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光热发电

光热发电

分类: 太阳能光伏
属性: 技术
最后修改时间: 2015年03月12日
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太阳能光热发电是指利用大规模阵列抛物或碟形镜面收集太阳热能,通过换热装置提供蒸汽,结合传统汽轮发电机的工艺,从而达到发电的目的。采用太阳能光热发电技术,避免了昂贵的硅晶光电转换工艺,可以大大降低太阳能发电的成本。而且,这种形式的太阳能利用还有一个其他形式的太阳能转换所无法比拟的优势,即太阳能所烧热的水可以储存在巨大的容器中,在太阳落山后几个小时仍然能够带动汽轮发电。

   1、简介

  太阳能光热发电是新能源利用的一个重要方向。

  太阳能光热发电是太阳能利用中的重要项目之一,只要将太阳能聚集起来,加热工质,驱动汽轮发电机即能发电。1950年,原苏联设计了世界上第一座太阳能塔式电站,建造了一个小型试验装置。

  70年代,太阳电池价格昂贵,效率较低,相对而言,太阳热发电与光伏发电相比,效率较高,技术比较成熟,因此当时许多工业发达国家都将太阳热发电作为重点,投资兴建了一批试验性太阳能热发电站。据不完全统计,从1981~1991年,全世界建造的太阳能热发电站(500kw以上)约有20余座,发电功率最大达80MW。按太阳能采集方式划分,太阳能热发电站主要有塔式、槽式、蝶式和菲涅尔式四类。这些电站基本上都是试验性的。例如,日本按照阳光计划建造的一座1MW塔式电站,一座1MW槽式电站,完成了试验工作后即停止运行。 美国10MW太阳1号塔式电站,进行一段时间试验运行后及时进行技术总结,很快将它改建为太阳:号电站,并于1996年1月投入运行。80年代中期,人们对建成的太阳能热发电站进行技术总结后认为,虽然太阳能热发电在技术上可行,但投资过大(美国太阳:号电站投资为1.42亿美元),且降低造价十分困难,所以各国都改变了原来的计划,使太阳能热发电站的建设逐渐冷落下来。例如,美国原计划在1983~1995年建成5~10万KW和10~30万KW太阳能热电站,结果没有实现。

  正当人们怀疑太阳能热发电的时候,美国和以色列联合组成的路兹太阳能热发电国际有限公司,自1980年开始进行太阳热发电技术研究,主要开发槽式太阳能热发电系统,5年后奇迹般地进入商品化阶段。该公司从1985年至1991年在美国加州沙漠建成9座槽式太阳能热电站,总装机容353.8MW。电站的投资由1号电站的5976美元/KW,降到8号电站的3011美元/KW,发电成本从26.5美分/kwh降到8.9美分/kwh。该公司满怀信心,计划到2000年,在加州建成装机容量达800MW槽式太阳能热发电站,发电成本降到5~6分/kwh。遗憾的是,1991年因路兹公司破产而使计划中断。

  路兹热电站的成功实践表明,不能简单地否定太阳能热发电技术,而应继续进行研究开发,不断完善,使其早日实现商业化。为此,以色列、德国和美国几家公司进行合作,继续推动太阳能热发电的发展,他们计划在美国内华达州建造两座80MW槽式太阳能热电站,两座100MW太阳能与燃气轮机联合循环电站。在西班牙和摩洛哥分别建造135MW和18MW太阳能热发电站各一座。蝶式太阳能热发电系统功率较小,一般为5~50kw,可以单独分散发电,也可以组成较大的发电系统。美国、澳大利亚等国都有一些应用,但规模不大。研究表明,蝶式太阳能热发电系统应用于空间,与光伏发电系统相比,具有气动阻力低、发射质量小和运行费用便宜等优点,美国从1988年开始进行可行性研究,

  在太阳能低发电计划中,以色列在死海沿岸先后建造了三座太阳池发电站,第一座功率为150kw,于1979年投入运行。以色列曾计划围绕死海建造一系列太阳池电站,以提供以色列全国三分之一用电需要。

