簡(jiǎn)介

太陽(yáng)能光熱發(fā)電是新能源利用的一個(gè)重要方向。

太陽(yáng)能光熱發(fā)電

太陽(yáng)能光熱發(fā)電

太陽(yáng)能光熱發(fā)電是太陽(yáng)能利用中的重要項目之一，只要將太陽(yáng)能聚集起來(lái)，加熱工質(zhì)，驅動(dòng)汽輪發(fā)電機即能發(fā)電。1950年，原蘇聯(lián)設計了世界上第一座太陽(yáng)能塔式電站，建造了一個(gè)小型試驗裝置。 70年代，太陽(yáng)電池價(jià)格昂貴，效率較低，相對而言，太陽(yáng)熱發(fā)電與光伏發(fā)電相比，效率較高，技術(shù)比較成熟，因此當時(shí)許多工業(yè)發(fā)達國家都將太陽(yáng)熱發(fā)電作為重點(diǎn)，投資興建了一批試驗性太陽(yáng)能熱發(fā)電站。據不完全統計，從1981～1991年，全世界建造的太陽(yáng)能熱發(fā)電站（500kw以上）約有20余座，發(fā)電功率最大達80MW。按太陽(yáng)能采集方式劃分，太陽(yáng)能熱發(fā)電站主要有塔式、槽式、蝶式和菲涅爾式四類(lèi)。這些電站基本上都是試驗性的。例如，日本按照陽(yáng)光計劃建造的一座1MW塔式電站，一座1MW槽式電站，完成了試驗工作后即停止運行。美國10MW太陽(yáng)1號塔式電站，進(jìn)行一段時(shí)間試驗運行后及時(shí)進(jìn)行技術(shù)總結，很快將它改建為太陽(yáng)：號電站，并于1996年1月投入運行。80年代中期，人們對建成的太陽(yáng)能熱發(fā)電站進(jìn)行技術(shù)總結后認為，雖然太陽(yáng)能熱發(fā)電在技術(shù)上可行，但投資過(guò)大（美國太陽(yáng)：號電站投資為1.42億美元），且降低造價(jià)十分困難，所以各國都改變了原來(lái)的計劃，使太陽(yáng)能熱發(fā)電站的建設逐漸冷落下來(lái)。例如，美國原計劃在1983～1995年建成5～10萬(wàn)KW和10～30萬(wàn)KW太陽(yáng)能熱電站，結果沒(méi)有實(shí)現。正當人們懷疑太陽(yáng)能熱發(fā)電的時(shí)候，美國和以色列聯(lián)合組成的路茲太陽(yáng)能熱發(fā)電國際有限公司，自1980年開(kāi)始進(jìn)行太陽(yáng)熱發(fā)電技術(shù)研究，主要開(kāi)發(fā)槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統，5年后奇跡般地進(jìn)入商品化階段。該公司從1985年至1991年在美國加州沙漠建成9座槽式太陽(yáng)能熱電站，總裝機容353.8MW。電站的投資由1號電站的5976美元/KW，降到8號電站的3011美元/KW，發(fā)電成本從26.5美分/kwh降到8.9美分/kwh。該公司滿(mǎn)懷信心，計劃到2000年，在加州建成裝機容量達800MW槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電站，發(fā)電成本降到5～6分/kwh。遺憾的是，1991年因路茲公司破產(chǎn)而使計劃中斷。路茲熱電站的成功實(shí)踐表明，不能簡(jiǎn)單地否定太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)，而應繼續進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)，不斷完善，使其早日實(shí)現商業(yè)化。為此，以色列、德國和美國幾家公司進(jìn)行合作，繼續推動(dòng)太陽(yáng)能熱發(fā)電的發(fā)展，他們計劃在美國內華達州建造兩座80MW槽式太陽(yáng)能熱電站，兩座100MW太陽(yáng)能與燃氣輪機聯(lián)合循環(huán)電站。在西班牙和摩洛哥分別建造135MW和18MW太陽(yáng)能熱發(fā)電站各一座。蝶式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統功率較小，一般為5～50kw，可以單獨分散發(fā)電，也可以組成較大的發(fā)電系統。美國、澳大利亞等國都有一些應用，但規模不大。研究表明，蝶式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統應用于空間，與光伏發(fā)電系統相比，具有氣動(dòng)阻力低、發(fā)射質(zhì)量小和運行費用便宜等優(yōu)點(diǎn)，美國從1988年開(kāi)始進(jìn)行可行性研究，在太陽(yáng)能低發(fā)電計劃中，以色列在死海沿岸先后建造了三座太陽(yáng)池發(fā)電站，第一座功率為150kw，于1979年投入運行。以色列曾計劃圍繞死海建造一系列太陽(yáng)池電站，以提供以色列全國三分之一用電需要。

