太阳能热发电技术的发展现状

太阳能热发电技术的发展现状许继刚 王正 摘要 全世界太阳能热发电技术主要有三种形式：槽式系统、塔式系统和碟式系统，本文分别阐述了它们各自的特点，并介绍了当前各类系统的工程应用情况。 关键词 太阳能热发电；发展；现状前言太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程中所产生的能量。据测算,太阳每秒照于地球上的能量相当于500 万t 煤。可以说,太阳能就是人类“用之不竭”的可再生能源。根据有关预测，21世纪的全球能源结构将发生重大变化，太阳能和其它可再生能源将替代石油和煤炭，逐渐成为世界能源的主角。到2050年，太阳能、风能和生物质能在各种一次能源构成中所占的比例将高达50，远高于石油（0或甚微）、天然气（13）、煤（20）、核能（10），水电（5）和其它（2）。太阳能热发电技术是具有较强竞争力的可再生能源发电技术。太阳能集热器把收集到的太阳辐射能发送至接收器产生热空气或热蒸汽，用传统的电力循环来产生电能，发电运行成本低，并可以与化石燃料形成混合发电系统。太阳能热发电无噪音,无污染,无需燃料,不受地域限制,规模大小灵活,故障率低,建站周期短，这些优势都是用其它能源发电所无法比拟的，对中国等太阳能资源丰富的国家来说是一个很大的机遇。太阳能热发电技术综合性很强，涉及太阳能利用、储能、新型材料技术、高效汽轮机技术和自动控制系统等问题，不少发达国家已投人大量人力和物力。经过近40年的研究，太阳能热力发电装置的单机容量已从千瓦级发展到了兆瓦级，目前世界上已有几十座MW级的太阳能热电站投入运行。许多科学家纷纷预测，至2l世纪初中期，太阳能热发电的电价极有可能降到与化石能源电价相同的水平。国外发展的太阳能热发电系统(STPGS，solar thermal power generation system)，也称聚光太阳能系统(CSP, concentrating solar power system) 主要有三种应用形式：槽式系统、塔式系统和碟式系统。下面分别对其基本原理、技术特点和工程应用发展情况进行论述，并简单介绍国内的太阳能研究情况。1 槽式太阳能热发电系统1.1 系统特点槽式太阳能热发电系统是一种借助槽形抛物面反射镜将太阳光聚焦反射到聚热管上，通过管内热载体将水加热成蒸汽，推动汽轮机发电的清洁能源利用装置。槽形抛物面太阳能发电站的功率为10100 MW，是目前所有太阳能热发电站中功率最大的。图1-1 槽式太阳能热发电系统原理图1槽式太阳能热发电系统的聚焦集热器采用分散布置，跟踪精度要求低、跟踪控制代价小，与碟式相比简化了吸收器的结构，用抛物柱面槽式反射镜将阳光聚焦到管状的接收器上，因而属于线聚焦方式，聚光比只有几十，属中温发电。槽式太阳能集热技术与其他太阳能集热技术相比，有以下特点： 抛物面场每lm2 阳光通径面积仅需要18kg钢和l1kg玻璃，耗材最少；结构紧凑，比塔式和碟式太阳能热辐射收集装置占地面积要小大约3050；运行效益高，目前还没有其它太阳能热发电系统比加利福尼亚的槽式太阳能热发电站有更高的年收益； 目前，3080MW 太阳能热发电装置按集热面积计算的投资价格为200250欧元m2。发电成本l0l6美分kWh。但是随着材料科学和太阳辐射集热装置制造工艺的发展，以及太阳能热发电系统的改进，发电成本还可以进一步降低；槽形抛物面太阳能集热装置和环带太阳能集热装置的制造只需要不多的构件形式容易实现标准化，适合批量生产以降低成本2。目前槽式太阳能热发电系统的技术相对最成熟，整体投资最少，经济效益最好，因而在三种聚光式发电中首先实现了商业化并在世界各地得到广泛应用，这类电站分布于阿尔及利亚、澳大利亚、埃及、印度、伊朗、意大利、摩洛哥、墨西哥、西班牙、美国等太阳能资源丰富的国家。据世界银行报告，如果槽式电站功率规模在30-200MW、采用如图1-1的朗肯循环，投资的近期目标是3500-2440欧元kW；如果规模在130MW、采用整体太阳能联合循环(ISCC)，则近期的投资目标是1080欧元kW。