光伏与光热发电发展前景对比分析

高 博，卢卫青，罗亚桥，李远松，郑国强

(1.国网安徽省电力公司电力科学研究院，安徽合肥230601；2.安徽水利水电职业技术学院，安徽合肥230601)

光伏与光热发电发展前景对比分析

高 博1，卢卫青2，罗亚桥1，李远松1，郑国强1

(1.国网安徽省电力公司电力科学研究院，安徽合肥230601；2.安徽水利水电职业技术学院，安徽合肥230601)

太阳能发电分为光伏发电和光热发电，两种发电方式有着诸多的不同之处。从发电方式、应用领域、储能方式、发电可调度性以及经济性等方面对两种发电方式展开对比研究，找出两者的优缺点，分析两种发电方式的发展前景。

光伏发电;光热发电;储能;可调度性;经济性

随着煤炭、石油等化石能源的逐渐枯竭，传统火力发电也逐渐面临着燃料短缺的问题，因此迫切需要新的可再生能源来代替传统的发电方式。而太阳能作为当今世界可再生能源领域中最清洁、最直接、最有大规模开发利用前景的发电方式之一，是实现向用户提供“绿色电力”，实现我国“节能减排”目标的重要举措[1]。我国太阳能资源储量丰富，理论年储量为1.7×1012标准煤，大多地区年平均日辐射量在4(kW·h)/m2以上，西北地区日辐射量可达7(kW·h)/m2，日照时间超过2 000 h/年，因此太阳能的开发在我国具有得天独厚的自然条件[2-3]。

根据发电方式的不同，太阳能发电可分为光伏和光热发电两种，本文分别从发电方式、应用领域、储能方式、发电可调度性以及经济性等方面对两者进行对比分析，以期找出各自的优缺点，分析两种发电方式的发展前景。

1 光伏发电

光伏发电的原理是当太阳光照射到太阳电池上时，电池吸收光能，产生光生伏打效应，在电池的两端出现异号电荷积累，若引出电极并接上负载，便有功率输出[4]。

光伏发电相比于传统发电方式，具有无污染、无噪声的特点，其发电过程不需要消耗化石燃料也不需要进行机械操作，不会对大气产生污染，是一种可持续的能源利用方式。该种发电方式有以下几个主要优点：(1)不受地理位置的影响，有光照就可以利用光伏发电，而且太阳能理论上讲是取之不尽、用之不竭的；(2)光伏发电电能可以就近消纳，不需长距离输电，这样就节约了输电成本；(3)光伏发电不消耗燃料，不污染空气、不产生噪声，不受能源危机的限制，是绿色可再生能源；(4)光伏发电方式过程简单，不需要中间介质，对水的需求少，可以在荒漠上使用，另外若和建筑物结合，则可以节省土地资源；(5)光伏发电组件结构简单，方便运输及建设安装，组件使用寿命较长，维护成本较低。

但光伏发电方式本身也有不少缺点：(1)光伏发电受太阳光的影响，发电功率波动较大，当出现阴天或者晚上时，则没有发电功率输出；(2)光伏发电现阶段光伏发电存储成本较高，若要光伏发电大规模应用到电网中，必须要能大规模存储，这样就限制了光伏发电的电网接入规模；(3)光伏发电是直接把光能转换成电能，虽然减少了中间环节，但是却因为缺少中间环节而减少了光伏发电的应用领域，如不能像传统燃煤发电可以提供热能等。

2 光热发电

太阳能光热发电首先是利用聚光太阳能集热器把太阳辐射能聚集起来，然后利用能量将某种工质加热到数百摄氏度，并以此工质来驱动发电机发电的一项太阳能利用技术[5]。光热发电按所加热介质的温度高低分为高温发电和低温发电。

2.1 高温太阳能光热发电

高温发电是通过聚焦太阳光产生高温，加热工质进而推动汽轮机发电的一种发电方式。根据集热形式的不同，光热发电可分为槽式、塔式、碟式、分立式等。高温光热发电系统包括聚光集热装置、热机、发电等3个部分，各种技术的差别主要在于聚光、集热方式不同[6]。

2.1.1 塔式光热发电系统

塔式系统是利用多台平面反射镜，将太阳辐射反射集中到1个高塔顶部的接收器上，将转换成热能后传给工质，经过蓄热装置，再输入热动力机，带动发电机发电[5]。塔式技术采用聚焦方式，聚光比较高，温度可达1 000℃以上，但目前投资成本约为4万元/kW，占地面积约为1 000亩/10 MW。塔式光热发电系统如图1所示。

