太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)介紹及站址選擇

中機(jī)華信誠(chéng)電力工程有限公司 ■ 宋紅 張慶寶

0 引言

隨著全球化石能源日漸枯竭、環(huán)保問題日益嚴(yán)峻，人類對(duì)清潔的可再生能源的重視程度越來越高。太陽能熱發(fā)電是清潔、無污染的綠色能源，而且?guī)?chǔ)熱功能的太陽能熱發(fā)電站能夠使吸收能量和發(fā)電過程解耦，根據(jù)用電負(fù)荷和電網(wǎng)調(diào)度要求發(fā)電，且發(fā)電量穩(wěn)定，能很好地解決風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電存在的波動(dòng)性和不確定性的問題，因此越來越受到重視。太陽能熱發(fā)電站還能替代傳統(tǒng)火力發(fā)電，作為基礎(chǔ)能源，起到削峰填谷、調(diào)峰調(diào)頻的作用。

為了推動(dòng)太陽能熱發(fā)電技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，2016年，國(guó)家能源局公布確定了第一批太陽能熱發(fā)電示范項(xiàng)目。首批示范項(xiàng)目共計(jì)20個(gè)，總裝機(jī)容量達(dá)到134.9萬kW。隨著國(guó)家政策的支持和太陽能熱發(fā)電特有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，太陽能熱發(fā)電在未來一個(gè)時(shí)期內(nèi)必將快速發(fā)展[1-2]。

本文對(duì)目前已經(jīng)商業(yè)化的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行了介紹和對(duì)比，并討論了帶儲(chǔ)熱的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)站址選擇應(yīng)該注意的問題。

1 太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)

太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能，通過熱-功轉(zhuǎn)換過程發(fā)電的系統(tǒng)[3]。目前已經(jīng)商業(yè)化應(yīng)用的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，按聚光形式可分為4類，分別是：塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)、槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)、菲涅爾式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)和碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)[4]。

1.1 塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)

塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本形式是利用獨(dú)立跟蹤太陽的定日鏡組，將太陽光反射、聚集到固定在塔頂?shù)奈鼰崞魃希訜嵛鼰崞髦械膶?dǎo)熱介質(zhì)，然后直接或通過熱交換器產(chǎn)生過熱蒸汽或高溫氣體，驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組或燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，從而將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的示意圖如圖1所示[5]。在國(guó)家能源局公布的首批示范項(xiàng)目中，首航節(jié)能敦煌100MW太陽能熱發(fā)電站即為塔式太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目。

圖1 塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)示意圖

塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)為點(diǎn)聚焦，聚光倍數(shù)一般為300～1000倍。單塊定日鏡面積的取值范圍較廣，一般在1.2～120 m2之間，定日鏡的面積大、小各有優(yōu)缺點(diǎn)，主要取決于電站規(guī)模和設(shè)計(jì)者的關(guān)注點(diǎn)。塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的塔高范圍是50 ～200 m，電站規(guī)模越大，塔的高度越高。塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的傳熱介質(zhì)一般為熔鹽或水，儲(chǔ)熱介質(zhì)一般為熔鹽；其中，傳熱介質(zhì)為熔鹽的系統(tǒng)的運(yùn)行溫度一般低于570 ℃。

除了傳統(tǒng)的塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，在國(guó)家能源局確定的首批太陽能熱發(fā)電示范項(xiàng)目中，玉門鑫能 50MW太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目屬于二次反射塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。

二次反射塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)與傳統(tǒng)的塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的區(qū)別在于該系統(tǒng)吸熱器放置在地面上，定日鏡場(chǎng)反射的太陽光先聚集到定日鏡場(chǎng)中央的二次反射鏡上，經(jīng)過再次反射后，再聚集到吸熱器上。二次反射塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的吸熱器像一口大鍋，其結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的管屏式吸熱器也不相同。該吸熱器最大的優(yōu)點(diǎn)是可以避免熔鹽在吸熱器中的凍堵和復(fù)雜的控制問題。二次反射塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的示意圖如圖2所示。

