太陽(yáng)能光熱發(fā)電特點(diǎn)及應(yīng)用前景國(guó)網(wǎng)能源研究院新能源研究所世界光熱發(fā)電亞洲高峰論壇2012年6月20日一太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性二太陽(yáng)能光熱發(fā)電國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀三2太陽(yáng)能光熱發(fā)電發(fā)展前景（一）太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)的戰(zhàn)略地位3光熱發(fā)電是通過“光-熱-功”的轉(zhuǎn)化過程實(shí)現(xiàn)發(fā)電的一種技術(shù)。光熱發(fā)電在原理上和傳統(tǒng)的化石燃料電站類似，兩者最大的區(qū)別在于輸入的能源不同。光熱發(fā)電利用能源為太陽(yáng)能，通過聚光器將低密度的太陽(yáng)能聚集成高密度的能量，經(jīng)由傳熱介質(zhì)將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能，通過熱力循環(huán)做功實(shí)現(xiàn)到電能的轉(zhuǎn)換。太陽(yáng)能熱發(fā)電實(shí)質(zhì)是太陽(yáng)能熱利用方式之一。從其發(fā)電原理上來看，是一種綠色能源的綠色利用方式，且太陽(yáng)能資源是世界上分布最廣泛的取之不盡、用之不竭的可再生能源。從這個(gè)意義上看，太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展對(duì)于人類經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。（二）太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)的技術(shù)類型4聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電（CSP）太陽(yáng)能半導(dǎo)體溫差發(fā)電太陽(yáng)能煙囪發(fā)電太陽(yáng)池發(fā)電太陽(yáng)能熱聲發(fā)電聚光光熱發(fā)電是現(xiàn)今最具商業(yè)化利用前景的技術(shù)形式。根據(jù)聚光方式的不同，聚光光熱發(fā)電可進(jìn)一步分為點(diǎn)聚焦和線聚焦兩大系統(tǒng)。其中，點(diǎn)聚焦系統(tǒng)主要包括塔式光熱發(fā)電和碟式光熱發(fā)電；線聚焦系統(tǒng)主要包括槽式光熱發(fā)電和線性菲涅爾式光熱發(fā)電。槽式電站的關(guān)鍵設(shè)備主要包括聚光器、吸熱管和儲(chǔ)熱器。槽式光熱發(fā)電是最早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行，也是目前全球商業(yè)化運(yùn)行電站中占比最大的技術(shù)形式。51.槽式光熱發(fā)電太陽(yáng)能拋物面槽式發(fā)電（圖片：內(nèi)華達(dá)1號(hào)電站，2007年）槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)：一是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低；二是可通過多個(gè)聚光-吸熱裝置的串、并聯(lián)組合，構(gòu)成較大容量的光熱發(fā)電系統(tǒng)；三是聚光比不高，一般在50-80，傳熱介質(zhì)溫度也難以提高，一般在400℃左右；四是槽式系統(tǒng)熱傳遞回路長(zhǎng)、熱損耗大，系統(tǒng)綜合效率較低，約為11%-15%。塔式電站主要包括定日鏡、太陽(yáng)塔、吸熱器和儲(chǔ)熱器等。根據(jù)吸熱器內(nèi)傳熱介質(zhì)的不同，塔式電站主要包括水/蒸汽、熔融鹽和空氣三種。62.塔式光熱發(fā)電太陽(yáng)能塔式發(fā)電（圖片：GemaSolar電站，2011年）塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：一是聚光比較高，一般在300-1000之間，容易實(shí)現(xiàn)較高的系統(tǒng)運(yùn)行溫度（500-1400℃）；二是塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)的熱傳遞路程短、熱損耗少，綜合效率高，目前可達(dá)到14%左右；三是太陽(yáng)能塔式發(fā)電適合于大規(guī)模、大容量商業(yè)化應(yīng)用；四是塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)一次性投入大，裝置結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)復(fù)雜，成本較高。