图1 塔式光热发电

2.1.2 槽式光热发电系统

槽式发电系统的聚光镜为槽型抛物面，细长型的管状集热器被固定在聚光镜的焦点线上，工质在集热管内被加热，为线聚焦，多个槽式聚光集热器用串并联方式组合起来，然后在换热器内产生高温高压蒸汽，从而推动汽轮机发电。槽式光热发电系统如图2所示。目前，国际上已投运或在建的光热发电站中，槽式光热发电系统较多。

图2 槽式光热发电

2.1.3 碟式光热发电系统

碟式光热发电是利用旋转抛物面聚光镜将太阳光聚集在集热器上，集热器内的工质被加热从而驱动斯特林机或布雷顿机做功发电的一种发电方式，其示意图如图3所示。这种模式的光热发电系统自身效率很高，可达30%，是以上几种发电方式里效率最高的。碟式装置聚光镜面和焦点相对位置固定，和塔式技术相比，聚光镜的直径和焦距均较小，光斑和像散不大，聚光效率较高。碟式技术为点聚焦，集热器单位面积上接受到的能量很高，集热器内的工质被加热到750～2 000℃。难以像槽式技术一样采用串并联方式、用软管将单个聚光集热器加热的工质集中输送到热机处做功发电，必须给每个碟式单机配置透平或斯特林装置。另外，因为碟式系统的聚光点处温度可达2 000℃，但工质不能在这么高的温度下工作，因此接收点不设置在聚光点上，太阳能的利用还不充分。

图3 碟式光热发电

2.1.4 分立式光热发电系统

分立式光热发电系统的聚光镜为高次曲面镜，其跟踪方式采用自旋+仰角技术，有效减小聚光镜的像散，聚光效率高。各聚光镜采用同步双轴跟踪，和塔式技术的独立跟踪相比，驱动系统简化。集热器吸收槽式发电技术串并联布置的特点，可配置单机功率较高的汽轮机，提高了汽轮机的效率和经济性。但高次曲面镜加工难度高，价格昂贵[6]。

2.2 低温太阳能光热发电

低温太阳能光热发电过程是利用有机工质低沸点蒸发的热物理性质，经蒸发器与低温热源换热，蒸发为饱和或者过热蒸汽推动膨胀机做功，将低品位热能转化为机械能，并拖动发电机发电[7]。传统火电厂和高温太阳能光热发电都是采用以水蒸气为介质的朗肯循环，而低温太阳能发电是以低沸点有机物为工质的朗肯循环[8]。两者的最大区别在于所采用的工质不同。

3 光伏和光热发电的对比分析

从以上介绍情况可知，光伏发电和光热发电的基本原理完全不同，这样就造成两种发电方式有很多的不同，对于电网来讲，也会有很大的影响，两者的不同可以从以下几个方面展开分析。

3.1 应用的地域不同

光伏发电和光热发电对太阳能辐照的要求不同，光热发电对太阳辐照的要求更高，尤其是高温光热发电，一般采用DNI(直接辐照强度)来衡量某地区是否适宜建设光热电站，而光伏发电一般则采用GHI(地表总辐射值)来衡量即可，同样一个地方，DNI的总量一般为GHI总量的65%～85%。这是因为光伏发电对光照的要求低，即便是散射光也可用来发电，而光热发电由于对工作温度要求较高，只有直射光照才可以满足运行要求。所以这也就决定了两者的应用地域有所不同，在太阳能辐照不高的地方，可以建设光伏电站，未必就适合建设光热电站。

3.2 应用的领域不同

从能量转化的过程看，光伏发电仅需要经过光电一次转换即可，而光热发电则需要经过光导热再到电的二次转换。这虽增加了系统集成的难度，但热量发生作为光热电站运行的一个中间环节，也扩大了光热发电技术的应用领域。比如可以利用其产生的过热蒸汽与传统的燃煤电厂、燃气电厂或生物质能电厂进行混合发电。另外，其产生的热也可作为副产品进行海水淡化、工业用热等领域。

3.3 能量存储方式不同

在能量的存储方面，光热发电优势明显，光伏发电一般只能采用蓄电池存储的方式，光热发电有热量的转换过程，可以采用热量的存储方式。热量的存储要比电能的存储方便得多，热量的存储技术也比电能的存储技术成熟且廉价得多。

