我國(guó)太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)路線探討

馮志武

(陽(yáng)泉煤業(yè)化工集團(tuán)，山西 太原 030000)

1 太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著人口數(shù)量和經(jīng)濟(jì)總量的增加，能源需求總量將持續(xù)增長(zhǎng)，據(jù)研究，石油和天然氣將在21世紀(jì)中葉趨于枯竭，化石能源存在污染嚴(yán)重、不可再生的缺點(diǎn)，發(fā)展清潔、可再生能源替代化石資源，勢(shì)在必行。太陽(yáng)能儲(chǔ)量豐富，是一種環(huán)保清潔的可再生能源，具有資源豐富、分布廣泛、安全、清潔等優(yōu)點(diǎn)。另?yè)?jù)估算，地球表面每年接收的太陽(yáng)輻射量高達(dá)5.4×1024J，相當(dāng)于1.8×1014t標(biāo)準(zhǔn)煤。若將其中的0.1%按效率5%轉(zhuǎn)換為電能，則每年的發(fā)電量可達(dá)5 600 TWh，相當(dāng)于目前全世界能耗的40倍。因此，利用太陽(yáng)能進(jìn)行發(fā)電對(duì)今后的能源發(fā)展有著十分重要的意義[1]。

目前已發(fā)展的太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)，也稱聚光太陽(yáng)能系統(tǒng)，主要有四種應(yīng)用形式：槽式系統(tǒng)、塔式系統(tǒng)、碟式系統(tǒng)、線性菲涅爾系統(tǒng)。目前，槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)相對(duì)最成熟，整體投資最少，經(jīng)濟(jì)效益最好。槽形拋物面太陽(yáng)能發(fā)電站的功率為10 MW～100 MW，是目前所有太陽(yáng)能熱發(fā)電站中功率最大的[2]。

1.1 槽式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)[3-5]

槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)全稱為槽式拋物面反射鏡太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)，是將多個(gè)槽型拋物面聚光集熱器經(jīng)過(guò)串、并聯(lián)的排列，加熱工質(zhì)，產(chǎn)生高溫蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，見(jiàn)圖1。

槽式電站的優(yōu)點(diǎn)：

1) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 成本較低；

圖1 槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)原理圖

2) 可通過(guò)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)；

3) 技術(shù)成熟，采用導(dǎo)熱油，運(yùn)行溫度最高可達(dá)400 ℃。

槽式電站的缺點(diǎn)：

1) 熱傳輸管道特別長(zhǎng)，熱量損失比較大，高海拔地區(qū)氣候比較寒冷，100 MW的槽式電站需要超過(guò)100 km長(zhǎng)的集熱管，這些集熱管長(zhǎng)期暴露于寒冷的環(huán)境中，無(wú)法保溫，集熱管里的導(dǎo)熱油在晚上無(wú)法抽出，這時(shí)就變成了巨大的散熱場(chǎng)。目前，全球所有在運(yùn)行的槽式電站沒(méi)有一個(gè)位于海拔超過(guò)2 000 m的地區(qū)；

2) 長(zhǎng)距離傳輸管道采用的集熱管如是真空管，在運(yùn)行過(guò)程中的維修和維護(hù)成本比較高；

3) 使用導(dǎo)熱油作為傳熱介質(zhì)，限制了運(yùn)行溫度，最高可達(dá)400 ℃，只能產(chǎn)生中等品質(zhì)的蒸汽，使用熔鹽作為傳熱介質(zhì)時(shí)使用溫度可達(dá)550 ℃，但在輸送距離較長(zhǎng)情況下，光照不足，熔鹽就可能出現(xiàn)堵管現(xiàn)象。

1.2 塔式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)

塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)是利用獨(dú)立跟蹤太陽(yáng)的定日鏡群，將陽(yáng)光聚集到固定在塔頂部的接收器上，使接收器表面產(chǎn)生高溫，加熱工質(zhì)產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽或高溫氣體，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組或燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，從而將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能[6]。塔式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖2。