太陽(yáng)能碟式-斯特林發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵部件包括碟式聚光器、斯特林機(jī)和傳動(dòng)系統(tǒng)。73.碟式光熱發(fā)電太陽(yáng)能碟式-斯特林發(fā)電（圖片：SES電站，2010年）碟式光熱發(fā)電系統(tǒng)的主要特點(diǎn)：一是聚光比高，一般為1000-3000，運(yùn)行溫度可接近1000℃，峰值光電轉(zhuǎn)換凈效率可達(dá)到30%；二是碟式發(fā)電系統(tǒng)功率較小，一般為5-50kW，單位造價(jià)昂貴；三是發(fā)電成本不依賴于工程規(guī)模，既可以作為分布式發(fā)電系統(tǒng)使用，也可以建成MW級(jí)的電站并網(wǎng)發(fā)電。線性菲涅爾式發(fā)電系統(tǒng)是簡(jiǎn)化的槽式發(fā)電系統(tǒng)，主要部件包括菲涅爾式反射鏡、吸熱管和傳動(dòng)系統(tǒng)等。84.線性菲涅爾式光熱發(fā)電線性菲涅爾式光熱發(fā)電（圖片：皇明太陽(yáng)能股份有限公司，2010年）線性菲涅爾式光熱發(fā)電系統(tǒng)的特點(diǎn)：一是聚光器采用平面反射鏡代替拋物面槽式反射鏡，聚光器離地面近、風(fēng)載荷低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，布置緊密，用地效率更高；二是由于吸熱管無需進(jìn)行真空處理，降低了技術(shù)難度和成本，系統(tǒng)總成本相對(duì)較低；三是系統(tǒng)聚光比較低、運(yùn)行溫度不高、系統(tǒng)效率不高。（三）不同聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電方式的技術(shù)特點(diǎn)比較9（四）光熱發(fā)電技術(shù)特性10由于發(fā)電原理不同，聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電出力特性優(yōu)于光伏發(fā)電出力特性。通過增加儲(chǔ)熱單元能夠顯著平滑發(fā)電出力，顯著減小小時(shí)級(jí)出力波動(dòng)。根據(jù)不同儲(chǔ)熱模式，可不同程度提高電站利用小時(shí)數(shù)和發(fā)電量，提高電站調(diào)節(jié)性能。研究顯示，一座帶有儲(chǔ)熱系統(tǒng)的光熱發(fā)電站，年利用率可以從無儲(chǔ)熱的25%提高到65%。因此，相對(duì)經(jīng)濟(jì)的儲(chǔ)熱技術(shù)是光熱發(fā)電與光伏發(fā)電等其它可再生能源發(fā)電競(jìng)爭(zhēng)的一個(gè)關(guān)鍵要素。利用長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)熱系統(tǒng)，光熱發(fā)電可以更好的滿足系統(tǒng)負(fù)荷需求。1.通過儲(chǔ)熱改善出力特性美國(guó)加州50MWCSP/50MWPV實(shí)測(cè)帶儲(chǔ)熱裝置的槽式熱發(fā)電系統(tǒng)11不同于其他波動(dòng)電源，是一種電網(wǎng)友好型電源。帶有儲(chǔ)熱和補(bǔ)燃裝置的太陽(yáng)能熱發(fā)電站可提高電網(wǎng)的靈活性，提高電網(wǎng)消納波動(dòng)電源的能力。帶有儲(chǔ)熱和補(bǔ)燃裝置的太陽(yáng)能熱發(fā)電站具有較好的調(diào)峰性能，可替代化石燃料調(diào)峰電站。由于太陽(yáng)能熱發(fā)電站的最優(yōu)規(guī)模為20萬千瓦左右，且多位于遠(yuǎn)離負(fù)荷中心的荒漠或人煙稀少地區(qū)，處于網(wǎng)架相對(duì)薄弱的電網(wǎng)末端，大規(guī)模遠(yuǎn)距離外送的經(jīng)濟(jì)性成為其規(guī)?；_發(fā)利用的制約因素。長(zhǎng)距離輸電是提高CSP利用規(guī)模的重要途徑。特別對(duì)于美國(guó)、南非、印度、中國(guó)、巴西等大國(guó)。2.