張 爭(zhēng),夏 勇
(長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院,武漢 430212)
傳統(tǒng)的火力發(fā)電是通過(guò)燃燒,把化石中儲(chǔ)存的能量,轉(zhuǎn)化為熱能,再轉(zhuǎn)化為電能。而太陽(yáng)能光熱發(fā)電則是通過(guò)數(shù)量眾多的反射鏡,將太陽(yáng)的直射光聚焦采集,通過(guò)加熱水或者其他工作介質(zhì),將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為熱能,然后利用與傳統(tǒng)的熱力循環(huán)一樣的過(guò)程,即形成高溫高壓的水蒸氣推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組工作,最終將熱能轉(zhuǎn)化成為電能,典型太陽(yáng)能光熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)原理如圖1所示。正是通過(guò)這樣的環(huán)節(jié),太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)和傳統(tǒng)火力發(fā)電技術(shù)順利地集成在一起。由于火力發(fā)電技術(shù)早已非常成熟,從而降低了太陽(yáng)能光熱發(fā)電整體技術(shù)開(kāi)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。更重要的是,利用熱能發(fā)電的形式也使得光熱發(fā)電在能量?jī)?chǔ)存和聯(lián)合發(fā)電方面具有了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),是將來(lái)實(shí)現(xiàn)全天候24小時(shí)連續(xù)發(fā)電的基礎(chǔ)。
太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)主要包括太陽(yáng)能光伏發(fā)電和太陽(yáng)能光熱發(fā)電兩種。光伏發(fā)電的原理是當(dāng)太陽(yáng)光照射到太陽(yáng)能電池上時(shí),電池吸收光能,產(chǎn)生光生伏打效應(yīng),在電池的兩端出現(xiàn)異號(hào)電荷積累,若引出電極并接上負(fù)載,便有功率輸出。
圖1 典型太陽(yáng)能光熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)原理圖
光熱發(fā)電與光伏發(fā)電兩種利用太陽(yáng)能技術(shù)相比較,可得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:
(1)在生產(chǎn)技術(shù)方面,光伏發(fā)電是目前太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的主流技術(shù),較為成熟。
光熱發(fā)電在我國(guó)發(fā)展時(shí)間較短,在太陽(yáng)能聚光方法及設(shè)備、高溫傳熱儲(chǔ)熱、電站設(shè)計(jì)等集成以及控制方面,已經(jīng)取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展,但商業(yè)化業(yè)績(jī)較小。
而中國(guó)在太陽(yáng)能電池制造方面技術(shù)已經(jīng)達(dá)到世界領(lǐng)先水平,然而,上游產(chǎn)業(yè)鏈中的多晶硅提純技術(shù)落后,多晶硅原料基本依賴(lài)進(jìn)口。
(2)在節(jié)能環(huán)保方面,光熱發(fā)電優(yōu)勢(shì)明顯,有望成為解決能源匱乏、應(yīng)對(duì)氣候變暖的有效手段。
光熱發(fā)電是清潔生產(chǎn)過(guò)程,基本采用物理手段進(jìn)行光電能量轉(zhuǎn)換,對(duì)環(huán)境危害極小。太陽(yáng)能光熱發(fā)電站全生命周期的CO2排放僅為13~19g/kWh。
而光伏發(fā)電技術(shù)存在致命弱點(diǎn)為太陽(yáng)能電池在生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)環(huán)境的損耗較大,是高能耗、高污染的生產(chǎn)過(guò)程。業(yè)內(nèi)專(zhuān)家認(rèn)為,太陽(yáng)能電池在生命周期所能節(jié)約的能源與生產(chǎn)太陽(yáng)能電池本身所要消耗的資源相比,并不經(jīng)濟(jì)。雖然短時(shí)間內(nèi)光伏發(fā)電在其技術(shù)較為成熟的條件下,為節(jié)約化石能源做出了貢獻(xiàn),可光伏電池生產(chǎn)過(guò)程中給環(huán)境帶來(lái)的壓力并沒(méi)有納入其制造成本中,長(zhǎng)久來(lái)看,光伏電池生產(chǎn)并非可持續(xù)發(fā)展之道。