发电成本的近期目标是：朗肯循环7-10欧分kWh；中期：并网ISCC，6欧分kWh；远期：5欧分kWh。由此可见，槽式太阳能发电技术已经取得了突飞猛进的成果并具有广阔的应用前景3。1.2 工程应用发展1.2.1 典型的槽式太阳能发电系统在槽式太阳能热发电系统中，最为典型的是美国从1985年至今，在美国加州Mojave沙漠建成的9座SEGS(solar electric generation system)太阳能电站，这九座槽式太阳能热发电站，总装机容量达353.8MW。经过努力，电站的初次投资由4490美元kW 降到2650美元kW ，发电成本从24美分kWh降到l2美分kWh。第一个发电系统的平均效率为l0，现已提高到l4 。表1-1 美国加州SEGS槽式太阳能电站性能分析3电站编号投运年份198519861987198719881989198919901991净功率/MW13.83030303030308080太阳场集热面积，1000m283190230230251188194464484太阳场全负荷温度/307321349349349391391391391汽轮机效率/%31.529.430.630.630.637.637.637.637.6燃气轮机效率/%37.337.337.337.339.539.537.637.6蒸汽压力/MPa3.532.724.354.351010101010蒸汽温度/415360327327327371371371371太阳场热效率/%354343434343435350太阳能发电净效率/%9.310.710.210.210.212.412.31413.6年净电力生产量/GWh30.180.591.391.399.290.992.6252.8256.1年天然气消耗/Mm34.89.59.69.610.58.18.124.825.2工程费用/美元kW-14490320036003730413038703870289034401.22 其它工程应用情况由于太阳辐射强度时刻在变化，太阳能热发电系统在早晚或云遮间隙必须依靠循环系统维持系统正常运行，为了保证发电相对稳定，自2002年起在工程上开发了整体太阳能联合循环（ISCC）和储能装置，也有采用与加州SEGS电站相同的以矿物燃料为辅助的朗肯蒸汽循环技术。表1-2 拟造的槽式电站一览国家联合循环总量（MW）太阳能发电容量(MW)电站系统阿尔及利亚14035ISCC埃及15030ISCC希腊50朗肯循环印度14030ISCC伊朗46717ISCC以色列100朗肯循环意大利40朗肯循环墨西哥29130ISCC摩洛哥22030ISCC西班牙250朗肯循环2006 年初夏，欧洲第一座商业用途的采用抛物线凹槽式接收器的太阳能电厂Andasol 1在西班牙安达卢西亚地区的格兰纳达省的Guadix高地上举行盛大的建设开工仪式。根据设计，Andasol 1太阳能电厂输出电量将达到50MW，另一座相同规模的太阳能电厂Andasol 2随后将投入建设，与加州SEGS电站相比，其特点为增加了蓄能装置，同时改进了槽式接收器提高集热效率。西班牙由于政府的大力支持，承诺太阳能上网电价为16美分/kwh，因此，发展速度较快。美国内华达州目前正在兴建65MW的槽式太阳能电站，占地m2。在加州Mojave沙漠建造553MW的槽式太阳能热发电系统，并已签署了电力购买协议。在亚利桑那州建造280MW槽式太阳能热发电站，计划在2011年投产。槽式太阳能热发电的另一典范是希腊的克里达电站。克里达电站位于希腊风景如画的克里达岛，为了保护这里的自然环境不被现代化工业所破坏，希腊政府在岛上建了50MW的克里达槽式太阳能热发电站设计寿命25年，在阴天或晚上采用燃烧矿物燃料方式供热。2 塔式太阳能热发电系统2.1 系统特点塔式太阳能热发电系统也称集中型太阳能热发电系统。塔式太阳能热发电系统的基本形式是利用独立跟踪太阳的反射镜群，将阳光聚集到固定在塔顶部的接收器上，用以产生高温，加热工质产生过热蒸汽或高温气体，驱动汽轮机发电机组或燃气轮机发电机组发电，从而将太阳能转换为电能。