圖2 塔式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)原理圖

塔式電站的優(yōu)點(diǎn)：

1) 槽式的聚光比小，一般在50左右，為維持高溫時(shí)的運(yùn)行效率，必須使用真空管作為吸熱器件。而塔式的聚光比大，一般可達(dá)300～1 500，因此，可以使用非真空的吸熱器進(jìn)行光熱轉(zhuǎn)換，塔式電站熱轉(zhuǎn)換系統(tǒng)壽命優(yōu)于依賴于真空技術(shù)的槽式聚光系統(tǒng)。

2) 相比于槽式電站，100 MW的熔鹽塔式電站僅需要600 m的管道，所有的熔鹽管道都加了極厚的保溫層并位于建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)，管道里的熔鹽在晚上流回保溫能力強(qiáng)的罐內(nèi)，無(wú)需天然氣或其他輔助燃料保溫。

3) 塔的吸熱器可以在500 ℃～1 500 ℃的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行，對(duì)提高發(fā)電效率，有很大的潛力。而槽式的工作溫度一般在400 ℃以內(nèi)，限制了發(fā)電透平部分的熱電轉(zhuǎn)換效率。接收器散熱面積相對(duì)較小，因而可得到較高的光熱轉(zhuǎn)換效率。

塔式電站的缺點(diǎn)：

1) 塔式光熱電站的吸熱塔高100 m以上，維修及維護(hù)較為困難；

2) 定日鏡追日系統(tǒng)復(fù)雜，每隔一定時(shí)間，追日系統(tǒng)參數(shù)需要進(jìn)行改變，遠(yuǎn)距離跟蹤條件下，任何微小的傳動(dòng)誤差，都會(huì)造成反射光線脫離目標(biāo)，造成聚焦溫度急劇下降。

1.3 碟式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)

碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)是世界上最早出現(xiàn)的太陽(yáng)能動(dòng)力系統(tǒng)，是目前太陽(yáng)能發(fā)電效率最高的系統(tǒng)，最高可達(dá)29.4%。該系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)拋物面匯聚太陽(yáng)光，旋轉(zhuǎn)拋物面是拋物線繞軸線旋轉(zhuǎn)形成的面，與拋物面軸線平行的光線照射到鏡面時(shí)，光線會(huì)聚焦到焦點(diǎn)，可使傳熱介質(zhì)加熱到750 ℃，然后，驅(qū)動(dòng)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行發(fā)電，可實(shí)現(xiàn)大功率的太陽(yáng)能發(fā)電[7-8]。碟式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖3。

圖3 碟式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)原理圖

碟式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：

1) 碟式太陽(yáng)能系統(tǒng)的聚光比約1 000～4 000，因而可以產(chǎn)生非常高的溫度。在其接收器上安裝熱電轉(zhuǎn)換裝置，如，斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)或朗肯循環(huán)熱機(jī)等，從而將熱能直接轉(zhuǎn)換成電能，熱電轉(zhuǎn)化率較高，可達(dá)30%；

2) 碟式太陽(yáng)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便，且用水量較少;

3) 碟式太陽(yáng)能系統(tǒng)可以單臺(tái)使用或多臺(tái)并聯(lián)使用，適宜小規(guī)模發(fā)電，所以適合偏遠(yuǎn)山區(qū)遠(yuǎn)離電網(wǎng)地區(qū)，進(jìn)行分布式離網(wǎng)供電。

碟式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的缺點(diǎn):

1) 陽(yáng)光并不是垂直射到集熱器，反射過(guò)程中有一定的能量損失，且系統(tǒng)接收器一般采用線聚焦，造成加熱點(diǎn)分散，難以使工質(zhì)獲得高溫。集熱器還需在高溫下長(zhǎng)期旋轉(zhuǎn)，很容易發(fā)生接口開(kāi)裂、管路破損等狀況。