(3)在并網(wǎng)及與傳統(tǒng)火電站接軌方面,太陽(yáng)能光熱發(fā)電優(yōu)勢(shì)明顯。
光熱發(fā)電可以在很大程度上解決新能源的并網(wǎng)難題。光熱發(fā)電的一個(gè)顯著特點(diǎn)是其輸出電力穩(wěn)定,電力具有可調(diào)節(jié)性,可以滿(mǎn)足高峰及基礎(chǔ)負(fù)荷電力市場(chǎng)需求。太陽(yáng)能光熱發(fā)電站可以設(shè)計(jì)蓄熱系統(tǒng),在云遮或日落后,蓄存的熱能可以被釋放出來(lái),使汽輪機(jī)持續(xù)運(yùn)行,從而保證輸出電力的穩(wěn)定性,并增加全負(fù)荷運(yùn)行時(shí)數(shù)。此外,太陽(yáng)能光熱發(fā)電站也可以和傳統(tǒng)的蒸汽或聯(lián)合循環(huán)電站整合(混合發(fā)電),利用化石燃料輔助太陽(yáng)能電站的循環(huán)。光熱發(fā)電因?yàn)樵谠砩喜糠峙c火力發(fā)電相似,降低了太陽(yáng)能集熱發(fā)電整體技術(shù)開(kāi)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn),更容易被以火力發(fā)電為主營(yíng)業(yè)務(wù)的發(fā)電集團(tuán)所接受。
而光伏發(fā)電受日光照射強(qiáng)度影響較大,上網(wǎng)后給電網(wǎng)帶來(lái)較大壓力,其發(fā)電形式獨(dú)特,和傳統(tǒng)電廠合并難度大。
太陽(yáng)能光熱發(fā)電的概念最開(kāi)始由太陽(yáng)能?chē)?guó)際組織提出。世界環(huán)境機(jī)構(gòu)決定在印度、埃及、摩洛哥和墨西哥建四座太陽(yáng)能聯(lián)合循環(huán)電站后,太陽(yáng)能與化石燃料混合發(fā)電系統(tǒng)開(kāi)始逐漸得到關(guān)注,并在世界范圍內(nèi)得到了一定的推廣。國(guó)際上許多研究機(jī)構(gòu)對(duì)太陽(yáng)能與化石燃料的結(jié)合方式以及其熱力性能進(jìn)行了大量的理論研究,提出了多種混合熱發(fā)電系統(tǒng)。但總體上主要分為太陽(yáng)能與燃?xì)廨啓C(jī)集成、太陽(yáng)能與蒸汽輪機(jī)集成、太陽(yáng)能重整化石燃料集成三大類(lèi)。國(guó)外針對(duì)太陽(yáng)能與燃?xì)廨啓C(jī)集成發(fā)電系統(tǒng)的性能和優(yōu)化,進(jìn)行了大量研究,該系統(tǒng)主要通過(guò)接收器吸收太陽(yáng)能熱量預(yù)熱空氣實(shí)現(xiàn),最早在CONSOLAR、SOLGATE項(xiàng)目中提出,并快速發(fā)展。伴隨環(huán)境污染問(wèn)題的日益嚴(yán)重以及人們對(duì)節(jié)能減排的重視,太陽(yáng)能重整系統(tǒng)也得到越來(lái)越多的利用,出現(xiàn)了加入化學(xué)鏈、富氧燃燒、太陽(yáng)能煤氣化等一系列新興系統(tǒng)。另外,關(guān)于太陽(yáng)能與蒸汽輪機(jī)集成發(fā)電系統(tǒng)也有一定的研究。如整體太陽(yáng)能聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)(ISCCS)、太陽(yáng)能與傳統(tǒng)燃煤機(jī)組混合發(fā)電等。
1950年,前蘇聯(lián)設(shè)計(jì)了世界上第一座太陽(yáng)能塔式電站,建造了一個(gè)小型試驗(yàn)裝置。70年代,太陽(yáng)電池價(jià)格昂貴,效率較低,相對(duì)而言,太陽(yáng)熱發(fā)電效率較高,技術(shù)比較成熟,因此當(dāng)時(shí)許多工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都將太陽(yáng)熱發(fā)電作為重點(diǎn),投資興建了一批試驗(yàn)性太陽(yáng)能光熱發(fā)電站。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),1981~1991年全世界建造的太陽(yáng)能光熱發(fā)電站(500kW以上)約有20余座,發(fā)電功率最大達(dá)80MW。但20世紀(jì)80年代中后期以后,人們對(duì)建成的太陽(yáng)能光熱發(fā)電站進(jìn)行技術(shù)總結(jié)后認(rèn)為,雖然太陽(yáng)能光熱發(fā)電在技術(shù)上可行,但投資過(guò)大(美國(guó)太陽(yáng)能1號(hào)試驗(yàn)電站投資為1.42億美元),且降低造價(jià)十分困難,所以各國(guó)都改變了原來(lái)的計(jì)劃,使太陽(yáng)能光熱發(fā)電站的建設(shè)逐漸冷落下來(lái)。