由集中布置的反射镜阵列、中部高塔上的接收器以及跟踪装置这几个主要部分组成。接收器中的介质被反射镜阵列所会聚的阳光加热，产生高温高压的蒸汽驱动汽轮机发电。由于聚光倍数高达1000以上，介质温度多高于350，总效率在15以上，属于高温热发电。其参数可与火电厂的相同，因而技术条件成熟，设备选购方便。但是，每块镜面都随太阳运动而独立调节方位及朝向，所需要的跟踪定位机构代价高昂，限制了它在发展中国家的推广应用。目前塔式发电的利用规模可达1020MW，处于示范工程建设阶段4。图2-1 塔式太阳能热发电系统1塔式太阳能集热技术的特点：1）聚光倍数高，容易达到较高的工作温度。阵列中的反射镜数目越多，其聚光比越大，接收器的集热温度也就愈高；2）能量集中过程是靠反射光线一次完成的，方法简捷有效；3）接收器散热面积相对较小，因而可得到较高的光热转换效率2。塔式太阳能热发电的参数可与高温、高压火电站一致，这样不仅使太阳能电站有较高的热效率，而且也容易获得配套设备。这种电站的建设费用十分昂贵，美国的Solar One电站初次投资为1.42亿美元，成本比例为: 反射镜52%，发电机组、电气设备18%,蓄热装置10%，接收器5%，塔3%，管道及换热器8%，其它设备4%。随着制镜技术的提高和规模的增大，反射镜成本将大幅度降低。以美国Sunlab为代表的研究部门以及Sargent&Lundy评估机构对塔式太阳能热发电的成本作出了预测。Sunlab基于8.7GW规模预计到2020年塔式太阳能热发电的成本最终可达到约3040美元/MWh ,即每度电34美分; Sargent&Lundy基于2.6GW规模预计到2020年塔式太阳能热发电的成本最终可达到5060美元/MWh，即每度电56美分。与常规化石能源发电相比，如果算上环境污染的成本，那么塔式太阳能热发电的前景将更加广阔。美国能源部主持的研究结果表明；在大规模发电方面，塔式太阳能热发电将是所有太阳能发电技术中成本最低的一种方式2。2.2 工程应用发展塔式热发电技术正处于商业化示范期，世界上已长期运行的主要塔式示范项目如表2-1。表2-1 塔式太阳能热发电示范项目2示范项目名称功率（MW）热载体储存介质年代SSPS（西班牙）0.5液态钠钠1981EURELIOS（意大利）1蒸汽硝酸盐/水1981SUNSHINE（日本）1蒸汽硝酸盐/水1981SOLAR ONE （美国）10蒸汽油/岩石1982CESA-1（西班牙）1蒸汽硝酸盐1983MSEE/CatB（美国）1硝酸盐硝酸盐1983THEMIS（法国）2.5盐盐1984SPP-S（乌克兰）5蒸汽水/蒸汽1986TSA（西班牙）1蒸汽陶瓷1996SOLAR TWO （美国）10硝酸盐硝酸盐1996世界上投入商业运行的大型塔式电站是西班牙的PSl0项目：该项目发电功率为l1MWe，其中净功率为10MW，饱和蒸汽，75000m2反射镜，蓄热3h；另外，西班牙还在建设solarTres项目：15MWe，熔盐接收器，蓄热16h，可24h连续运行5。3 碟式太阳能热发电系统3.1 系统特点碟式太阳能热发电系统是世界上最早出现的太阳能动力系统。碟式电站也是点聚焦方式，但聚焦集热器分散布置，与塔式相比，跟踪控制代价低。采用抛物面聚焦，吸收器位于各抛物面的焦点处，可产生750左右的高温，效率达29.4，在三种聚光式发电中是最高的。但其高温吸收器较为复杂，成本高，管道及其保温材料的费用也很可观。利用规模为550kW，仍处于试验模型研制过程中4。碟式系统的能量转换方式主要有两种。一是采用斯特林引擎的斯特林（Stirling）循环，一是采用燃气轮机的布雷顿（Brayton）循环。其示意系统如图3-1、3-2。图3-1 典型碟式/斯特林循环太阳能热发电系统示意图图3-2 典型碟式布雷顿循环太阳能热发电系统示意图1碟式热发电系统的优点是：(1)光热转换效率高达85%左右，在三类系统中位居首位;(2)使用灵活，既可以作分布式系统单独供电，也可以并网发电。