具有電網(wǎng)友好性12美國(guó)能源部研究項(xiàng)目：未來光熱發(fā)電愿景。采用長(zhǎng)距離高壓直流（HVDC）輸電線路將西南太陽(yáng)能資源豐富地區(qū)的太陽(yáng)能熱發(fā)電電站的電能送至美國(guó)其他地區(qū)。歐洲-中東北非沙漠行動(dòng)計(jì)劃（DESERTECconcepttoEU-MENA）通過建設(shè)跨國(guó)、長(zhǎng)距離高電壓等級(jí)輸電線路將北非太陽(yáng)能熱發(fā)電電站的電能送至歐洲。13光熱發(fā)電系統(tǒng)通過常規(guī)機(jī)組并網(wǎng)，可按照電網(wǎng)要求輸出有功和無功，在運(yùn)行技術(shù)和管理經(jīng)驗(yàn)等方面較為成熟，具有較好的電網(wǎng)友好性。電能質(zhì)量問題：光熱發(fā)電通過傳統(tǒng)電機(jī)并網(wǎng)，能夠很好的解決諧波、三相電流不平衡和直流分量等問題。電網(wǎng)調(diào)度與經(jīng)濟(jì)運(yùn)行問題：由于光熱電站通常配置大容量?jī)?chǔ)熱裝置，或與其他常規(guī)火電機(jī)組聯(lián)合運(yùn)行，克服了光伏發(fā)電的間歇性和波動(dòng)性，可實(shí)現(xiàn)光熱電站發(fā)電出力的平穩(wěn)可控，接近常規(guī)機(jī)組性能，更易接受電網(wǎng)調(diào)度，并具備一定的調(diào)峰調(diào)頻能力，減輕電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻壓力。大電網(wǎng)穩(wěn)定控制問題：光熱電站通過常規(guī)汽輪機(jī)或燃?xì)廨啓C(jī)并網(wǎng)，具有一定的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和阻尼特性，具備按照電網(wǎng)要求向其提供有功和無功功率的能力，同時(shí)電網(wǎng)調(diào)度有較為豐富的常規(guī)機(jī)組運(yùn)行控制和管理經(jīng)驗(yàn)，有助于電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。光熱發(fā)電的規(guī)?；l(fā)展不僅能夠作為調(diào)峰電源，為風(fēng)電等間歇性電源提供輔助服務(wù)，而且隨著未來技術(shù)的優(yōu)化提升，大型光熱電站完全有可能承擔(dān)電力系統(tǒng)基礎(chǔ)負(fù)荷。（五）光熱發(fā)電經(jīng)濟(jì)成本14初始投資。根據(jù)電站規(guī)模、儲(chǔ)熱系統(tǒng)規(guī)模、光照條件、土地和人工費(fèi)用的不同，電站造價(jià)不同。一般來說，碟式光熱電站單位造價(jià)最高，約為塔式光熱電站的兩倍；槽式光熱電站單位造價(jià)略低于塔式光熱電站，略高于菲涅爾式光熱電站。發(fā)電量。光熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量主要取決于配置儲(chǔ)熱裝置的容量，根據(jù)目前實(shí)際投運(yùn)的帶儲(chǔ)熱的光熱電站的運(yùn)行情況來看，其年有效利用小時(shí)數(shù)基本可達(dá)4000小時(shí)以上。槽式及塔式光熱初投資槽式光熱電站投資構(gòu)成塔式光熱電站投資構(gòu)成15度電成本?？紤]匯率折算后，槽式電站的度電成本為1.2-2.4元/kWh；塔式電站的度電成本為1.3-2.4元/kWh。碟式/斯特林光熱發(fā)電系統(tǒng)的成本不隨系統(tǒng)容量的增加而降低，適合于分布式發(fā)電；槽式光熱發(fā)電和塔式光熱發(fā)電的成本隨系統(tǒng)容量的增加而下降，適合于發(fā)展大容量電站。美國(guó)SEGS電站相關(guān)數(shù)據(jù)美國(guó)昆士蘭塔式電站相關(guān)數(shù)據(jù)一太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性二太陽(yáng)能光熱發(fā)電國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀三16太陽(yáng)能光熱發(fā)電發(fā)展前景截至2011年7月，全球在運(yùn)的光熱發(fā)電站共42座，裝機(jī)容量總計(jì)139.4萬kW，主要集中在西班牙和美國(guó)。