光伏與光熱發電發展前景對比分析

高 博，盧衛青，羅亞橋，李遠松，鄭國強

(1.國網安徽省電力公司電力科學研究院，安徽合肥230601；2.安徽水利水電職業技術學院，安徽合肥230601)

光伏與光熱發電發展前景對比分析

高 博1，盧衛青2，羅亞橋1，李遠松1，鄭國強1

(1.國網安徽省電力公司電力科學研究院，安徽合肥230601；2.安徽水利水電職業技術學院，安徽合肥230601)

太陽能發電分為光伏發電和光熱發電，兩種發電方式有著諸多的不同之處。從發電方式、應用領域、儲能方式、發電可調度性以及經濟性等方面對兩種發電方式展開對比研究，找出兩者的優缺點，分析兩種發電方式的發展前景。

光伏發電;光熱發電;儲能;可調度性;經濟性

隨著煤炭、石油等化石能源的逐漸枯竭，傳統火力發電也逐漸面臨著燃料短缺的問題，因此迫切需要新的可再生能源來代替傳統的發電方式。而太陽能作為當今世界可再生能源領域中最清潔、最直接、最有大規模開發利用前景的發電方式之一，是實現向用戶提供“綠色電力”，實現我國“節能減排”目標的重要舉措[1]。我國太陽能資源儲量豐富，理論年儲量為1.7×1012標準煤，大多地區年平均日輻射量在4(kW·h)/m2以上，西北地區日輻射量可達7(kW·h)/m2，日照時間超過2 000 h/年，因此太陽能的開發在我國具有得天獨厚的自然條件[2-3]。

根據發電方式的不同，太陽能發電可分為光伏和光熱發電兩種，本文分別從發電方式、應用領域、儲能方式、發電可調度性以及經濟性等方面對兩者進行對比分析，以期找出各自的優缺點，分析兩種發電方式的發展前景。

1 光伏發電

光伏發電的原理是當太陽光照射到太陽電池上時，電池吸收光能，產生光生伏打效應，在電池的兩端出現異號電荷積累，若引出電極并接上負載，便有功率輸出[4]。

光伏發電相比于傳統發電方式，具有無污染、無噪聲的特點，其發電過程不需要消耗化石燃料也不需要進行機械操作，不會對大氣產生污染，是一種可持續的能源利用方式。該種發電方式有以下幾個主要優點：(1)不受地理位置的影響，有光照就可以利用光伏發電，而且太陽能理論上講是取之不盡、用之不竭的；(2)光伏發電電能可以就近消納，不需長距離輸電，這樣就節約了輸電成本；(3)光伏發電不消耗燃料，不污染空氣、不產生噪聲，不受能源危機的限制，是綠色可再生能源；(4)光伏發電方式過程簡單，不需要中間介質，對水的需求少，可以在荒漠上使用，另外若和建筑物結合，則可以節省土地資源；(5)光伏發電組件結構簡單，方便運輸及建設安裝，組件使用壽命較長，維護成本較低。

但光伏發電方式本身也有不少缺點：(1)光伏發電受太陽光的影響，發電功率波動較大，當出現陰天或者晚上時，則沒有發電功率輸出；(2)光伏發電現階段光伏發電存儲成本較高，若要光伏發電大規模應用到電網中，必須要能大規模存儲，這樣就限制了光伏發電的電網接入規模；(3)光伏發電是直接把光能轉換成電能，雖然減少了中間環節，但是卻因為缺少中間環節而減少了光伏發電的應用領域，如不能像傳統燃煤發電可以提供熱能等。

2 光熱發電

太陽能光熱發電首先是利用聚光太陽能集熱器把太陽輻射能聚集起來，然后利用能量將某種工質加熱到數百攝氏度，并以此工質來驅動發電機發電的一項太陽能利用技術[5]。光熱發電按所加熱介質的溫度高低分為高溫發電和低溫發電。

2.1 高溫太陽能光熱發電

高溫發電是通過聚焦太陽光產生高溫，加熱工質進而推動汽輪機發電的一種發電方式。根據集熱形式的不同，光熱發電可分為槽式、塔式、碟式、分立式等。高溫光熱發電系統包括聚光集熱裝置、熱機、發電等3個部分，各種技術的差別主要在于聚光、集熱方式不同[6]。

2.1.1 塔式光熱發電系統

塔式系統是利用多臺平面反射鏡，將太陽輻射反射集中到1個高塔頂部的接收器上，將轉換成熱能后傳給工質，經過蓄熱裝置，再輸入熱動力機，帶動發電機發電[5]。塔式技術采用聚焦方式，聚光比較高，溫度可達1 000℃以上，但目前投資成本約為4萬元/kW，占地面積約為1 000畝/10 MW。塔式光熱發電系統如圖1所示。