美國(guó)和以色列聯(lián)合組成的路茲太陽(yáng)能光熱發(fā)電國(guó)際有限公司,自1980年開(kāi)始進(jìn)行太陽(yáng)熱發(fā)電技術(shù)研究,主要開(kāi)發(fā)槽式太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統(tǒng),5年后奇跡般地進(jìn)入商品化階段。該公司從1985年至1991年在美國(guó)加州沙漠建成9座槽式太陽(yáng)能熱電站,總裝機(jī)容量353.8MW。電站的投資由1號(hào)電站的5 976美元/kW,降到8號(hào)電站的3 011美元/kW,發(fā)電成本從26.5美分/kWh降到8.9美分/kWh。
路絲熱電站的成功實(shí)踐表明,不能簡(jiǎn)單地否定太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù),而應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行研究開(kāi)發(fā),不斷完善,使其早日實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。為此,以色列、德國(guó)和美國(guó)幾家公司進(jìn)行合作,繼續(xù)推動(dòng)太陽(yáng)能光熱發(fā)電的發(fā)展。
一般來(lái)說(shuō),太陽(yáng)能光熱發(fā)電形式有槽式、塔式和碟式(盤(pán)式)三種系統(tǒng) 。其中槽式太陽(yáng)能光熱發(fā)電實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化運(yùn)行,其主要集熱部件是高溫真空太陽(yáng)集熱管。目前高溫真空太陽(yáng)集熱管成熟的生產(chǎn)技術(shù)掌握在以德國(guó)的SCHOTT和SIEMENS等少數(shù)公司手中,并為全球太陽(yáng)能光熱發(fā)電工程提供核心集熱部件。2009年7月啟動(dòng)的“歐洲沙漠行動(dòng)”,堪稱(chēng)為可再生能源領(lǐng)域最具宏偉的計(jì)劃。多個(gè)歐洲財(cái)團(tuán)和企業(yè),計(jì)劃在未來(lái)十年內(nèi)投資4 000億,在中東及北非地區(qū)建立一系列并網(wǎng)的太陽(yáng)能光熱發(fā)電站,來(lái)滿(mǎn)足歐洲15%的電力需求,以及電站所在地的部分電力需求;西班牙的可再生能源規(guī)劃中,設(shè)定了2005~2010年裝機(jī)容量500MW的目標(biāo)。這一目標(biāo)已經(jīng)提前實(shí)現(xiàn)。于是,西班牙部長(zhǎng)會(huì)議在2009年11月通過(guò)決議,提出2010~2013年太陽(yáng)能光熱發(fā)電裝機(jī)容量2 440MW的新目標(biāo)。太陽(yáng)能光熱發(fā)電在可再生能源發(fā)電技術(shù)中具有發(fā)電成本較低、綠色無(wú)污染等特點(diǎn),相信隨著可再生能源技術(shù)的發(fā)展、應(yīng)用的擴(kuò)大,將有著廣闊的市場(chǎng)前景。
目前,國(guó)際上最大的商業(yè)化太陽(yáng)能塔式發(fā)電站是西班牙PS10,裝機(jī)容量為11MW,在建的最大太陽(yáng)能塔式發(fā)電站是西班牙PS20,裝機(jī)容量為20MW。僅2007和2008兩年,世界上太陽(yáng)能光熱發(fā)電的在建裝機(jī)容量是2007年之前20年的8倍,太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。太陽(yáng)能光熱發(fā)電一次投資為2 500~2 900美元/,太陽(yáng)能光熱發(fā)電年效率可達(dá)15%~20%,發(fā)電成本15美分/kWh。隨著技術(shù)和規(guī)模的發(fā)展,有望在2020年其發(fā)電成本達(dá)到4美分/千瓦時(shí)左右。
與國(guó)外光熱發(fā)電技術(shù)在材料、設(shè)計(jì)、工藝及理論方面進(jìn)行了長(zhǎng)達(dá)50多年的研究相比,我國(guó)太陽(yáng)能光熱發(fā)電正處于起步階段,“十一五”規(guī)劃中的863計(jì)劃才有關(guān)于太陽(yáng)能光熱發(fā)電的項(xiàng)目。槽式太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統(tǒng)中的核心部件,如兆瓦級(jí)槽式太陽(yáng)能聚光器、高溫真空太陽(yáng)集熱管、儲(chǔ)熱單元等尚處于研發(fā)階段。