圖2 二次反射塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)示意圖

1.2 槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)

槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本形式是利用槽式拋物面反射鏡，將太陽光反射、聚集到位于拋物面焦點(diǎn)所在直線的集熱管上，加熱集熱管中的導(dǎo)熱介質(zhì)，然后直接或通過熱交換器產(chǎn)生過熱蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電，從而將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。槽式拋物面反射鏡與集熱管位置相對(duì)固定，沿著同一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸隨著太陽位置的變化而旋轉(zhuǎn)追蹤太陽。槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)示意圖如圖3所示[6]。

圖3 槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)示意圖

槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)為線聚焦，聚光倍數(shù)一般為50～80倍。反射鏡的開口寬度范圍為5.1～7.5 m，開口越大，聚光倍數(shù)越高，集熱效果越好，因此，電站設(shè)計(jì)者不斷開發(fā)更大開口尺寸的反射鏡。但是隨著開口的增大，對(duì)驅(qū)動(dòng)太陽能集熱器(包括吸熱管、反射鏡和支架)的電機(jī)的要求也越來越高。槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的傳熱介質(zhì)一般為導(dǎo)熱油或水，儲(chǔ)熱介質(zhì)一般為熔鹽；其中，傳熱介質(zhì)為導(dǎo)熱油的系統(tǒng)的運(yùn)行溫度一般低于400 ℃。

槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是目前國(guó)際上商業(yè)化運(yùn)行最多的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。在國(guó)家能源局確定的首批示范項(xiàng)目中，中廣核德令哈50MW太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目就屬于槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。

1.3 菲涅爾式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)

菲涅爾式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的原理與槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)相近，其基本形式是利用菲涅爾式反射鏡(見圖4[7])，將太陽光反射、聚集到集熱管上，加熱集熱管中的導(dǎo)熱介質(zhì)，然后直接或通過熱交換器產(chǎn)生過熱蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電，從而將太陽能轉(zhuǎn)化為電能。為了增加反射光的利用率，在吸熱管上方通常增加二次反射鏡。超出吸熱管邊界的反射光，被二次反射鏡再次反射后，入射到吸熱管上。

圖4 菲涅爾式反射鏡聚光器示意圖[7]

菲涅爾式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)也是線聚焦，聚光倍數(shù)一般為50～80倍。該系統(tǒng)的傳熱介質(zhì)一般為水、導(dǎo)熱油或熔鹽，儲(chǔ)熱介質(zhì)一般為熔鹽或混凝土。

由于傳統(tǒng)的菲涅爾式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的效率與塔式和槽式系統(tǒng)相比較低，因此國(guó)外商業(yè)化運(yùn)行的菲涅爾式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)很少。目前在國(guó)內(nèi)，北京兆陽光熱技術(shù)有限公司改進(jìn)了菲涅爾式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的集熱場(chǎng)，使其聚光倍數(shù)可以達(dá)到130～200倍，并結(jié)合低成本的混凝土儲(chǔ)熱技術(shù)建設(shè)了太陽能熱發(fā)電站。雖然改進(jìn)后的系統(tǒng)的效率仍相對(duì)較低，但由于系統(tǒng)可靠、成本更低，因而也有很好的商業(yè)前景。該改進(jìn)型菲涅爾式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的傳熱工質(zhì)為水，系統(tǒng)示意圖如圖5所示[8]。華強(qiáng)兆陽張家口一號(hào)15MWe太陽能熱發(fā)電站工程已經(jīng)建成，并已實(shí)現(xiàn)連續(xù)發(fā)電60 h。

圖5 改進(jìn)型菲涅爾太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)示意圖

1.4 碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)

碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是利用拋物面碟式聚光器將太陽能聚集到焦點(diǎn)處的發(fā)電機(jī)上，通過斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)發(fā)電的系統(tǒng)。碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)由碟式聚光器、太陽光接收器、斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)組成，系統(tǒng)示意圖如圖6所示[9]。

圖6 碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)示意圖

碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是通過斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，與汽輪機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電的塔式、槽式和菲涅爾式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)有明顯不同。碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)有：1)集熱溫度高，最高可達(dá)1000 ℃；2)光電轉(zhuǎn)換效率高，最高可達(dá)30%；3)運(yùn)行時(shí)基本不需要水，適應(yīng)性較強(qiáng)；4)可單臺(tái)發(fā)電，也可多臺(tái)組成碟式太陽能熱發(fā)電場(chǎng)；5)適合于分布式，應(yīng)用靈活；6)基于模塊化構(gòu)造，如果部分部件損壞，僅一部分的發(fā)電能力受到影響，而不會(huì)影響整個(gè)電站的運(yùn)行。該系統(tǒng)的缺點(diǎn)是：1)由于該系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化過程未解耦，導(dǎo)致目前的碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電過程不能儲(chǔ)熱；2)發(fā)電成本較高。

2 不同太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的對(duì)比

不同太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的特性對(duì)比詳情如表1所示[9]。

從表1中的數(shù)據(jù)可知：

1)各類型的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)對(duì)光照資源的要求都很高，這是因?yàn)樘柲軣岚l(fā)電系統(tǒng)只能利用太陽輻射中的法向直接輻射(DNI)，散射輻射毫無用處。因此，太陽輻射中散射占比較大的區(qū)域不適合建設(shè)太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。

表1 不同太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)特性對(duì)比表

2)塔式和碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是點(diǎn)聚焦，聚光比較大，運(yùn)行溫度更高。槽式和菲涅爾式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是線聚焦，聚光比較小，運(yùn)行溫度較低。

3)塔式、槽式和菲涅爾式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)力循環(huán)模式是朗肯循環(huán)(或布雷頓循環(huán))，采用的機(jī)組是蒸汽輪機(jī)(或燃?xì)廨啓C(jī))；而碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)力循環(huán)模式是斯特林循環(huán)，采用的機(jī)組是斯特林機(jī)。這是碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)與其他太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)最大的區(qū)別。

4)關(guān)于系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率，碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)最高，塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)次之，菲涅爾式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)最低。

5)各類型的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)都已經(jīng)商業(yè)化或正在商業(yè)化。國(guó)外已經(jīng)建成的太陽能熱發(fā)電站中，槽式系統(tǒng)最多；國(guó)內(nèi)首批20個(gè)太陽能熱發(fā)電示范項(xiàng)目中，塔式系統(tǒng)最多；低成本混凝土儲(chǔ)熱技術(shù)結(jié)合改進(jìn)型菲涅爾式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，最具商業(yè)開發(fā)潛力。

3 站址選擇

太陽能熱發(fā)電站的站址選擇需考慮多種因素，下文主要從太陽能資源、氣象條件、土地資源、水資源、天然氣資源、電力接入條件、對(duì)外交通運(yùn)輸條件等方面對(duì)太陽能熱發(fā)電站的站址選擇進(jìn)行論述。

由于碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)在發(fā)電原理上與其他類型的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)不同，目前已公布的商業(yè)化應(yīng)用中，該系統(tǒng)不具有儲(chǔ)能特性，且國(guó)家能源局公布確定的第一批20個(gè)太陽能熱發(fā)電示范項(xiàng)目中無碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，所以，下文關(guān)于站址選擇的論述將不涉及此系統(tǒng)。

3.1 太陽能資源

與光伏發(fā)電系統(tǒng)利用太陽全輻射不同，太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)只能利用太陽輻射中的DNI，而太陽輻射中的散射輻射則不能被太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)利用。因此，DNI是太陽能熱發(fā)電站站址選擇首先要考慮的事項(xiàng)，DNI值的大小直接決定著項(xiàng)目的可行性和經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)相關(guān)報(bào)道[5]，年累計(jì)太陽DNI值與太陽能熱發(fā)電站站址選擇的關(guān)系如表2所示。

