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太阳能热发电技术发展现状


太阳能热发电技术的发展现状
2009 年全国发电厂热工自动化年会论文

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。 2050 到 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 10~100 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:① 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;②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 30%~50%;③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;④ 目前, 30~80MW 太阳能热发电装置按集热面积计算的投资价 格为 200~250 欧元/m2。发电成本 l0~l6 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

1985 1986 1987 1987 1988 1989 1989

1990

1991

净功率/MW
2

13.8

30

30

30

30

30

30

80

80

太阳场集热面积,1000m

83

190

230

230

251

188

194

464

484

太阳场全负荷温度/℃

307

321

349

349

349

391

391

391

391

汽轮机效率/%

31.5 29.4 30.6 30.6 30.6 37.6 37.6

37.6

37.6

燃气轮机效率/%

37.3 37.3 37.3 37.3 39.5 39.5

37.6

37.6

蒸汽压力/MPa

3.53 2.72 4.35 4.35

10

10

10

10

10

蒸汽温度/℃

415

360

327

327

327

371

371

371

371

太阳场热效率/%

35

43

43

43

43

43

43

53

50

太阳能发电净效率/%

9.3

10.7 10.2 10.2 10.2 12.4 12.3

14

13.6

年净电力生产量/GWh
3

30.1 80.5 91.3 91.3 99.2 90.9 92.6

252.8

256.1

年天然气消耗/Mm

4.8
-1

9.5

9.6

9.6

10.5

8.1

8.1

24.8

25.2

工程费用/美元·kW

4490 3200 3600 3730 4130 3870 3870

2890

3440

1.2.2 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 阿尔及利亚 埃及 希腊 印度 伊朗 以色列 意大利 墨西哥 摩洛哥 西班牙 联合循环总量(MW) 140 150 — 140 467 — — 291 220 — 太阳能发电容量(MW) 35 30 50 30 17 100 40 30 30 2×50 电站系统 ISCC ISCC 朗肯循环 ISCC ISCC 朗肯循环 朗肯循环 ISCC ISCC 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/kw·h,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 357200m2。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 10~20MW, 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 30~40 美元/MWh ,即每度电 3~4 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 50~60 美元 /MWh,即每度电 5~6 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



1981

EURELIOS(意大利)

1

蒸汽

硝酸盐/水

1981

SUNSHINE(日本) SOLAR ONE (美国)

1

蒸汽

硝酸盐/水

1981

10

蒸汽

油/岩石

1982

CESA-1(西班牙)

1

蒸汽

硝酸盐

1983

MSEE/CatB(美国)

1

硝酸盐

硝酸盐

1983

THEMIS(法国)

2.5





1984

SPP-S(乌克兰)

5

蒸汽

水/蒸汽

1986

TSA(西班牙) SOLAR TWO (美国)

1

蒸汽

陶瓷

1996

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 5~50kW,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

发电功率 名称/安装地点 (kW) Vanguard(美国) McDonnel(美国) 25 25

采光口 反射镜类型 面积(m ) 91 91 平面玻璃镜 平面玻璃镜 镀银玻璃与钢板结 氢 氢 1984-1985 1984-1988
2

工作介质

工作年代

SBP(沙特)

52.5

227 合,张膜结构 镀银玻璃与钢板结



1984-1988

SBP (西班牙, 德国)

9

44.2 合,张膜结构



1991-现在

Aisin/Miyako(日 8.5 本) STM-PCS(美国) 25 44

镀铝塑料薄膜,张 氦 膜结构 氦 1993-现在 1992-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 9~1OkW 碟式斯特林总成本为 10000~14000 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 5.86×103MJ / 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,约等于数万个三峡工 程发电量的总和。 随着《可再生能源法》的出台和《京都议定书》的签署,随着我国能源形势 和生态环境的发展, 太阳能热发电作为一种更适合于大规模电力供应的补充方式, 将会受到越来越多的重视,也必然会得到更大的发展。为此,国家在“十一五” 计划中安排了数十亿资金用以开发太阳能热发电技术, 太阳能热发电技术已逐渐 成为我国重点研究与大力开发的可再生能源技术[8][9]。

参考文献

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[10] 汤蕴琳 王忠会. 太阳能热发电技术的研究. 能源政策研究-2005 年 3 期 [11] Mark Schmitz. .Solar Thermal Power and Process Heat-Overview and State of the Art Examples. 2007 [12] Greenpeace. SOLAR THERMAL POWER -EXPLOITING THE HEAT FROM THE SUN TO COMBAT CLIMATE CHANGE.2005. The Development Status of Solar Thermal Power Technology XU Ji-gang1 WANG Zheng1 LI Bo2

(1.China Power Engineering Consulting Corporation, Beijing 100011,China;

2.Anhui Provincial Energy Group Company Ltd,Hefei 230000,China)

[Abstract] There are three main systems of solar thermal power technology in word: trough system, tower system and dish system. This article describes the characteristics of the three systems and their engineering application.

[Key words] solar thermal power; development; status


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