  美国也曾计划将加州南部萨尔顿海的一部分变为太阳池,建造80~600万KW太阳池电站。后来,以色列和美国太阳池发电计划均作了改变。 除了以上几种太阳能热发电方式外,1983年在西班牙建成一座太阳能抽风式热电站;以色列、美国等计划建造太阳能磁流体热发电试验装置;还开展了太阳能海水差发电研究。适用于小功率的太阳能热发电技术还有太阳能热离子发电和差发电,它们在特殊场合得到了一些应用。我国在太阳能热发电领域受经费和技术条件的限制,开展的工作比较少。在“六五”期间建立了一套功率为lkw的太阳能塔式热发电模拟装置和一套功率为lkw的平板式太阳能低热发电模拟装置。此外,我国还与美国合作设计并试制成功率为5kw的盘式太阳能发电装置样机。

  2、原理

  太阳能光热发电的原理是,通过反射镜将太阳光汇聚到太阳能收集装置,利用太阳能加热收集装置内的传热介质(液体或气体),再加热水形成蒸汽带动或者直接带动发电机发电。

  3、系统形式

  一般来说,太阳能光热发电形式有槽式、塔式、碟式(盘式)、菲涅尔式四种系统 。

  槽式

  槽式太阳能热发电系统全称为槽式抛物面反射镜太阳能热发电系统,是将多个槽型抛物面聚光集热器经过串并联的排列,加热工质,产生过热蒸 汽,驱动汽轮机发电机组发电。

  20世纪80年代初期,以色列和美国联合组建了LUZ太阳能热发电国际有限公司。从成立开始,该公司集中力量研究开发槽式太阳能热发电系统。从1985年-1991年的6年间,在美国加州沙漠相继建成了9座槽式太阳能热发电站,总装机容量353.8MW,并投入网营运。经过努力,电站的初次投资由1号电站的4490美元/KW降到8号电站的2650美元/kW,发电成本从24美分/KWh降到8美分/KWh。

  建于西班牙的Acurex槽式太阳能热发电系统,借助槽形抛物面聚光器将太阳光聚焦反射到接收聚热管上,通过管内热载体将太阳光聚焦反射到接收聚热管上,通过管内热载体将水加热成蒸汽,推动汽轮机发电。作为太阳能量不足时的备用,系统配备有一个辅助燃烧炉,用天然气或燃油来产生蒸汽。

  要提高槽式太阳能热发电系统的效率与正常运行,涉及到两个方面的控制问题,一个是自动跟踪装置,要求使得槽式聚光器时刻对准太阳,以保证从源头上最大限度的吸收太阳能,据统计跟踪比非跟踪所获得的能量要高出37.7%。另外一个是要控制传热液体回路的温度与压力,满足汽轮机的要求实现系统的正常发电。针对这两个控制问题,国内外学者都展开了研究,取得了一定的研究进展。

  德州华园新能源应用技术研究所与中科院电工所、清华大学等科研单位联手研制开发的槽式太阳能中高温热利用系统,设备结构简单、而且安装方便,整体使用寿命可达20年,可以很好的应用于槽式太阳能热发电系统。由于太阳能反射镜是固定在地上的,所以不仅能更有效地抵御风雨的侵蚀破坏,而且还大大降低了反射镜支架的造价。更为重要的是,该设备技术突破了以往一套控制装置只能控制一面反射镜的限制。采用菲涅尔凸透镜技术可以对数百面反射镜进行同时跟踪,将数百或数千平方米的阳光聚焦到光能转换部件上(聚光度约50倍,可以产生三、四百度的高温),改变了以往整个工程造价大部分为跟踪控制系统成本的局面,使其在整个工程造价中只占很小的一部分。同时对集热核心部件镜面反射材料,以及太阳能中高温直通管采取国产化市场化生产,降低了成本,并且在运输安装费用上降低大量费用。 这两项突破彻底克服了长期制约槽式太阳能在中高温领域内大规模应用的技术障碍,为实现太阳能中高温设备制造标准化和产业化规模化运作开辟了广阔的道路。

  塔式

  1973年,世界性石油危机的爆发刺激了人们对太阳能技术的研究与开发。相对于太阳能电池的价格昂贵、效率较低,太阳能热发电的效率较高、技术比较成熟。许多工业发达国家,都将太阳能热发电技术作为国家研究开发的重点。从1981-1991年10年间,全世界建造了装机容量500kW以上的各种不同形式的兆瓦级太阳能热发电试验电站余座,其中主要形式是塔式电站,最大发电功率为80MW。由于单位容量投资过大,且降低造价十分困难,因此太阳能热发电站的建设逐渐冷落下来。