圖1 塔式光熱發電

2.1.2 槽式光熱發電系統

槽式發電系統的聚光鏡為槽型拋物面，細長型的管狀集熱器被固定在聚光鏡的焦點線上，工質在集熱管內被加熱，為線聚焦，多個槽式聚光集熱器用串并聯方式組合起來，然后在換熱器內產生高溫高壓蒸汽，從而推動汽輪機發電。槽式光熱發電系統如圖2所示。目前，國際上已投運或在建的光熱發電站中，槽式光熱發電系統較多。

圖2 槽式光熱發電

2.1.3 碟式光熱發電系統

碟式光熱發電是利用旋轉拋物面聚光鏡將太陽光聚集在集熱器上，集熱器內的工質被加熱從而驅動斯特林機或布雷頓機做功發電的一種發電方式，其示意圖如圖3所示。這種模式的光熱發電系統自身效率很高，可達30%，是以上幾種發電方式里效率最高的。碟式裝置聚光鏡面和焦點相對位置固定，和塔式技術相比，聚光鏡的直徑和焦距均較小，光斑和像散不大，聚光效率較高。碟式技術為點聚焦，集熱器單位面積上接受到的能量很高，集熱器內的工質被加熱到750～2 000℃。難以像槽式技術一樣采用串并聯方式、用軟管將單個聚光集熱器加熱的工質集中輸送到熱機處做功發電，必須給每個碟式單機配置透平或斯特林裝置。另外，因為碟式系統的聚光點處溫度可達2 000℃，但工質不能在這么高的溫度下工作，因此接收點不設置在聚光點上，太陽能的利用還不充分。

圖3 碟式光熱發電

2.1.4 分立式光熱發電系統

分立式光熱發電系統的聚光鏡為高次曲面鏡，其跟蹤方式采用自旋+仰角技術，有效減小聚光鏡的像散，聚光效率高。各聚光鏡采用同步雙軸跟蹤，和塔式技術的獨立跟蹤相比，驅動系統簡化。集熱器吸收槽式發電技術串并聯布置的特點，可配置單機功率較高的汽輪機，提高了汽輪機的效率和經濟性。但高次曲面鏡加工難度高，價格昂貴[6]。

2.2 低溫太陽能光熱發電

低溫太陽能光熱發電過程是利用有機工質低沸點蒸發的熱物理性質，經蒸發器與低溫熱源換熱，蒸發為飽和或者過熱蒸汽推動膨脹機做功，將低品位熱能轉化為機械能，并拖動發電機發電[7]。傳統火電廠和高溫太陽能光熱發電都是采用以水蒸氣為介質的朗肯循環，而低溫太陽能發電是以低沸點有機物為工質的朗肯循環[8]。兩者的最大區別在于所采用的工質不同。

3 光伏和光熱發電的對比分析

從以上介紹情況可知，光伏發電和光熱發電的基本原理完全不同，這樣就造成兩種發電方式有很多的不同，對于電網來講，也會有很大的影響，兩者的不同可以從以下幾個方面展開分析。

3.1 應用的地域不同

光伏發電和光熱發電對太陽能輻照的要求不同，光熱發電對太陽輻照的要求更高，尤其是高溫光熱發電，一般采用DNI(直接輻照強度)來衡量某地區是否適宜建設光熱電站，而光伏發電一般則采用GHI(地表總輻射值)來衡量即可，同樣一個地方，DNI的總量一般為GHI總量的65%～85%。這是因為光伏發電對光照的要求低，即便是散射光也可用來發電，而光熱發電由于對工作溫度要求較高，只有直射光照才可以滿足運行要求。所以這也就決定了兩者的應用地域有所不同，在太陽能輻照不高的地方，可以建設光伏電站，未必就適合建設光熱電站。

3.2 應用的領域不同

從能量轉化的過程看，光伏發電僅需要經過光電一次轉換即可，而光熱發電則需要經過光導熱再到電的二次轉換。這雖增加了系統集成的難度，但熱量發生作為光熱電站運行的一個中間環節，也擴大了光熱發電技術的應用領域。比如可以利用其產生的過熱蒸汽與傳統的燃煤電廠、燃氣電廠或生物質能電廠進行混合發電。另外，其產生的熱也可作為副產品進行海水淡化、工業用熱等領域。

3.3 能量存儲方式不同

在能量的存儲方面，光熱發電優勢明顯，光伏發電一般只能采用蓄電池存儲的方式，光熱發電有熱量的轉換過程，可以采用熱量的存儲方式。熱量的存儲要比電能的存儲方便得多，熱量的存儲技術也比電能的存儲技術成熟且廉價得多。

3.4 應用的前景不同

由于光伏電池自身的特性，光伏發電具有較大的不穩定性，目前儲能技術不能保證大規模地存儲電能，無法平滑地輸送給電網，這就造成電網不可能無限制地接納光伏發電。而光熱發電，由于熱量存儲的方便性，就像常規火力發電機組一樣，在電網需求的前提下，可以無限制地接納。從這一層面上考慮，光熱發電比光伏發電有更廣闊的應用前景。

