降低聚光太陽能熱發電成本的途徑

中國科學院太陽能熱利用及光伏系統重點實驗室 ■ 杜鳳麗

一 引言

聚光太陽能熱發電(以下簡稱太陽能熱發電)是通過聚光器將太陽光反射聚集在吸熱部件上，經由傳熱介質將太陽能轉換為熱能，然后通過熱力循環做功實現發電的技術形式。聚光太陽能熱發電可以采用郎肯循環，也可使用效率更高的布雷頓循環或斯特林循環。在原理上，聚光太陽能熱發電系統與傳統的化石燃料電站類似，兩者最大的區別在于輸入的能源不同，前者采用的是太陽能。

太陽能具有間歇性及輸入不穩定的特點，因此利用太陽能進行發電存在電力輸出波動大的問題。與目前的光伏發電技術不同，太陽能熱發電可以帶有儲熱系統，將白天多余的熱量儲存起來，當太陽輻照不好時，釋放儲存的熱能，保持汽輪機持續運行，從而保證輸出電力的穩定性，并增加全負荷發電時數。此外，太陽能熱發電站還可以利用化石燃料進行補燃，實現在夜間或連續陰雨天時的持續發電。

太陽能熱發電目前在國外已經進入商業化發展的階段。然而，與傳統的化石燃料電站相比，太陽能熱發電的發電成本(LEC)仍然很高。在現有技術條件下，太陽能熱發電的成本為0.19～0.25$/kWh[1]。相對較高的發電成本在一定程度上影響了太陽能熱發電大規?；倪M程，因此降低發電成本是推進太陽能熱發電發展的首要任務。

二 降低太陽能熱發電成本的途徑

發電成本是影響太陽能熱發電發展的最關鍵因素。國際能源署(IEA)曾公布一種計算可再生能源系統發電成本的簡化公式[2]，詳見式(1)。

式中：Kinvest為電站總投資；KOM為年運行管理費用；Kfuel為年燃料費用；Enet為年凈發電量。crf=，其中：kd為實際利率；n為電站壽命；kinsurance為年保險費。

從式(1)可以看出，發電成本與電站的初始投資、貸款利率、年運行維護費用以及年凈發電量等密切相關。其中，初始投資和電站年凈發電量(年發電量－用電量)是關鍵。降低太陽能熱發電站的初始投資，提高太陽能熱發電站的年凈發電量是降低太陽能熱發電成本的有效途徑。

太陽能熱發電站的初始投資成本主要包括太陽能部件(太陽能鏡場、太陽能吸熱器、蓄熱系統)以及常規熱力循環部件(蒸汽發生、發電模塊)的費用。降低初始投資的成本可通過降低各種部件的成本來實現。太陽能熱發電站的年發電量與系統年均效率、投射在鏡場上的年太陽直射輻照量相關，在相同的太陽輻照量下，系統年均效率越高，則電站的年發電量就越多。

經過初步測算發現，系統效率每提高1%，相當于初投資降低5%～7%。因此，提高系統效率是降低發電成本的重要途徑。太陽能熱發電的發電成本、初投資和系統效率的關系如圖1所示。

太陽能熱發電的系統效率，即光電轉換效率取決于集熱效率和熱機效率兩個參數。這兩者又與聚光比和吸熱器的工作溫度密切相關。當聚光比一定時，隨著吸熱器工作溫度升高，集熱效率會下降，而汽輪機的效率提高，系統效率曲線會出現一個“馬鞍點”(圖2)。因此單純提高吸熱器的工作溫度，并不一定能提高系統效率，反而可能會降低光電轉換效率。只有聚光比與吸熱器的溫度協同提高，才是降低發電成本的有效途徑[3]。

三 太陽能熱發電的技術發展路線圖

太陽能熱發電的技術進步主要反映在發電成本上，太陽能熱發電系統的光電轉換效率是影響發電成本最重要的因素。從熱力學的角度，發電工質的參數(溫度、壓力)會對系統效率產生重要影響。而發電工質參數與聚光、光熱轉換、儲熱過程中的材料、熱學和力學等問題密切相關?；谝陨峡紤]，以系統年平均發電效率為引領，以發電工質的溫度和換熱介質種類為主線，將太陽能熱發電技術分為四代，如圖3所示。

