世界首位, 接近89 % "而其他具有市场潜力的国家预计在中东和北非, 如以色列、阿联酋、约旦、摩洛哥、阿尔及利亚和埃及,中国也面临发展商机。
 

图1 1985-2014年按国家分布的全球太阳能热发电投产项目示意图
 
我国太阳能热发电技术最新进展
2006年前,我国在太阳能热发电技术方面还是空白,中国科学院电工研究所在国内最早研发太阳能热发电技术,延庆太阳能热发电实验基地则是亚洲首个兆瓦级塔式太阳能热发电站的所在地。
 
2012年末,正当光伏发电连遭贸易争端,跌入低谷之时,同是利用太阳能发电的“热发电”项目通过科技部现场验收,并正式运行。项目经历了从材料到系统集成的太阳能热发电完整技术链,从而拉动了我国塔式太阳能热发电技术体系和产业体系的建设。
 
实验还在继续,作为国家“十一五”863计划一项重点项目,这一技术期待着进一步完善和下一步的全国推广。
 
参考文献
1. 廖文俊; 苏青; 陈宇,太阳能热发电技术进展及产业链分析,装备机械 2011(3)63-68.
2. 孙德胜; 陈雁,太阳能热发电技术最新进展与前景研究,电源技术 2010(8)856-858.
3. 周颖霏; 钱伯章,聚光类太阳能热发电技术进展及工程市场动态,太阳能,
2010(9)30-34.
4.       太阳能热发电:前景看好路途不易
5. BAYATI M R, SHARIAT M H, JANGHORBAN K. Design of chemical composition and optimum working conditions for trivalent black chromium electroplating bath used for solar thermal collectors [J]. Renewable Energy, 2005, 30(14): 2163-2178.
6. VALENZUELA L, ZARZA E, BERENGUEL M, et al. Control concepts for direct steam generation in parabolic troughs[J]. Solar Energy, 2005, 78(2): 301-311.
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