表2 年累計(jì)太陽DNI值與站址選擇的關(guān)系

按照國(guó)家能源局2015年發(fā)布的《關(guān)于組織太陽能熱發(fā)電示范項(xiàng)目建設(shè)的通知》中的要求，申報(bào)示范項(xiàng)目的場(chǎng)址年累計(jì)DNI值不應(yīng)低于1600 kWh/(m2·a)。根據(jù)經(jīng)濟(jì)測(cè)算，太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的平準(zhǔn)化度電成本(LCOE)與DNI值成反比，每m2的DNI值提高100，系統(tǒng)LCOE將減少4.5%。因此，DNI值高的地區(qū)自然是太陽能熱發(fā)電站選址的首要考慮因素。

3.2 氣象條件

氣象條件也是影響站址選擇的重要因素。氣象條件包括環(huán)境溫度、風(fēng)速、云量(片云)等，而這些是影響太陽能熱發(fā)電站有效發(fā)電時(shí)數(shù)、發(fā)電效率及設(shè)備運(yùn)行可靠性的重要指標(biāo)。

1)環(huán)境溫度低時(shí)，其與系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的溫差大，這對(duì)汽輪機(jī)的風(fēng)冷冷凝機(jī)組降低能耗是有利的。但是，若環(huán)境溫度過低(特別是冬季)，會(huì)增加吸熱器的熱量損失，降低吸熱器的轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)而降低整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率。此外，為避免熔鹽凍堵或?qū)嵊屠淠枰獙?duì)管道等傳熱系統(tǒng)進(jìn)行保溫和輔助加熱，溫度過低會(huì)增加輔助加熱系統(tǒng)的能量消耗，增加廠用電率，減小上網(wǎng)電量。

2)風(fēng)速對(duì)太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的影響有兩個(gè)方面：一方面，為了保證太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)在大風(fēng)時(shí)的運(yùn)行精度和穩(wěn)定性，需要對(duì)定日鏡或聚光器的支架進(jìn)行加固，如此就增加了材料用量，提高了系統(tǒng)成本。另一方面，吸熱器或吸熱管表面的熱量損失隨著風(fēng)速的增大而增加，造成系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率降低。目前太陽能熱發(fā)電站聚光器設(shè)計(jì)的工作風(fēng)速一般取14 m/s(6級(jí)風(fēng))，如果超過此風(fēng)速，即使太陽能資源非常好，也不能被太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)利用。

3)云量(片云)對(duì)太陽能熱發(fā)站發(fā)電量的影響非常大，特別是塔式太陽能熱發(fā)電站。如果頻繁的出現(xiàn)片云，為避免吸熱器損壞，太陽能熱發(fā)電站的聚光系統(tǒng)需要頻繁的啟停，造成啟停過程中太陽能資源不能被有效利用，進(jìn)而影響太陽能熱發(fā)電站的發(fā)電量；同時(shí)，系統(tǒng)的頻繁啟停會(huì)降低吸熱器的使用壽命。

3.3 土地資源

站址選擇時(shí)，對(duì)土地資源需要從土地性質(zhì)、土地坡度和土地面積3方面進(jìn)行考慮。

1)土地性質(zhì)。在符合土地利用總體規(guī)劃的前提下，優(yōu)先使用荒灘、荒漠等難以利用及不適宜農(nóng)業(yè)、生態(tài)、工業(yè)開發(fā)的土地，盡量不占用或少占用耕地。

2)土地坡度。太陽能熱發(fā)電站對(duì)土地的平坦程度要求較高，應(yīng)選擇斜坡較少、盡量平坦的土地。不同類型的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)對(duì)土地的坡度要求也不相同，具體要求如表3所示。這是因?yàn)橥恋仄露冗^大，超過要求限制時(shí)，會(huì)大幅增加電站的建設(shè)成本。