2007年頒布的《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》指出,“十一五”期間,在甘肅敦煌和西藏拉薩建設(shè)大型并網(wǎng)型太陽(yáng)能光伏電站示范項(xiàng)目,在內(nèi)蒙古、甘肅、新疆等地建設(shè)太陽(yáng)能光熱發(fā)電示范項(xiàng)目。到2020年,全國(guó)太陽(yáng)能光伏電站總?cè)萘窟_(dá)到2 000MW,太陽(yáng)能光熱發(fā)電總?cè)萘恳矊⑦_(dá)到2 000MW。隨著國(guó)家相關(guān)新能源法律法規(guī)的頒布,一些示范性項(xiàng)目相繼上馬。如2007年6月1日,在南京的江寧太陽(yáng)能光熱發(fā)電示范(試驗(yàn))系統(tǒng)成功發(fā)電,這是國(guó)內(nèi)首座70MW的太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)突破性的將單位發(fā)電成本控制到0.6元/kWh,成功地跨過(guò)了太陽(yáng)能發(fā)電商業(yè)化應(yīng)用0.6元/kWh的門(mén)檻。
2010年10月20日,位于內(nèi)蒙古鄂爾多斯的50MW槽式太陽(yáng)能光熱發(fā)電特許權(quán)示范項(xiàng)目(下稱(chēng)50MW熱電項(xiàng)目)正式招標(biāo),它標(biāo)志著中國(guó)光熱發(fā)電朝商業(yè)化邁出了重要一步,預(yù)計(jì)最初年發(fā)電量為1.2億kWh。業(yè)界寄望于借助該項(xiàng)目考量國(guó)內(nèi)研發(fā)技術(shù),探索符合國(guó)情的商業(yè)模式并帶動(dòng)市場(chǎng)規(guī)?;l(fā)展。作為全國(guó)首個(gè)太陽(yáng)能商業(yè)化光熱發(fā)電工程項(xiàng)目并未獲得投資者的青睞與追捧,在正式開(kāi)標(biāo)當(dāng)天,僅有3家企業(yè)聯(lián)合體參與了該項(xiàng)目的投標(biāo)。
鄂爾多斯項(xiàng)目是中國(guó)光熱發(fā)電市場(chǎng)化的一個(gè)縮影。起步較晚的光熱發(fā)電離產(chǎn)業(yè)化距離較遠(yuǎn),尚未解決部分關(guān)鍵部件的國(guó)產(chǎn)化問(wèn)題,成本成為了本次招標(biāo)失敗的根本原因。據(jù)鄂爾多斯項(xiàng)目的工程報(bào)告顯示,該項(xiàng)目單位造價(jià)為2.6萬(wàn)元/kW,幾乎是光伏發(fā)電造價(jià)的2倍,是火電的4倍。與同屬太陽(yáng)能資源利用、已逐漸實(shí)現(xiàn)規(guī)?;瘧?yīng)用的光伏發(fā)電相比,光熱發(fā)電在我國(guó)依然處在商業(yè)萌芽階段。
(1)相比光伏電站,光熱電站需要更高額初始投資。目前由于產(chǎn)業(yè)鏈不完善、規(guī)模偏小、技術(shù)路線不成熟等原因,光熱電站的成本仍然偏高,國(guó)際能源署(IEA)估計(jì)目前光熱電站的建設(shè)成本在4.2~8.4美元/W,根據(jù)技術(shù)、設(shè)備、人工成本有不同,按6美元/W計(jì)算,50MW的光熱電站需要投資3億美元。
(2)光熱電站的發(fā)電成本仍較高,需要政府補(bǔ)貼。美國(guó)加州SEGS第9期光熱發(fā)電項(xiàng)目80MW電站的發(fā)電成本約為17美分/kWh,西班牙的光熱發(fā)電成本約為20美分/kWh,內(nèi)蒙古50MW特許權(quán)光熱發(fā)電項(xiàng)目中,大唐新能源的中標(biāo)電價(jià)為0.9399元/kWh,遠(yuǎn)高于其他類(lèi)型電能的上網(wǎng)電價(jià)。
(3)光熱發(fā)電的技術(shù)成熟度不夠。目前的光熱電站技術(shù)路線并未完全確定,塔式電站是目前較為成熟的選擇,但碟式方案的效率看來(lái)更高,而管式電站的成本控制相對(duì)要容易,因此技術(shù)路線面臨選擇與變化;而國(guó)內(nèi)目前尚沒(méi)有大型太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),故太陽(yáng)能發(fā)電選址標(biāo)準(zhǔn)、工程設(shè)計(jì)、系統(tǒng)集成等技術(shù)還需要進(jìn)一步研究,從1MW級(jí)左右的示范電站向50MW以上的大型電站提升,要求成熟的集成技術(shù)保證電站運(yùn)行的穩(wěn)定性。
(4)光熱發(fā)電對(duì)光照資源要求高。光熱發(fā)電要求日照條件非常苛刻,日照資源稍差的地方光熱發(fā)電的成本將大幅上升,對(duì)于國(guó)內(nèi)也只有西部部分地區(qū)符合日照時(shí)間要求。這樣大規(guī)模光熱發(fā)電只能建設(shè)在西部和北部,要將電力輸送到東南部,需要配套電網(wǎng)的建設(shè)。