2) 受熱器的幾何尺寸受到限制，因?yàn)榇竺娣e的受熱器會(huì)對(duì)陽(yáng)光造成遮擋，若減小集熱器的面積則會(huì)降低集熱效率。

3) 收集器的位置不固定，各種管道連接或是轉(zhuǎn)動(dòng)相當(dāng)困難，不利于組成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。這就制約了碟式系統(tǒng)的大規(guī)模生產(chǎn)[9]。

1.4 線性菲涅爾式熱發(fā)電系統(tǒng)

線性菲涅爾式熱發(fā)電系統(tǒng)類似于拋物面槽式熱發(fā)電,由許多平放單軸轉(zhuǎn)動(dòng)的反射鏡組成矩形鏡面自動(dòng)跟蹤太陽(yáng),將反射太陽(yáng)光聚集到固定的集熱管上,加熱管中流體介質(zhì),直接或間接產(chǎn)生蒸汽,推動(dòng)汽輪機(jī)組發(fā)電。線性菲涅爾式熱發(fā)電系統(tǒng)較簡(jiǎn)單,反射鏡可采用平板式鏡面,成本較低,但系統(tǒng)效率也低。該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單,傳動(dòng)機(jī)構(gòu)易于操作,集熱管可采用鋼制管材,因而成本比槽式系統(tǒng)低。世界上目前在運(yùn)行的最大的菲涅爾式光熱發(fā)電站，30 MW的Puerto Errado 2光熱電站在西班牙運(yùn)行情況良好[10-11]。線性菲涅爾式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)原理圖見(jiàn)圖4。

圖4 線性菲涅爾式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)原理圖

線性菲涅爾式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)：

1) 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，用地效率高；

2) 因主反射鏡采用平直或微彎的條形鏡面，二次反射鏡與拋物槽式反射鏡類似，生產(chǎn)工藝成本、反射鏡成本低，清洗成本低。

3) 集熱器管道固定主反射鏡跟蹤太陽(yáng)而運(yùn)動(dòng)，相比槽式裝置，減少了很多管道的運(yùn)動(dòng)密封問(wèn)題。

4) 吸熱管無(wú)需進(jìn)行類似槽式裝置吸熱管那樣的真空處理，降低了技術(shù)難度和成本。

線性菲涅爾式太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的缺點(diǎn)：

1) 聚光比較低，運(yùn)行溫度不高、系統(tǒng)熱電轉(zhuǎn)換效率不高；

2) 當(dāng)前菲涅爾式系統(tǒng)采用水工質(zhì)傳熱，無(wú)儲(chǔ)熱系統(tǒng)。

2 國(guó)際太陽(yáng)能光熱發(fā)電發(fā)展?fàn)顩r

目前，全球光熱發(fā)電總裝機(jī)規(guī)模約為5 GW，其中，槽式光熱電站約占4.5 GW，占比90%左右。圖5是近年來(lái)全球光熱發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量變化表[4]。

圖5 全球太陽(yáng)能發(fā)電行業(yè)裝機(jī)容量變化[12]

當(dāng)前，全球太陽(yáng)能光熱發(fā)電市場(chǎng)呈現(xiàn)出美國(guó)、西班牙裝機(jī)總量領(lǐng)跑，新興市場(chǎng)光熱發(fā)電裝機(jī)量開(kāi)始增加，整個(gè)產(chǎn)業(yè)在全球范圍呈現(xiàn)蓬勃發(fā)展的局面。目前，全球多個(gè)國(guó)家正陸續(xù)加入光熱發(fā)電項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的隊(duì)伍中來(lái)，表1是截止2017年11月，世界各國(guó)已建成和在建的太陽(yáng)能光熱項(xiàng)目。

表1 全球太陽(yáng)能光熱項(xiàng)目列表[12]