  但对塔式太阳能热发电的研究开发并未完全中止。1980年美国在加州建成太阳I号塔式太阳能热发电站,装机容量10MW。经过一段时间试验运行后,在此基础上又建造了太阳II号塔式太阳能热发电站,并于1996年1月投入试验运行。

  盘式

  盘式(又称碟式)太阳能热发电系统是世界上最早出现的太阳能动力系统。近段时间以来,盘式太阳能热发电系统主要开发单位功率质量比更小的空间电源。盘式太阳能热发电系统应用于空间,例如,1983年美国加州喷气推进试验室完成的盘式斯特林太阳能热发电系统,其聚光器直径为11m,最大发电功率为24.6 kW,转换效率为29%。1992年德国一家工程公司开发的一种盘式斯特林太阳能热发电系统的发电功率为9kW,到1995年3月底,累计运行了17000h,峰值净效率20%,月净效率16%,该公司计划用100台这样的发电系统组建一座MW的盘式太阳能热发电示范电站。

  盘式(又称碟式)太阳能热发电系统(抛物面反射镜斯特林系统)是由许多镜子组成的抛物面反射镜组成,接收在抛物面的焦点上,接收器内的传热工质被加热到750℃左右,驱动发动机进行发电。

  美国热发电计划与Cummins公司合作,1991年开始开发商用的7千瓦碟式/斯特林发电系统,5年投入经费1800万美元。1996年Cummins向电力部门和工业用户交付7台碟式发电系统,计划1997年生产25台以上。Cummins预计10年后年生产超过1000台。该种系统适用于边远地区独立电站。

  美国热发电计划还同时开发25千瓦的碟式发电系统。25千瓦是经济规模,因此成本更加低廉,而且适用于更大规模的离网和并网应用。1996年在电力部门进行实验,1997年开始运行。

  菲涅尔式

  工作原理类似槽式光热发电,只是采用菲涅耳结构的聚光镜来替代抛面镜。这使得它的成本相对来说低廉,但效率也相应降低。

  此类系统由于聚光倍数只有数十倍,因此加热的水蒸气质量不高,使整个系统的年发电效率仅能达到10%左右;但由于系统结构简单、直接使用导热介质产生蒸汽等特点,其建设和维护成本也相对较低。

  4、商业前景

  以上三种系统性能比较。有实现商业化的可能和前景。三种系统均可单独使用太阳能运行,安装成燃料混合(如与天然气、生物质气等)互补系统是其突出的优点。

  就几种形式的太阳热发电系统相比较而言,槽式热发电系统是最成熟,也是达到商业化发展的技术,应该指出,槽式、塔式和盘式太阳能光热发电技术同样受到世界各国的重视,并正在积极开展工作。

  2009年底全球投运的光热电站装机容量为668.15MW,截至2010年,全球已投入运行的光热装机容量达988.65MW,其中,槽式占94.57%,塔式次之,占4.37%。从目前已投运光热电站国家分布来看,美国占了48.95%,其次是西班牙,占47.49%。

  预计到2015年,全球将光热发电累计装机24.5GW,五年复合增速90%;到2020年光热发电在全球能源供应份额中将占1-1.2%,到2030年占3-3.6%,到2050年占8.5-11.80%,即到2050年光热发电装机容量将达到830GW,每年新增41GW。

  从国内光热发电来看:近年来,光热发电在中国太阳能发电政策规划中的地位开始显著提升。伴随光热发电在中国能源结构中的战略地位的提升,光热发电行业有望获得更多政策倾斜,随之而来的是光热发电产业化进程加快。预计到2015年,我国的太阳能热发电装机容量将达3GW左右,市场总量达450亿元人民币。

  5、市场现状

  全球光热资源丰富。全球光热发电市场主要分布在南欧、北非、中东、南非、南亚、中国、澳洲、北美与南美。截止2014年4月底,全球已投入运行的光热电站约4000MW,其中约93%集中于西班牙与美国;在建约1600MW,主要分布在美国、西班牙、印度、南非、伊朗、摩洛哥、澳大利亚、中国等国家。IEA预测到2060年光热直接发电及采用光热化工合成燃料发电共占全球电力结构约30%。[1]