美國也曾計劃將加州南部薩爾頓海的一部分變?yōu)樘?yáng)池，建造80～600萬(wàn)KW太陽(yáng)池電站。后來(lái)，以色列和美國太陽(yáng)池發(fā)電計劃均作了改變。除了以上幾種太陽(yáng)能熱發(fā)電方式外，1983年在西班牙建成一座太陽(yáng)能抽風(fēng)式熱電站；以色列、美國等計劃建造太陽(yáng)能磁流體熱發(fā)電試驗裝置；還開(kāi)展了太陽(yáng)能海水差發(fā)電研究。適用于小功率的太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)還有太陽(yáng)能熱離子發(fā)電和差發(fā)電，它們在特殊場(chǎng)合得到了一些應用。我國在太陽(yáng)能熱發(fā)電領(lǐng)域受經(jīng)費和技術(shù)條件的限制，開(kāi)展的工作比較少。在“六五”期間建立了一套功率為lkw的太陽(yáng)能塔式熱發(fā)電模擬裝置和一套功率為lkw的平板式太陽(yáng)能低熱發(fā)電模擬裝置。此外，我國還與美國合作設計并試制成功率為5kw的盤(pán)式太陽(yáng)能發(fā)電裝置樣機。

原理

太陽(yáng)能光熱發(fā)電的原理是，通過(guò)反射鏡將太陽(yáng)光匯聚到太陽(yáng)能收集裝置，利用太陽(yáng)能加熱收集裝置內的傳熱介質(zhì)（液體或氣體），再加熱水形成蒸汽帶動(dòng)或者直接帶動(dòng)發(fā)電機發(fā)電。

系統形式

一般來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能光熱發(fā)電形式有槽式、塔式、碟式（盤(pán)式）、菲涅爾式四種系統。

槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統全稱(chēng)為槽式拋物面反射鏡太陽(yáng)能熱發(fā)電系統，是將多個(gè)槽型拋物面聚光集熱器經(jīng)過(guò)串并聯(lián)的排列，加熱工質(zhì)，產(chǎn)生過(guò)熱蒸 汽，驅動(dòng)汽輪機發(fā)電機組發(fā)電。

20世紀80年代初期，以色列和美國聯(lián)合組建了LUZ太陽(yáng)能熱發(fā)電國際有限公司。從成立開(kāi)始，該公司集中力量研究開(kāi)發(fā)槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統。從1985年-1991年的6年間，在美國加州沙漠相繼建成了9座槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電站，總裝機容量353.8MW，并投入網(wǎng)營(yíng)運。經(jīng)過(guò)努力，電站的初次投資由1號電站的4490美元/KW降到8號電站的2650美元/kW，發(fā)電成本從24美分/KWh降到8美分/KWh。

建于西班牙的Acurex槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統，借助槽形拋物面聚光器將太陽(yáng)光聚焦反射到接收聚熱管上，通過(guò)管內熱載體將太陽(yáng)光聚焦反射到接收聚熱管上，通過(guò)管內熱載體將水加熱成蒸汽，推動(dòng)汽輪機發(fā)電。作為太陽(yáng)能量不足時(shí)的備用，系統配備有一個(gè)輔助燃燒爐，用天然氣或燃油來(lái)產(chǎn)生蒸汽。

要提高槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統的效率與正常運行，涉及到兩個(gè)方面的控制問(wèn)題，一個(gè)是自動(dòng)跟蹤裝置，要求使得槽式聚光器時(shí)刻對準太陽(yáng)，以保證從源頭上最大限度的吸收太陽(yáng)能，據統計跟蹤比非跟蹤所獲得的能量要高出37.7%。另外一個(gè)是要控制傳熱液體回路的溫度與壓力，滿(mǎn)足汽輪機的要求實(shí)現系統的正常發(fā)電。針對這兩個(gè)控制問(wèn)題，國內外學(xué)者都展開(kāi)了研究，取得了一定的研究進(jìn)展。

