太陽能光伏與光熱發電技術發展概述

◎ 胡 玉 白玉忠

太陽能光伏與光熱發電技術發展概述

◎ 胡 玉1白玉忠2

近年來棄風棄光率高與風電光伏出力間歇性和低能量密度有關。從關鍵技術、投資建設成本、光熱與光伏綜合利用、光熱與傳統能源互補利用等方面，對太陽能利用技術的發展前景進行了展望，明確了太陽能光熱發電中鏡場投資占比最大，集熱儲能技術是關鍵，與光伏和火電等常規能源結合互補利用，規模化、高參數、高聚光比、連續發電、分布式發展等將是太陽能最主要、最高效的利用方向，可緩解乃至消除單獨發電存在的許多問題，具有非常好的社會、經濟、環保效益與發展空間。

當前，光熱發電產業鏈正在逐步形成，但全面開展仍有障礙，部分關鍵設備國產化能力不足，技術研發與應用的重點是提高集熱效率和蓄能能力，提升太陽能綜合利用效率，實現規模化應用。

光伏與光熱發電技術對比分析

光伏發電技術已經很成熟，過程簡單，無轉機，無燃料，無噪聲﹑無污染。光伏發電最具發展理想特征，是可再生﹑可持續的新能源清潔發電技術。但目前存在的主要問題也很多：占地面積大，轉換效率低，運行不可持續性，并網安全性和電能質量問題突出，受氣候環境因素影響大，地域依賴性強，系統成本高且下降空間已不大，晶體硅電池的制造過程高污染﹑高能耗等。這些因素嚴重制約了光伏產業的發展，隨著近年來棄風棄光形勢的加劇，國家已叫停多省新增新能源項目。

太陽能光熱發電最新進展

關鍵技術方面。我國在太陽能熱發電關鍵技術和設備方面的研究進展依然緩慢。光熱轉換的關鍵在于太陽能的高效收集，主要技術包括受光面光學設計﹑選擇性表面技術﹑裝置機械結構設計及集熱體熱結構設計與分析。鏡場設計主要的考慮問題有機械碰撞﹑光學損失（包括余弦損失﹑陰影和阻擋損失﹑衰減損失﹑溢出損失等）﹑性能問題等。

槽式反射鏡的性能指標包括反射率﹑聚光性能﹑機械強度﹑抗風沙性能﹑抗腐蝕性能﹑抗疲勞性能和重量等。目前主要使用的太陽能收集裝置有平板型﹑真空管﹑陶瓷和聚焦集熱器（槽式﹑碟式和塔式）四種。光熱產業鏈上的系統集成﹑集熱管﹑聚光鏡等核心技術和裝備還未完全掌握，尤其是聚焦跟蹤系統的國產化，嚴重阻礙太陽能光熱市場發展。

塔式光熱電站鏡場面積的選擇主要由設計點吸熱器額定功率﹑太陽直射輻射（DNI）﹑吸熱塔高決定。在吸熱器額定功率和DNI相同的前提下，吸熱塔高越高鏡場的面積會略有減小。定日鏡布置距離受吸熱塔高﹑定日鏡與吸熱塔的相對位置關系﹑DNI﹑吸熱器最大允許熱流密度﹑吸熱器功率等多種因素的限制。

投資建設成本方面。光熱電站成本受國家補貼﹑光資源條件﹑儲熱容量﹑系統效率﹑設備價格﹑融資渠道等因素影響較大，而目前在國家未出臺上網電價情況下，基于度電成本為衡量經濟效益指標是目前較好，也是較科學的考核方法。目前我國光熱電站建設成本居高不下，約30元/W，而光伏發電成本為7～8元/W，太陽能光熱發電技術商業化發展的主要障礙是成本。定日鏡的成本變化對光熱電站造價影響很大，是建造成本占比最大的部分。儲熱成本與儲熱時間和裝機容量有關。熔鹽儲熱系統成本主要由熔鹽﹑熔鹽泵﹑儲罐﹑換熱器﹑電伴熱﹑儀表閥門等設備材料費用構成。塔式電站的造價包括太陽島﹑常規島和儲熱系統成本等。常規島﹑基礎設施﹑場地等參照火電相關系統估算。與光伏發電相比，光熱發電不需昂貴的硅晶光電轉換工藝，可大大降低成本，也可實現連續發電。光熱發電是朝陽產業，是未來電力能源發展的主要方向之一，然而制約其發展的主要瓶頸依然是發電成本過高，經濟性指標不理想，而且國內仍處于試驗研究及工程示范階段，實驗裝置及商業示范項目太少，技術及產業鏈不夠成熟，部分設備存在技術瓶頸，且實驗數據和性能指標都在保密狀態，設備性價比不好評判，技術路線的選取存在風險。隨著光伏成本的一再降低，特別是高倍聚光砷化鎵技術的運用，使光伏成本大幅降低，非儲能光熱發電很難與之抗衡，光熱發電的經濟性也因此受到了質疑。國外目前新建的光熱電站大多匹配有儲能裝置，實現24小時發電，其電網友好性較光伏發電具有明顯優勢。

光伏﹑光熱綜合利用發展情況。太陽能光伏光熱綜合利用將流體加熱后用于采暖或熱水，降低電池板工作溫度，提升光電效率，從而大大提升太陽能綜合利用效率。目前主要關注的是集熱與冷卻系統的匹配問題，如何選擇循環工質，以及不同工況的控制問題等。鑒于多晶硅生產造成的污染問題，以及光伏發電的不可調性，光伏電站僅適合分布式有限發展（例如當前開展比較廣泛的屋頂光伏等項目），而光熱發電則在技術應用成熟和相關產業鏈形成時便可規模化發展，而且二者可以綜合利用，特別是現在比較火熱的屋頂光伏產業，既利用了太陽能，又節約了占地面積，光熱電站的生活及部分廠用電等可以考慮引入光伏發電設計。

（作者單位：1.神華國華（北京）電力研究院有限公司；2.寧夏國華寧東發電有限公司）