(1)隨著皇明太陽(yáng)能集團(tuán)、中海陽(yáng)新能源電力股份有限公司等國(guó)內(nèi)廠商投入光熱發(fā)電設(shè)備生產(chǎn),有助于降低建設(shè)成本。
(2)與成本相關(guān)的政策措施主要有上網(wǎng)電價(jià)補(bǔ)貼、貸款擔(dān)保、財(cái)政補(bǔ)貼、稅收優(yōu)惠、降低進(jìn)口關(guān)稅、加速折舊等。政策對(duì)于光熱產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展起著關(guān)鍵作用,2011年5月,國(guó)家發(fā)改委發(fā)布《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄(2011年版),鼓勵(lì)新能源門(mén)類(lèi)中,太陽(yáng)能光熱發(fā)電位于首位,從政策層面對(duì)光熱發(fā)電的重視程度也顯著提升。但相關(guān)的實(shí)質(zhì)性細(xì)節(jié)還需要進(jìn)一步落實(shí),特別是購(gòu)電和補(bǔ)貼等扶持政策,消除光熱發(fā)電在發(fā)展中的不確定因素。
(3)隨著國(guó)家對(duì)可再生能源的日益重視,光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展十分迅猛,“十五”期間,中國(guó)科學(xué)院電工研究所、工程熱物理所等科研機(jī)構(gòu)和一些太陽(yáng)能企業(yè)已開(kāi)始了光熱發(fā)電技術(shù)的項(xiàng)目研究。目前,我國(guó)科學(xué)家已經(jīng)對(duì)碟式發(fā)電系統(tǒng)、塔式發(fā)電系統(tǒng)以及槽式聚光單元進(jìn)行了研究,掌握了一批太陽(yáng)能光熱發(fā)電的核心技術(shù),相信我國(guó)從基本材料、主機(jī)設(shè)備和系統(tǒng)設(shè)計(jì)集成的太陽(yáng)能光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)鏈的時(shí)間不會(huì)太長(zhǎng)。
(4)特高壓電網(wǎng)建設(shè)列入國(guó)家電網(wǎng)“十二五”規(guī)劃,計(jì)劃在2015年前建成從西部、西北到華北、華東、華南的“三縱三橫”跨區(qū)域特高壓線路。這樣就使建設(shè)在西北地區(qū)光熱電站的電力得以輸送到東南部。
太陽(yáng)能是一種取之不盡用之不竭的清潔可再生資源,利用太陽(yáng)能發(fā)電是開(kāi)拓新能源、保護(hù)環(huán)境和節(jié)能減排的有效途徑。盡管現(xiàn)階段光熱發(fā)電還無(wú)法在成本等方面與光伏發(fā)電競(jìng)爭(zhēng),但由于可以解決能源儲(chǔ)存難題及具有與電網(wǎng)并網(wǎng)明顯優(yōu)勢(shì)性,光熱發(fā)電更具有向替代能源發(fā)展的潛力。對(duì)中國(guó)這樣的能源需求大國(guó)而言,選擇發(fā)展光熱發(fā)電無(wú)疑更符合國(guó)情。從更宏觀的角度看,光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)鏈很長(zhǎng),對(duì)其他諸多產(chǎn)業(yè)的帶動(dòng)作用也較大,既能推動(dòng)集熱管、反光鏡、鍋爐、儲(chǔ)熱材料、汽輪發(fā)電機(jī)等能源設(shè)備行業(yè)的發(fā)展,又能促進(jìn)玻璃、鋼材、水泥等基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)對(duì)整個(gè)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的拉動(dòng)作用,令人鼓舞。
[1]姚志豪.光熱發(fā)電—全球新能源的新熱點(diǎn)[J].能源評(píng)論,2012,(4).
[2]陳 昕,范海濤.太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].能源與環(huán)境,2012,(4).
[3]羅敏智.太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)經(jīng)濟(jì)性分析[D].保定:華北電力大學(xué)動(dòng)力工程系,2010.
[4]孟昭莉,許李彥.太陽(yáng)能光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)的現(xiàn)狀及前景[R].北京:中國(guó)三星經(jīng)濟(jì)研究院,2011.