3 我國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電行業(yè)發(fā)展?fàn)顩r

我國(guó)幅員遼闊，有著十分豐富的太陽(yáng)能資源，陸地表面每年接受的太陽(yáng)輻射能約為50×1018kJ。從全國(guó)太陽(yáng)年輻射總量的分布來(lái)看，西藏、青海、甘肅、新疆、內(nèi)蒙古南部等廣大地區(qū)的太陽(yáng)輻射總量很大。中國(guó)光熱發(fā)電的資源潛力高達(dá)6TW，而美國(guó)是15TW，西班牙是0.72TW，但我國(guó)光熱發(fā)電行業(yè)行業(yè)發(fā)展緩慢，僅2013年有中控集團(tuán)的德令哈1萬(wàn)kW項(xiàng)目投入運(yùn)行。

根據(jù)中國(guó)氣象局風(fēng)能太陽(yáng)能資源中心統(tǒng)計(jì)，中國(guó)擁有太陽(yáng)能法向直接輻射量DNI>1 700 kWh/m2的可利用土地約94萬(wàn)km2，這些土地基本上都是戈壁、沙漠。如果利用10萬(wàn)平方公里的土地建設(shè)光熱發(fā)電廠的話，年發(fā)電量可達(dá)54 000億kWh，若按發(fā)電利用小時(shí)數(shù)為4 000 h計(jì)算，總裝機(jī)容量約為13.5億kW[13]。我國(guó)部分DNI值見(jiàn)表2。

表2 我國(guó)部分地區(qū)DNI值

2016年9月14日，國(guó)家能源局正式發(fā)布了《國(guó)家能源局關(guān)于建設(shè)太陽(yáng)能熱發(fā)電示范項(xiàng)目的通知》，確定第一批20個(gè)太陽(yáng)能熱發(fā)電示范項(xiàng)目名單，首批20個(gè)光熱示范項(xiàng)目分布于甘肅(9個(gè))、青海(4個(gè))、河北(4個(gè))、內(nèi)蒙古(2個(gè))、新疆(1個(gè))五地，這些地區(qū)全年日照時(shí)數(shù)約在3 000 h以上，基本都屬于我國(guó)太陽(yáng)能資源較為豐富的地區(qū)。

20個(gè)光熱項(xiàng)目當(dāng)中有9個(gè)塔式電站，7個(gè)槽式電站和4個(gè)菲涅爾電站，總裝機(jī)134.9萬(wàn)kW光熱項(xiàng)目，各項(xiàng)目的裝機(jī)容量大部分在50 MW左右。截至2018年5月1日，有16個(gè)項(xiàng)目處于建設(shè)和規(guī)劃階段，其中5個(gè)項(xiàng)目可在2018年12月底進(jìn)行投運(yùn)。

4 技術(shù)路線對(duì)比

在西班牙已運(yùn)行的50個(gè)電站當(dāng)中，46個(gè)電站采用槽式導(dǎo)熱油傳熱，全球最大的裝機(jī)280 MW的美國(guó)Solana光熱電站采用的也是槽式導(dǎo)熱油技術(shù)，說(shuō)明槽式導(dǎo)熱油技術(shù)是目前成熟的光熱發(fā)電技術(shù)。

雖然塔式熔鹽技術(shù)發(fā)展較晚，但其競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)和發(fā)展?jié)摿σ褟V受行業(yè)認(rèn)可，在新開(kāi)發(fā)的塔式項(xiàng)目中，包括摩洛哥NOOR3電站、南非Redstone電站等項(xiàng)目都采用了塔式熔鹽技術(shù)，美國(guó)五大光熱電站中裝機(jī)110 MW的Crescent Dunes電站，是全球第一個(gè)超過(guò)100 MW的光熱電站。表3是4種光熱發(fā)電工藝的優(yōu)、缺點(diǎn)對(duì)比。

表3 光熱發(fā)電技術(shù)路線對(duì)比[11]

目前國(guó)內(nèi)首批的20個(gè)光熱電站項(xiàng)目中，有4個(gè)選擇退出，其余16個(gè)光熱電站中，7個(gè)采用塔式熔鹽技術(shù)，5個(gè)采用槽式導(dǎo)熱油路線，2個(gè)采用槽式熔鹽路線，1個(gè)采用菲涅爾式水工質(zhì)路線，蘭州大成采用菲涅爾式熔鹽路線。表4是16個(gè)光熱項(xiàng)目技術(shù)路線表[14]。