德州華園新能源應用技術(shù)研究所與中科院電工所、清華大學(xué)等科研單位聯(lián)手研制開(kāi)發(fā)的槽式太陽(yáng)能中高溫熱利用系統，設備結構簡(jiǎn)單、而且安裝方便，整體使用壽命可達20年，可以很好的應用于槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統。由于太陽(yáng)能反射鏡是固定在地上的，所以不僅能更有效地抵御風(fēng)雨的侵蝕破壞，而且還大大降低了反射鏡支架的造價(jià)。更為重要的是，該設備技術(shù)突破了以往一套控制裝置只能控制一面反射鏡的限制。采用菲涅爾凸透鏡技術(shù)可以對數百面反射鏡進(jìn)行同時(shí)跟蹤，將數百或數千平方米的陽(yáng)光聚焦到光能轉換部件上（聚光度約50倍，可以產(chǎn)生三、四百度的高溫），改變了以往整個(gè)工程造價(jià)大部分為跟蹤控制系統成本的局面，使其在整個(gè)工程造價(jià)中只占很小的一部分。同時(shí)對集熱核心部件鏡面反射材料，以及太陽(yáng)能中高溫直通管采取國產(chǎn)化市場(chǎng)化生產(chǎn)，降低了成本，并且在運輸安裝費用上降低大量費用。這兩項突破徹底克服了長(cháng)期制約槽式太陽(yáng)能在中高溫領(lǐng)域內大規模應用的技術(shù)障礙，為實(shí)現太陽(yáng)能中高溫設備制造標準化和產(chǎn)業(yè)化規?；\作開(kāi)辟了廣闊的道路。

1973年，世界性石油危機的爆發(fā)刺激了人們對太陽(yáng)能技術(shù)的研究與開(kāi)發(fā)。相對于太陽(yáng)能電池的價(jià)格昂貴、效率較低，太陽(yáng)能熱發(fā)電的效率較高、技術(shù)比較成熟。許多工業(yè)發(fā)達國家，都將太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)作為國家研究開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)。從1981-1991年10年間，全世界建造了裝機容量500kW以上的各種不同形式的兆瓦級太陽(yáng)能熱發(fā)電試驗電站余座，其中主要形式是塔式電站，最大發(fā)電功率為80MW。由于單位容量投資過(guò)大，且降低造價(jià)十分困難，因此太陽(yáng)能熱發(fā)電站的建設逐漸冷落下來(lái)。

但對塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電的研究開(kāi)發(fā)并未完全中止。1980年美國在加州建成太陽(yáng)I號塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站，裝機容量10MW。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間試驗運行后，在此基礎上又建造了太陽(yáng)II號塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站，并于1996年1月投入試驗運行。

盤(pán)式（又稱(chēng)碟式）太陽(yáng)能熱發(fā)電系統是世界上最早出現的太陽(yáng)能動(dòng)力系統。近段時(shí)間以來(lái)，盤(pán)式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統主要開(kāi)發(fā)單位功率質(zhì)量比更小的空間電源。盤(pán)式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統應用于空間，例如，1983年美國加州噴氣推進(jìn)試驗室完成的盤(pán)式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電系統，其聚光器直徑為11m，最大發(fā)電功率為24.6 kW，轉換效率為29%。1992年德國一家工程公司開(kāi)發(fā)的一種盤(pán)式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電系統的發(fā)電功率為9kW，到1995年3月底，累計運行了17000h，峰值凈效率20%，月凈效率16%，該公司計劃用100臺這樣的發(fā)電系統組建一座MW的盤(pán)式太陽(yáng)能熱發(fā)電示范電站。

盤(pán)式（又稱(chēng)碟式）太陽(yáng)能熱發(fā)電系統（拋物面反射鏡斯特林系統）是由許多鏡子組成的拋物面反射鏡組成，接收在拋物面的焦點(diǎn)上，接收器內的傳熱工質(zhì)被加熱到750℃左右，驅動(dòng)發(fā)動(dòng)機進(jìn)行發(fā)電。