  美国能源部将光热发电技术定为基础负荷电站。预计到2020年,加州光热发电占可再生能源的40%。此外,美国能源部SunShot对光热发电的研发目标是到2020年实现75%的成本削减,在不依赖政策补贴的前提下将光热发电的LCOE(平准化电力成本)推至6美分/KWh甚至更低的水平。这个价格将使太阳能光热发电拥有与传统火电相竞争的能力。美国颁布了2个激励政策,一个是30%的投资税收抵免,另外一个是贷款担保政策。即便如此,美国的激励政策也促进了光热发电产业的迅速发展。同时,美国能源部对光热发电的资金支持每年都高达5000万美元左右,这也促进了其光热技术的发展。

  欧洲光热发电Desertec计划规模宏大。2009年10月,德国主要的大企业宣布成立联合企业,投资4000亿欧元在非洲北部建立太阳能发电站,该项目被命名为Desertec,即沙漠技术。它的目标就是利用撒哈拉沙漠架设9000平方公里的太阳能电板,来满足全世界的电力要求。根据该计划,这项工程到2050年的时候,所产生的电能产量顶峰值将达到100GW,相当于100座火力发电厂发电量,届时将满足欧洲地区15%的用电需求。2013年,中国国家电网宣布加入这一计划,推进全球配置可再生能源。

  全球光热市场近年重拾高增速。光热发电经过了上世纪70年代的研发兴起,80年代的第一批建站建立之后,长期处于停滞阶段。直到2007年,市场开始逐渐复苏。2010~2013年,全球光热发电的装机量快速增长。2009年底全球装机量仅为700MW,2013年底全球总的并网光热发电的装机容量达3320MW。截止2014年4月底,全球装机量已接近4000MW。

  6、首个项目

  我国第一家工业化运行的太阳能光热发电项目在柴达木盆地建成,项目已具备发电能力,不久将实现并网发电。

  这个总投资9.96亿元的50兆瓦光热项目位于青海省海西蒙古族藏族自治州德令哈市西出口,由青海中控太阳能发电有限公司建设。据公司副总经理陈武忠介绍。

  陈武忠介绍说,项目的核心技术是“追日”,用关键技术控制安装在地面的上万块玻璃镜子像向日葵一样追着太阳光将其反射到吸热塔上的吸热器中,将吸热器内的水转化成高温蒸汽,再通过管道传输推动汽轮发电机发电。

  7、发展历程

  在技术进步和各国政府补贴政策的驱动下,光伏发电行业自20世纪90年代后半期进入了快速发展时期,光伏电池产量由1977年的126兆瓦增加到2008年的6850兆瓦,年均增长39.51%。08年底,世界光伏发电装机达到15GW,其中08年实现装机5.6GW,较07年增长近133%。据欧洲光伏工业协会预测,2020年世界光伏发电将占总电量的1.3%,到2025年光伏发电将占全球的发电量的2.5%,按此推算未来数十年,全球光伏发电产业的增长率将高达25%--30%。据美国iSuppli预测,受金融危机影响,09年光伏电池系统的全球装机容量将比上年减少32%,2011年增速将恢复到57.8%,2012年及2013年的增长率也将维持这一水平。

  太阳能主要以光—热、光—电、光—化学、光—生物质等几种转换方式来利用,其中太阳能光—电转换主要采用太阳能电池来实现。按基体材料分,太阳能电池主要分为两类:一类是硅太阳能电池,包括单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电池、微晶硅电池等;一类是化合物太阳能电池,主要包括单晶硅化合物电池、多晶硅化合物电池,硅太阳能电池一直是主流产品,其中多晶硅太阳能电池自1998年开始成为世界光伏发电市场的主角。

  8、太阳能利用现状

  从太阳资源的利用方式上来说,本质上,地球上的风能水能、海洋温差能、波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳;即使是地球上的化石燃料(如煤、石油、天然气等)从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能,所以太阳能的利用范围非常大。而对太阳辐射能的即时利用是当前技术研究的重点,是作为一种能取代常规能源的新能源。 太阳能利用经过长久的发展,特别是1973年第一次石油危机以来,人们意识到不可再生能源的有限性,对新能源的研究投入大大增加,太阳能作为永久的、清洁的能源具有光明的前景,得到了很大的发展。目前对太阳辐射的利用主要流行的有热利用光和电利用两种。

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