3.5 發電的可調度性不同

3.5.1 對電網負荷波動的響應不同

由于光伏發電受光照的影響較大，夜晚以及陰天時發電受限，另外，現階段光伏電站普遍還未配有大規模存儲設備，這就造成光伏發電的不穩定性，無法正常滿足電網不斷波動的負荷，這會對電網的運行造成很大的挑戰。圖4為某地區日負荷曲線圖，每15 min一個負荷點，對應圖中的橫軸是從0點至24點的負荷值，圖中負荷最高點出現在下午18：00，而對應的此時正是太陽落山時，日照較少，發電量肯定較小，若僅靠光伏發電來提供負荷，肯定無法滿足要求。

圖4 某地區日負荷曲線圖

光熱發電則可以利用熱量的存儲技術，能平滑地輸出其功率，可以像火電一樣并入電網，滿足電網負荷不斷波動的需求，不會對電網的運行產生不利的影響。

3.5.2 旋轉備用問題

在電網方面，當光伏大規模接入，占有全網發電負荷一定比例后，為了保障電網的安全穩定運行，電網方面必須考慮全網的旋轉備用問題，以防止光伏發電功率的波動對電網造成影響。備用的必須成一定的比例，30%備用或50%備用等，這就造成很大的浪費情況，現階段電網備用一般為火電機組，光伏發電雖然為清潔能源，但旋轉備用機組卻需要同時燃燒大量相當的煤來維持旋轉備用以保證光伏發電大規模接入后電網的安全穩定運行。這樣一方面會對電網安全穩定運行造成影響，另一方面也并沒有達到節能減排的目的，還造成了巨大的浪費。

3.5.3 削峰填谷的作用

光伏發電由于其儲存難度較大，并不能實現削峰填谷的作用。而光熱發電不同，熱量發生作為光熱電站運行的一個中間環節，可以方便地實現存儲以及重復利用，使其可以像抽水蓄能電站一樣充當電網的調度電力來源。利用峰谷電價的差異，在谷電價時加熱儲能，在峰電價時放熱發電，從而達到削峰填谷的作用，有利于電網的穩定運行，并且也節能環保。

3.6 經濟性對比

從光熱發電的幾種發電方式的成本對比來看，成本電價最便宜的是槽式發電，技術也最成熟，槽式光熱發電的保本電價在1.6～1.7元/kWh，而光伏發電的保本電價在1.28元/kWh。光熱發電成本比光伏發電要高很多。但是，以上電價的計算過程中并未考慮光伏儲能的成本，太陽能光熱發電可以利用500℃以上熔融鹽作為蓄熱介質，儲存的能量在1×106kW·h以上，比利用蓄電池的光伏發電的能量存儲成本低一個數量級。從電網的需求看，若要大規模接入新能源發電，必須要求有相應的儲存，以滿足電網調度。所以光伏發電的經濟成本還需考慮這方面的費用，綜合計算，其電價成本還要提高一個等級。

而且，光熱發電技術現在還在工業應用的初級階段，還沒有進入大規模應用階段，在光熱發電技術日趨成熟，工業應用越來越規模化的情況下，光熱發電成本還有很大的下降空間。所以，從長遠看，光熱發電的經濟成本有光伏發電方式不可比擬的優勢。

4 結論

本文對光伏與光熱發電的基本原理進行了介紹，并對兩者的應用地域、應用領域、發電可調度性、經濟性進行了對比分析，從分析可以看出：光熱發電在應用領域、能量存儲，發電可調度性等方面都有自身獨特的優勢，但由于光熱發電對太陽能輻射要求較高，其應用地域易受限制；經濟性方面，目前光熱發電成本依然較高，當然，目前光熱發電技術還處在初步應用階段，在其技術上還有很大的發展空間，經濟性上還有很大的降低空間。

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Comparative analysis of development prospect of photovoltaic generation and photo-thermal generation

GAO Bo1,LU Wei-qing2,LUO Ya-qiao1,LI Yuan-song1,ZHENG Guo-qiang1
(1.State Grid Anhui Electric Power Research Institute,Hefei Anhui 230601,China;2.Anhui Water Conservancy Technical College,Hefei Anhui 230601,China)

The photovoltaic generation and photo-thermal generation,which belong to the solar power generation,have many differences.In order to reveal the development prospect of the photovoltaic generation and photo-thermal generation, a detailed comparative analysis on some aspects was made, such as the generation dispatching,application fields,energy storage,generation schedulability,economy,and so on,so that the advantage and disadvantages of them could be summarized.

photovoltaic generation;photo-thermal generation;energy storage;schedulability;economy

TM 615

A

1002-087 X(2017)07-

2016-12-06

高博(1981—)，男，安徽省人，高級工程師，主要研究方向為繼電保護、新能源及智能電網技術。