3)土地面積。太陽能熱發(fā)電站的占地面積與項(xiàng)目的成本有較大關(guān)系，占地面積越大，征地越多，投資成本越高。對(duì)于太陽能熱發(fā)電站而言，在系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率一定的情況下，發(fā)電量與接收的太陽DNI值成正比。因此，要想增加發(fā)電量就必須增加反射鏡的鏡面面積，以收集更多的太陽DNI。所以，太陽能熱發(fā)電站的太陽島(聚光場(chǎng))占地面積都非常大。此外，在電站規(guī)模相同時(shí)，不同類型的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的占地面積也不相同，塔式和二次反射塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的占地面積相對(duì)更大，槽式和菲涅爾式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的占地面積相對(duì)較小。不同類型電站的土地利用率對(duì)比情況如表3所示。

表3 土地坡度及土地利用率要求對(duì)比表

3.4 水資源

水資源是太陽能熱發(fā)電站運(yùn)行時(shí)需要消耗的資源。水資源的主要用途有：汽輪機(jī)蒸汽循環(huán)用水、凝汽器冷卻用水、鏡面清洗用水等。由于太陽能熱發(fā)電站運(yùn)行時(shí)耗水量較大，因此，在站址選擇時(shí)，必須確保站址周圍是否有充足、穩(wěn)定的供水條件。

為了減少太陽能熱發(fā)電站的用水量，在電站設(shè)計(jì)時(shí)，一般優(yōu)先選用空冷機(jī)組，鏡面清洗方式優(yōu)先選擇干洗。

3.5 天然氣資源

天然氣資源是太陽能熱發(fā)電站建設(shè)和運(yùn)營(yíng)時(shí)需要消耗的另一種重要資源。天然氣的主要用途有：汽輪機(jī)啟動(dòng)、冬季供暖、冬季防凝、熔鹽初始融化等。因此，站址周圍必須具備可靠的天然氣供應(yīng)條件。

3.6 電力接入條件

太陽能熱發(fā)電站的建設(shè)規(guī)模一般在50MW以上，因此，電力系統(tǒng)接入的電壓等級(jí)為110 kV及以上。站址與可接入的升壓站(變電站)之間的距離將直接影響項(xiàng)目的投入成本，所以對(duì)項(xiàng)目的投資收益有十分重要的影響。

此外，項(xiàng)目建設(shè)時(shí)的施工電源及后期廠用電的后備電源需要取自10 kV或35 kV電壓等級(jí)的線路。因此，站址附近要有10 kV、35 kV或以上線路，可供接入。

3.7 對(duì)外交通運(yùn)輸條件

對(duì)外交通運(yùn)輸條件對(duì)太陽能熱發(fā)電站也非常重要。首先，交通運(yùn)輸條件承擔(dān)著電站建設(shè)期間大量的各種類型的設(shè)備材料和人員運(yùn)輸；其次，其承擔(dān)著系統(tǒng)運(yùn)行后人員和普通物流的運(yùn)輸。外部運(yùn)輸所經(jīng)公路等級(jí)、路徑均需要滿足電站建設(shè)和運(yùn)營(yíng)時(shí)對(duì)外運(yùn)輸?shù)囊蟆ｋ娬倦x主干公路的距離、主干公路的等級(jí)、主干公路的路徑等因素可作為衡量站址交通運(yùn)輸條件的指標(biāo)[10]。

4 結(jié)語

本文介紹了4種已經(jīng)投入商業(yè)化應(yīng)用或正在商業(yè)化應(yīng)用的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，對(duì)不同類型的系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比和總結(jié)，并論述、分析了帶儲(chǔ)熱的太陽熱發(fā)電系統(tǒng)的站址選擇的注意事項(xiàng)，可為太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目的開發(fā)、設(shè)計(jì)提供參考。