3.4 应用的前景不同

由于光伏电池自身的特性，光伏发电具有较大的不稳定性，目前储能技术不能保证大规模地存储电能，无法平滑地输送给电网，这就造成电网不可能无限制地接纳光伏发电。而光热发电，由于热量存储的方便性，就像常规火力发电机组一样，在电网需求的前提下，可以无限制地接纳。从这一层面上考虑，光热发电比光伏发电有更广阔的应用前景。

3.5 发电的可调度性不同

3.5.1 对电网负荷波动的响应不同

由于光伏发电受光照的影响较大，夜晚以及阴天时发电受限，另外，现阶段光伏电站普遍还未配有大规模存储设备，这就造成光伏发电的不稳定性，无法正常满足电网不断波动的负荷，这会对电网的运行造成很大的挑战。图4为某地区日负荷曲线图，每15 min一个负荷点，对应图中的横轴是从0点至24点的负荷值，图中负荷最高点出现在下午18：00，而对应的此时正是太阳落山时，日照较少，发电量肯定较小，若仅靠光伏发电来提供负荷，肯定无法满足要求。

图4 某地区日负荷曲线图

光热发电则可以利用热量的存储技术，能平滑地输出其功率，可以像火电一样并入电网，满足电网负荷不断波动的需求，不会对电网的运行产生不利的影响。

3.5.2 旋转备用问题

在电网方面，当光伏大规模接入，占有全网发电负荷一定比例后，为了保障电网的安全稳定运行，电网方面必须考虑全网的旋转备用问题，以防止光伏发电功率的波动对电网造成影响。备用的必须成一定的比例，30%备用或50%备用等，这就造成很大的浪费情况，现阶段电网备用一般为火电机组，光伏发电虽然为清洁能源，但旋转备用机组却需要同时燃烧大量相当的煤来维持旋转备用以保证光伏发电大规模接入后电网的安全稳定运行。这样一方面会对电网安全稳定运行造成影响，另一方面也并没有达到节能减排的目的，还造成了巨大的浪费。

3.5.3 削峰填谷的作用

光伏发电由于其储存难度较大，并不能实现削峰填谷的作用。而光热发电不同，热量发生作为光热电站运行的一个中间环节，可以方便地实现存储以及重复利用，使其可以像抽水蓄能电站一样充当电网的调度电力来源。利用峰谷电价的差异，在谷电价时加热储能，在峰电价时放热发电，从而达到削峰填谷的作用，有利于电网的稳定运行，并且也节能环保。

3.6 经济性对比

从光热发电的几种发电方式的成本对比来看，成本电价最便宜的是槽式发电，技术也最成熟，槽式光热发电的保本电价在1.6～1.7元/kWh，而光伏发电的保本电价在1.28元/kWh。光热发电成本比光伏发电要高很多。但是，以上电价的计算过程中并未考虑光伏储能的成本，太阳能光热发电可以利用500℃以上熔融盐作为蓄热介质，储存的能量在1×106kW·h以上，比利用蓄电池的光伏发电的能量存储成本低一个数量级。从电网的需求看，若要大规模接入新能源发电，必须要求有相应的储存，以满足电网调度。所以光伏发电的经济成本还需考虑这方面的费用，综合计算，其电价成本还要提高一个等级。

而且，光热发电技术现在还在工业应用的初级阶段，还没有进入大规模应用阶段，在光热发电技术日趋成熟，工业应用越来越规模化的情况下，光热发电成本还有很大的下降空间。所以，从长远看，光热发电的经济成本有光伏发电方式不可比拟的优势。

4 结论

本文对光伏与光热发电的基本原理进行了介绍，并对两者的应用地域、应用领域、发电可调度性、经济性进行了对比分析，从分析可以看出：光热发电在应用领域、能量存储，发电可调度性等方面都有自身独特的优势，但由于光热发电对太阳能辐射要求较高，其应用地域易受限制；经济性方面，目前光热发电成本依然较高，当然，目前光热发电技术还处在初步应用阶段，在其技术上还有很大的发展空间，经济性上还有很大的降低空间。

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[6]陈愚，易经纬，刘清辉.聚光热发电技术的分析和简评[J].能源与环境,2011(3):20-22.

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[8]李波.浅谈太阳能低温有机朗肯循环[J].能源与节能,2012(3):19-20.

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，高级工程师，主要研究方向为继电保护、新能源及智能电网技术。