美國熱發(fā)電計劃與Cummins公司合作，1991年開(kāi)始開(kāi)發(fā)商用的7千瓦碟式/斯特林發(fā)電系統，5年投入經(jīng)費1800萬(wàn)美元。1996年Cummins向電力部門(mén)和工業(yè)用戶(hù)交付7臺碟式發(fā)電系統，計劃1997年生產(chǎn)25臺以上。Cummins預計10年后年生產(chǎn)超過(guò)1000臺。該種系統適用于邊遠地區獨立電站。

美國熱發(fā)電計劃還同時(shí)開(kāi)發(fā)25千瓦的碟式發(fā)電系統。25千瓦是經(jīng)濟規模，因此成本更加低廉，而且適用于更大規模的離網(wǎng)和并網(wǎng)應用。1996年在電力部門(mén)進(jìn)行實(shí)驗，1997年開(kāi)始運行。

工作原理類(lèi)似槽式光熱發(fā)電，只是采用菲涅爾結構的聚光鏡來(lái)替代拋面鏡。這使得它的成本相對來(lái)說(shuō)低廉，但效率也相應降低。

此類(lèi)系統由于聚光倍數只有數十倍，因此加熱的水蒸氣質(zhì)量不高，使整個(gè)系統的年發(fā)電效率僅能達到10%左右；但由于系統結構簡(jiǎn)單、直接使用導熱介質(zhì)產(chǎn)生蒸汽等特點(diǎn)，其建設和維護成本也相對較低。

商業(yè)前景

以上三種系統性能比較。有實(shí)現商業(yè)化的可能和前景。三種系統均可單獨使用太陽(yáng)能運行，安裝成燃料混合（如與天然氣、生物質(zhì)氣等）互補系統是其突出的優(yōu)點(diǎn)。

就幾種形式的太陽(yáng)熱發(fā)電系統相比較而言，槽式熱發(fā)電系統是最成熟，也是達到商業(yè)化發(fā)展的技術(shù)，應該指出，槽式、塔式和盤(pán)式太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)同樣受到世界各國的重視，并正在積極開(kāi)展工作。

2009年底全球投運的光熱電站裝機容量為668.15MW，截至2010年，全球已投入運行的光熱裝機容量達988.65MW，其中，槽式占94.57%，塔式次之，占4.37%。從目前已投運光熱電站國家分布來(lái)看，美國占了48.95%，其次是西班牙，占47.49%。

預計到2015年，全球將光熱發(fā)電累計裝機24.5GW，五年復合增速90%;到2020年光熱發(fā)電在全球能源供應份額中將占1-1.2%，到2030年占3-3.6%，到2050年占8.5-11.80%，即到2050年光熱發(fā)電裝機容量將達到830GW，每年新增41GW。

從國內光熱發(fā)電來(lái)看：近年來(lái)，光熱發(fā)電在中國太陽(yáng)能發(fā)電政策規劃中的地位開(kāi)始顯著(zhù)提升。伴隨光熱發(fā)電在中國能源結構中的戰略地位的提升，光熱發(fā)電行業(yè)有望獲得更多政策傾斜，隨之而來(lái)的是光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程加快。預計到2015年，我國的太陽(yáng)能熱發(fā)電裝機容量將達3GW左右，市場(chǎng)總量達450億元人民幣。

市場(chǎng)現狀

全球光熱資源豐富。全球光熱發(fā)電市場(chǎng)主要分布在南歐、北非、中東、南非、南亞、中國、澳洲、北美與南美。截止2014年4月底，全球已投入運行的光熱電站約4000MW,其中約93%集中于西班牙與美國；在建約1600MW，主要分布在美國、西班牙、印度、南非、伊朗、摩洛哥、澳大利亞、中國等國家。IEA預測到2060年光熱直接發(fā)電及采用光熱化工合成燃料發(fā)電共占全球電力結構約30%。

美國能源部將光熱發(fā)電技術(shù)定為基礎負荷電站。預計到2020年，加州光熱發(fā)電占可再生能源的40%。此外，美國能源部SunShot對光熱發(fā)電的研發(fā)目標是到2020年實(shí)現75%的成本削減，在不依賴(lài)政策補貼的前提下將光熱發(fā)電的LCOE（平準化電力成本）推至6美分/KWh甚至更低的水平。這個(gè)價(jià)格將使太陽(yáng)能光熱發(fā)電擁有與傳統火電相競爭的能力。美國頒布了2個(gè)激勵政策，一個(gè)是30%的投資稅收抵免，另外一個(gè)是貸款擔保政策。即便如此，美國的激勵政策也促進(jìn)了光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。同時(shí)，美國能源部對光熱發(fā)電的資金支持每年都高達5000萬(wàn)美元左右，這也促進(jìn)了其光熱技術(shù)的發(fā)展。