其中，西班牙境內(nèi)共有21座，約占總裝機(jī)容量的61.1%，總占地面積約3002萬平方米（西班牙光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)數(shù)據(jù)）；美國(guó)境內(nèi)共有17座光熱發(fā)電站，約占總裝機(jī)容量的36.5%。另外，德國(guó)、以色列、意大利和埃及境內(nèi)分別各有一座。截至2010年底，全球規(guī)劃建設(shè)的光熱發(fā)電裝機(jī)容量約為3000萬kW，分別位于美國(guó)、西班牙、澳大利亞、印度、意大利、摩洛哥、阿爾及利亞、埃及、阿聯(lián)酋、法國(guó)和中國(guó)等國(guó)家。（一）全球光熱發(fā)電現(xiàn)狀全球光熱發(fā)電裝機(jī)容量17在已經(jīng)運(yùn)行的光熱發(fā)電站中，拋物面槽式技術(shù)是應(yīng)用最多的技術(shù)形式，約占總裝機(jī)容量的87.9%。槽式光熱發(fā)電技術(shù)是目前世界上最成熟的光熱發(fā)電技術(shù)，投資風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)相對(duì)較小。截至2010年底，全球在建的光熱發(fā)電站的裝機(jī)容量約為274.7萬kW，其中大部分位于美國(guó)和西班牙，分別為140萬kW和130萬kW，其他主要分布在北非和中東地區(qū)。從所采用的發(fā)電技術(shù)來看，槽式和塔式分別占49.2%和42.5%，塔式系統(tǒng)的應(yīng)用比例有所提高。18已運(yùn)行光熱發(fā)電站中不同技術(shù)形式的應(yīng)用比例在建光熱發(fā)電站中不同技術(shù)形式的應(yīng)用比例根據(jù)國(guó)家能源局《可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》征求意見稿，光熱發(fā)電至2015年的裝機(jī)目標(biāo)為100萬kW，至2020年裝機(jī)目標(biāo)300萬kW。目前，我國(guó)僅有1個(gè)獲得上網(wǎng)電價(jià)批準(zhǔn)的光熱發(fā)電項(xiàng)目，即首個(gè)特許權(quán)項(xiàng)目—內(nèi)蒙古鄂爾多斯50MW項(xiàng)目。此外有9個(gè)處于建設(shè)和籌備階段的光熱發(fā)電項(xiàng)目?？傃b機(jī)容量約450MW。19（二）我國(guó)光熱發(fā)電現(xiàn)狀20主要影響因素包括太陽(yáng)法向直射輻射（DNI）、地形和土地、水資源等。（1）太陽(yáng)法向直射輻射強(qiáng)度根據(jù)國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)，DNI值在1800kWh/m2/y以上的地區(qū)適宜建設(shè)光熱發(fā)電站。（2）水資源根據(jù)美國(guó)能源部研究數(shù)據(jù)（2007），采用水冷技術(shù)時(shí)，碟式/斯特林發(fā)電約為0.0757立方米/MWh，塔式電站用水約為2.27立方米/MWh，槽式電站用水約為3.02立方米/MWh。槽式和塔式高于常規(guī)燃煤電站和聯(lián)合循環(huán)天然氣發(fā)電站?？刹捎每绽浼夹g(shù)減少用水量，約為0.299立方米/MWh，投資成本上升約7%-9%，發(fā)電量減少約5%。對(duì)塔式熱發(fā)電運(yùn)行成本的影響小于槽式熱發(fā)電方式。為減少運(yùn)行成本，通常采用水冷/空冷混合制冷方式。以槽式熱發(fā)電為例，采用這種方式可減少水耗50%，而發(fā)電量損失僅為1%左右。（三）光熱發(fā)電開發(fā)建設(shè)條件21（3）地形和土地光熱發(fā)電站的建設(shè)需要考慮地形的因素，最好選擇平坦廣闊的土地，一是由于坡地會(huì)影響入射角而導(dǎo)致電站效率的變化，二是坡地會(huì)增加土地平整的成本。不同的光熱發(fā)電技術(shù)形式對(duì)地形的要求不盡相同。國(guó)外經(jīng)驗(yàn)顯示，槽式和線性菲涅爾式發(fā)電要求地面坡度在3%以下；塔式電站可以適合5%-7%以下的地面坡度。碟式由于單機(jī)規(guī)模較小，因此對(duì)坡度的要求更低。光熱發(fā)電對(duì)土地面積要求較高，目前國(guó)際經(jīng)驗(yàn)顯示，建設(shè)一座50MW無儲(chǔ)熱的光熱發(fā)電站（槽式或塔式）需要占地約1平方公里，一座30MW帶6小時(shí)儲(chǔ)熱的光熱發(fā)電站（槽式或塔式）電站同樣需要1平方公里土地。