碟式热发电系统的缺点是: (1)造价昂贵，在三种系统中也是位居首位.目前碟式热发电系统的初投资成本高达21.3万美元/kW;(2)尽管碟式系统的聚光比非常高，可以达到2000的高温，但是对于目前的热发电技术而言，如此高的温度并不需要甚至是具有破坏性的。所以，碟式系统的接收器一般并不放在焦点上，而是根据性能指标要求适当地放在较低的温度区内，这样高聚光度的优点实际上并不能得到充分的发挥;(3)热储存困难，热熔盐储热技术危险性大而且造价高。3.2 工程应用发展表3-1 早期太阳能碟式热发电站一览 名称/安装地点发电功率（kW）采光口面积（m2）反射镜类型工作介质工作年代Vanguard（美国）2591平面玻璃镜氢1984-1985McDonnel(美国)2591平面玻璃镜氢1984-1988SBP（沙特）52.5227镀银玻璃与钢板结合，张膜结构氢1984-1988SBP（西班牙，德国）944.2镀银玻璃与钢板结合，张膜结构氦1991-现在Aisin/Miyako(日本)8.544镀铝塑料薄膜，张膜结构氦1992-现在STM-PCS（美国）25氦1993-现在2002年，美国能源部在内华达实施1MW的碟式系统；2004年，美国SES公司(Stirling Energy Systems)在Sandia国家实验室建造出5套25kW碟式斯特林（Stirling）系统；2005年8月，SES公司实施由40套25kW系统组成的1MW碟式项目。目前，单套91OkW碟式斯特林总成本为1000014000欧元kWe；年产100套时，可降低为7100欧元kW；发电成本的近期目标低于15欧分kWh，中远期则更低5。2005年8月10日，美国SES公司与SCE公司(Southern California Edison)签订了一份为期20年的购买电力合同，由SES公司在美国洛杉矶东北莫哈韦沙漠地区采用碟式斯特林发电系统建造一座500MW并逐步扩大到850MW的太阳能热发电站，产生电力全部并入SCE公司电网供南加州地区使用。该电站预计将由20000个碟式斯特林发电系统组成，2010年前投入商业运行，将成为世界上最大的太阳能热电站6。4 我国太阳能热发电的研究现状从20世纪70年代中期开始，中国一些高等院校和研究所等单位和机构，也对太阳能热发电技术做了不少应用性基础实验研究，在天津建造了一套功率为1kW的塔式太阳能热发电模拟实验装置，在上海建造了一套功率为1kW的平板式低沸点工质太阳能热发电模拟实验装置。在北京，中科院电工研究所建立了一套1kW碟式太阳能热发电系统，近期又在北京建设一套1MW的塔式太阳能热系统。另外，河海大学、南京春辉科技实业有限公司通过与以色列合作研究获取了一定的接收器设计、试验及运行等相关技术经验，在南京江宁建设的中国首座75kW塔式太阳能热发电系统，2006年通过专家验收鉴定7。根据美国cenicom公司新型碟式太阳能发电系统，2007年在天津成立彩熙太阳能环保公司，计划在2009年投产146kw示范模块装置，成功后将在西藏拉萨建设6MW的太阳能热系统电站。该系统特点，一是集热温度高达1000，太阳能转换效率高；二是有蓄热装置，不需矿物燃料的支持，即可按需要供电；三是占地面积少，工程造价低；四是上网电价较低。他的130MW示范模块如能成功试运，将是很有发展前途的一种太阳能热发电系统。但总体而言，我国在太阳能热发电方面的研究还是比较落后的，尽管近年来国家对太阳能热发电技术的研究给予了相当的重视，并且也取得了一定的成果，但与国际先进水平的差距还很大，中国研究太阳能热发电技术还有很长的路要走。5 结束语我国有着丰富的太阳能资源，年日照时数在2200小时以上的地区占国土面积2/3 以上。遍布全国的700 多个气象台站长期观察积累的数据显示，我国各地的太阳辐射年平均总量约为5.86103MJ / m2 。我国光照资源丰富的荒漠面积约108 万km2。与同纬度的其它国家相比，与美国相近，比欧洲、日本优越得多。我国太阳能资源的理论储量达每年17000亿吨标准煤，约