歐洲光熱發(fā)電Desertec計劃規模宏大。2009年10月，德國主要的大企業(yè)宣布成立聯(lián)合企業(yè)，投資4000億歐元在非洲北部建立太陽(yáng)能發(fā)電站，該項目被命名為Desertec，即沙漠技術(shù)。它的目標就是利用撒哈拉沙漠架設9000平方公里的太陽(yáng)能電板，來(lái)滿(mǎn)足全世界的電力要求。根據該計劃，這項工程到2050年的時(shí)候，所產(chǎn)生的電能產(chǎn)量頂峰值將達到100GW，相當于100座火力發(fā)電廠(chǎng)的發(fā)電量，屆時(shí)將滿(mǎn)足歐洲地區15%的用電需求。2013年，中國國家電網(wǎng)宣布加入這一計劃，推進(jìn)全球配置可再生能源。

全球光熱市場(chǎng)近年重拾高增速。光熱發(fā)電經(jīng)過(guò)了上世紀70年代的研發(fā)興起，80年代的第一批建站建立之后，長(cháng)期處于停滯階段。直到2007年，市場(chǎng)開(kāi)始逐漸復蘇。2010~2013年，全球光熱發(fā)電的裝機量快速增長(cháng)。2009年底全球裝機量?jì)H為700MW，2013年底全球總的并網(wǎng)光熱發(fā)電的裝機容量達3320MW。2014年，新增裝機92.5萬(wàn)千瓦，累計裝機規模435萬(wàn)千瓦。

中國光熱發(fā)電總體進(jìn)展較慢，地方政府在風(fēng)電、光伏之后，也開(kāi)始瞄準光熱發(fā)電，希望占得先機。太陽(yáng)能資源豐富的西部地區，已經(jīng)開(kāi)始在核準項目上提速，2012年國內核準的光熱電站818兆瓦，到2014年已經(jīng)達到1448兆瓦。

首個(gè)項目

我國第一家工業(yè)化運行的太陽(yáng)能光熱發(fā)電項目在柴達木盆地建成，項目已具備發(fā)電能力，不久將實(shí)現并網(wǎng)發(fā)電。

這個(gè)總投資9.96億元的50兆瓦光熱項目位于青海省海西蒙古族藏族自治州德令哈市西出口，由青海中控太陽(yáng)能發(fā)電有限公司建設。據公司副總經(jīng)理陳武忠介紹。

陳武忠介紹說(shuō)，項目的核心技術(shù)是“追日”，用關(guān)鍵技術(shù)控制安裝在地面的上萬(wàn)塊玻璃鏡子像向日葵一樣追著(zhù)太陽(yáng)光將其反射到吸熱塔上的吸熱器中，將吸熱器內的水轉化成高溫蒸汽，再通過(guò)管道傳輸推動(dòng)汽輪發(fā)電機發(fā)電。

利用現狀

從太陽(yáng)資源的利用方式上來(lái)說(shuō)，本質(zhì)上，地球上的風(fēng)能、水能、海洋溫差能、波浪能和生物質(zhì)能以及部分潮汐能都是來(lái)源于太陽(yáng)；即使是地球上的化石燃料（如煤、石油、天然氣等）從根本上說(shuō)也是遠古以來(lái)貯存下來(lái)的太陽(yáng)能，所以太陽(yáng)能的利用范圍非常大。而對太陽(yáng)輻射能的即時(shí)利用是當前技術(shù)研究的重點(diǎn)，是作為一種能取代常規能源的新能源。太陽(yáng)能利用經(jīng)過(guò)長(cháng)久的發(fā)展，特別是1973年第一次石油危機以來(lái)，人們意識到不可再生能源的有限性，對新能源的研究投入大大增加，太陽(yáng)能作為永久的、清潔的能源具有光明的前景，得到了很大的發(fā)展。目前對太陽(yáng)輻射的利用主要流行的有熱利用光和電利用兩種。