首批16個(gè)項(xiàng)目當(dāng)中，幾乎所有項(xiàng)目都采用熔鹽進(jìn)行儲(chǔ)熱，說(shuō)明目前熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)是主流。熔鹽儲(chǔ)熱傳熱的關(guān)鍵技術(shù)包括對(duì)低溫熔鹽的開(kāi)發(fā)、高溫傳熱儲(chǔ)熱材料的制備以及熔鹽傳儲(chǔ)熱系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計(jì)與布置。

根據(jù)我國(guó)的環(huán)境條件，因我們DNI(太陽(yáng)法向直射輻射強(qiáng)度)值小于西班牙、摩洛哥等國(guó)，且冬季溫度較低(甘肅玉門(mén)最低至-35 ℃)，美國(guó)內(nèi)華達(dá)州的冬季溫度在0 ℃左右， 在冬季，我國(guó)的光熱電站運(yùn)行相對(duì)西班牙和美國(guó)同類電站較為困難，根據(jù)對(duì)比我國(guó)和西班牙、美國(guó)的環(huán)境條件，筆者認(rèn)為在國(guó)內(nèi)首批16個(gè)光熱項(xiàng)目中，槽式導(dǎo)熱油路線、塔式熔鹽路線均可行，槽式熔鹽路線和菲涅爾式熔鹽路線不可行，理由主要是：

表4 首批16個(gè)光熱項(xiàng)目技術(shù)路線表

1) 熔鹽的關(guān)鍵指標(biāo)主要是熔點(diǎn)、雜質(zhì)含量及化學(xué)穩(wěn)定性，理想的熔鹽要求具有較高的使用溫度、低熔點(diǎn)、低雜質(zhì)含量、高熱穩(wěn)定性、高比熱容、高對(duì)流傳熱系數(shù)、低黏度、低飽和蒸汽壓，我國(guó)當(dāng)前對(duì)光熱電站所使用熔鹽的測(cè)試方法、測(cè)試項(xiàng)目、組分指標(biāo)的要求尚沒(méi)有統(tǒng)一的衡量標(biāo)準(zhǔn)，市場(chǎng)上熔鹽魚(yú)龍混雜，質(zhì)量有高有低。

2) 熔鹽的凍堵、腐蝕問(wèn)題一直阻礙其在槽式電站集熱管上的應(yīng)用，目前尚未得知熔鹽在管路內(nèi)長(zhǎng)時(shí)間的冷凝和熔化對(duì)管路有多大的影響。國(guó)外已運(yùn)行的電站也沒(méi)有直接應(yīng)用熔鹽傳熱的槽式工藝。所以，槽式熔鹽工藝可以作為研究開(kāi)發(fā)，但直接應(yīng)用于工業(yè)裝置，還有很長(zhǎng)的一段路需要走。

塔式DSG技術(shù)也有很廣闊的發(fā)展前景，主要是因?yàn)樵谄胀ㄥ仩t的水冷壁管道中，水汽兩相共存，鍋爐能夠保證長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，并且在超臨界鍋爐的水冷壁管道內(nèi)，水質(zhì)工況更為惡劣，超臨界鍋爐也能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，既然超臨界鍋爐中應(yīng)用水工質(zhì)沒(méi)有問(wèn)題，那么塔式電站應(yīng)用水工質(zhì)也沒(méi)有太大的問(wèn)題，美國(guó)Ivanpah電站采用的就是塔式水工質(zhì)技術(shù)。塔式水工質(zhì)技術(shù)的缺點(diǎn)就在于無(wú)儲(chǔ)熱系統(tǒng)，在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)，隨著技術(shù)的發(fā)展，配備儲(chǔ)熱系統(tǒng)塔式DSG電站能穩(wěn)定調(diào)控管道內(nèi)的蒸汽狀況，那樣塔式DSG光熱電站就會(huì)有較大的發(fā)展。