太阳能光伏与光热发电技术发展概述
2017-12-25白玉忠
◎ 胡 玉 白玉忠
太阳能光伏与光热发电技术发展概述
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近年来弃风弃光率高与风电光伏出力间歇性和低能量密度有关。从关键技术、投资建设成本、光热与光伏综合利用、光热与传统能源互补利用等方面,对太阳能利用技术的发展前景进行了展望,明确了太阳能光热发电中镜场投资占比最大,集热储能技术是关键,与光伏和火电等常规能源结合互补利用,规模化、高参数、高聚光比、连续发电、分布式发展等将是太阳能最主要、最高效的利用方向,可缓解乃至消除单独发电存在的许多问题,具有非常好的社会、经济、环保效益与发展空间。
当前,光热发电产业链正在逐步形成,但全面开展仍有障碍,部分关键设备国产化能力不足,技术研发与应用的重点是提高集热效率和蓄能能力,提升太阳能综合利用效率,实现规模化应用。
光伏与光热发电技术对比分析
光伏发电技术已经很成熟,过程简单,无转机,无燃料,无噪声﹑无污染。光伏发电最具发展理想特征,是可再生﹑可持续的新能源清洁发电技术。但目前存在的主要问题也很多:占地面积大,转换效率低,运行不可持续性,并网安全性和电能质量问题突出,受气候环境因素影响大,地域依赖性强,系统成本高且下降空间已不大,晶体硅电池的制造过程高污染﹑高能耗等。这些因素严重制约了光伏产业的发展,随着近年来弃风弃光形势的加剧,国家已叫停多省新增新能源项目。
太阳能光热发电最新进展
关键技术方面。我国在太阳能热发电关键技术和设备方面的研究进展依然缓慢。光热转换的关键在于太阳能的高效收集,主要技术包括受光面光学设计﹑选择性表面技术﹑装置机械结构设计及集热体热结构设计与分析。镜场设计主要的考虑问题有机械碰撞﹑光学损失(包括余弦损失﹑阴影和阻挡损失﹑衰减损失﹑溢出损失等)﹑性能问题等。
槽式反射镜的性能指标包括反射率﹑聚光性能﹑机械强度﹑抗风沙性能﹑抗腐蚀性能﹑抗疲劳性能和重量等。目前主要使用的太阳能收集装置有平板型﹑真空管﹑陶瓷和聚焦集热器(槽式﹑碟式和塔式)四种。光热产业链上的系统集成﹑集热管﹑聚光镜等核心技术和装备还未完全掌握,尤其是聚焦跟踪系统的国产化,严重阻碍太阳能光热市场发展。
塔式光热电站镜场面积的选择主要由设计点吸热器额定功率﹑太阳直射辐射(DNI)﹑吸热塔高决定。在吸热器额定功率和DNI相同的前提下,吸热塔高越高镜场的面积会略有减小。定日镜布置距离受吸热塔高﹑定日镜与吸热塔的相对位置关系﹑DNI﹑吸热器最大允许热流密度﹑吸热器功率等多种因素的限制。
投资建设成本方面。光热电站成本受国家补贴﹑光资源条件﹑储热容量﹑系统效率﹑设备价格﹑融资渠道等因素影响较大,而目前在国家未出台上网电价情况下,基于度电成本为衡量经济效益指标是目前较好,也是较科学的考核方法。目前我国光热电站建设成本居高不下,约30元/W,而光伏发电成本为7~8元/W,太阳能光热发电技术商业化发展的主要障碍是成本。定日镜的成本变化对光热电站造价影响很大,是建造成本占比最大的部分。储热成本与储热时间和装机容量有关。熔盐储热系统成本主要由熔盐﹑熔盐泵﹑储罐﹑换热器﹑电伴热﹑仪表阀门等设备材料费用构成。塔式电站的造价包括太阳岛﹑常规岛和储热系统成本等。常规岛﹑基础设施﹑场地等参照火电相关系统估算。与光伏发电相比,光热发电不需昂贵的硅晶光电转换工艺,可大大降低成本,也可实现连续发电。光热发电是朝阳产业,是未来电力能源发展的主要方向之一,然而制约其发展的主要瓶颈依然是发电成本过高,经济性指标不理想,而且国内仍处于试验研究及工程示范阶段,实验装置及商业示范项目太少,技术及产业链不够成熟,部分设备存在技术瓶颈,且实验数据和性能指标都在保密状态,设备性价比不好评判,技术路线的选取存在风险。随着光伏成本的一再降低,特别是高倍聚光砷化镓技术的运用,使光伏成本大幅降低,非储能光热发电很难与之抗衡,光热发电的经济性也因此受到了质疑。国外目前新建的光热电站大多匹配有储能装置,实现24小时发电,其电网友好性较光伏发电具有明显优势。
光伏﹑光热综合利用发展情况。太阳能光伏光热综合利用将流体加热后用于采暖或热水,降低电池板工作温度,提升光电效率,从而大大提升太阳能综合利用效率。目前主要关注的是集热与冷却系统的匹配问题,如何选择循环工质,以及不同工况的控制问题等。鉴于多晶硅生产造成的污染问题,以及光伏发电的不可调性,光伏电站仅适合分布式有限发展(例如当前开展比较广泛的屋顶光伏等项目),而光热发电则在技术应用成熟和相关产业链形成时便可规模化发展,而且二者可以综合利用,特别是现在比较火热的屋顶光伏产业,既利用了太阳能,又节约了占地面积,光热电站的生活及部分厂用电等可以考虑引入光伏发电设计。
(作者单位:1.神华国华(北京)电力研究院有限公司;2.宁夏国华宁东发电有限公司)