適宜規(guī)?；l(fā)展地區(qū)多遠(yuǎn)離負(fù)荷中心。包括沒有樹木的大草原、矮樹林、戈壁灘、荒漠地、廢棄鹽堿地和沙漠等。22不同光熱發(fā)電站的開發(fā)建設(shè)要求全球重點(diǎn)開發(fā)地區(qū)：美國(guó)西南部、歐洲地中海地區(qū)國(guó)家、南北非國(guó)家、中東地區(qū)（約旦、以色列、伊朗）、印度沙漠平原、巴基斯坦、澳大利亞和我國(guó)西北部。我國(guó)重點(diǎn)開發(fā)地區(qū)：內(nèi)蒙古西部阿拉善盟和鄂爾多斯地區(qū)、甘肅西部河西走廊、青海、西藏、以及新疆的哈密和吐魯番地區(qū)。23（四）全球和我國(guó)重點(diǎn)開發(fā)地區(qū)一太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性二太陽(yáng)能光熱發(fā)電國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀三24太陽(yáng)能光熱發(fā)電發(fā)展前景（一）技術(shù)應(yīng)用前景25建造大容量太陽(yáng)能熱發(fā)電站是降低太陽(yáng)能熱發(fā)電成本的重要途徑。在同樣技術(shù)條件下，機(jī)組容量越大，單位kW的投資成本和年運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用越低，機(jī)組本身的運(yùn)行效率和電站輔助設(shè)備及管道系統(tǒng)的效率也越高，則電站綜合效率明顯提高。特別是對(duì)于塔式、槽式光熱發(fā)電站，其發(fā)電成本與裝機(jī)容量規(guī)模密切相關(guān)。1.機(jī)組容量趨于大容量，提高系統(tǒng)效率塔式電站系統(tǒng)發(fā)電效率與電站容量的關(guān)系26未來聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電站規(guī)模27將光熱發(fā)電系統(tǒng)與常規(guī)火電廠聯(lián)合運(yùn)行，既可高效利用太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)提供中低溫和中低壓的水蒸汽，又具有很高的發(fā)電系統(tǒng)綜合效率，將成為今后較長(zhǎng)一個(gè)時(shí)期內(nèi)開發(fā)利用光熱發(fā)電技術(shù)的重要發(fā)展趨勢(shì)之一。槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)在中高溫應(yīng)用時(shí)成本較低，因此槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)與常規(guī)火電廠聯(lián)合運(yùn)行是今后首選發(fā)展方式。當(dāng)電站規(guī)模較大或配備大容量?jī)?chǔ)熱系統(tǒng)時(shí)，塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)與常規(guī)火電廠聯(lián)合運(yùn)行也具有很好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能。2.通過補(bǔ)燃或與常規(guī)火電廠聯(lián)合運(yùn)行，提高技術(shù)經(jīng)濟(jì)性28光熱發(fā)電存在“熱”這種中間形式，可通過對(duì)熱的綜合利用提高能源利用效率，具體形式包括采暖制冷一體化、海水淡化等，進(jìn)行綜合利用，同時(shí)滿足多種需求，對(duì)某些特殊地區(qū)，如邊防海島、沙漠等地區(qū)或?yàn)?zāi)區(qū)尤為有效。近年來一些科學(xué)家提出光熱發(fā)電技術(shù)用于煤的氣化與液化，形成氣體或液體燃料，進(jìn)行遠(yuǎn)距離的運(yùn)輸。3.進(jìn)行綜合利用，提高能源利用效率光熱發(fā)電和海水淡化相結(jié)合的綜合利用（二）成本發(fā)展趨勢(shì)29到2025年，各種光熱發(fā)電技術(shù)的成本都有顯著下降。為了降低成本，槽式發(fā)電將向更為簡(jiǎn)單的系統(tǒng)發(fā)展。從技術(shù)類型來看，由于塔式發(fā)電在技術(shù)進(jìn)步和效率提升方面具有很大潛力，預(yù)計(jì)在未來5年內(nèi)成本將快速下降。隨著儲(chǔ)熱長(zhǎng)達(dá)15小時(shí)的GemaSolar