“十一五”期間(2006～2010年)，我國對以水/油作為集熱系統換熱介質的第一代技術進行了研發示范，建立了1MWe塔式實驗示范電站；對以熔融鹽為傳熱介質的第二代技術，主要進行了熔融鹽熱物性等研究，搭建了熔融鹽工質系統的實驗平臺，并研制了用于塔式發電站的100kWt熔融鹽吸熱器；針對第三代技術，對以碳化硅泡沫陶瓷作為吸熱體的空氣吸熱器進行了基礎問題的摸索；針對第四代技術，分別在北京和銀川建立了20kWt和300kWt的高溫太陽爐聚光集熱系統。

“十二五”期間(2011～2015年)，水和油作為集熱系統換熱介質進入產業化推廣階段，以熔融鹽為傳熱介質的集熱系統進入規模化示范階段，而以空氣為換熱介質的集熱系統從基礎研究進入應用基礎研究階段，并逐步進行中試。

“十三五”期間(2016～2020年)，第一代技術繼續大規模商業化，第二代技術開始進入市場，發電效率提高到20%。由于熔融鹽的使用，傳熱介質溫度大大提高，超臨界太陽能熱發電技術也開始進入中試。

“十四五”期間(2021～2025年)，第三代以空氣為傳熱介質和發電工質的技術進入市場，系統年發電效率達到30%，并且無需耗水。但由于高溫空氣傳輸的原因，該類電站的容量受到制約，此時第四代以固體顆粒作為傳熱介質的吸熱過程進入高技術示范階段。

“十五五”期間(2026～2030年)，第四代太陽能熱發電技術進入市場，系統年發電效率達到35%，并且突破了第三代技術的系統容量問題，高溫儲熱問題也得到了解決，超臨界太陽能熱發電站也將出現。

四 結論

太陽能熱發電是真正的不影響自然環境和經濟社會可持續發展的綠色能源，太陽能熱發電站的建設可以利用貧瘠的荒漠土地進行并網發電，也可獨立于電網運行，建成分布式電源，為偏遠地區供電。太陽能熱發電可采用儲熱系統，或者利用化石燃料補燃，克服了太陽能間歇性、不穩定的缺點，因此，太陽能熱發電技術的發展具有重要意義。

從根本上來說，相對較高的發電成本阻礙了太陽能熱發電大規模發展的進程。降低太陽能熱發電的成本主要有兩個途徑：降低初投資和提高系統效率。據測算，系統效率每提高1%，相當于初投資降低5%～6%，因此提高太陽能熱發電站的系統效率是降低發電成本的重要途徑。從熱力學的角度講，發電工質的參數(溫度、壓力)會對系統效率產生重要影響，而發電工質的參數與聚光、光熱轉換、儲熱過程中的材料、熱學和力學等問題密切相關。通過四代太陽能熱發電技術的逐步發展，太陽能熱發電技術在成本上將更具有競爭性。

[1]Hermann Spellmann, Luis Fa朼nas Martinez, Alexander Karnick.The CSP industry: An awakening giant[R].Deutsche Bank, Global Markets Research, Companies, 2009-03-19.

[2]Robert Pitz-Paal, J焤gen Dersch, Barbara Milow.European Concentrated solar thermal road-mapping (ECOSTAR)[R].SES6-CT-2003-502578, 2004.

[3]Wang Zhifeng, Du Fengli.Concentrating solar power strategies in China [J].Journal of the Japan Institute of Energy, 2010, 89(4):331－336.

[4]王志峰, 杜鳳麗.太陽能熱發電的技術發展途徑[A].科技創新促進中國能源可持續發展——首屆“中國工程院/國家能源局 能源論壇”論文集[C], 北京: 化學工業出版社, 2010:661－665.