中機華信誠電力工程有限公司 ■ 宋紅 張慶寶

0 引言

隨著全球化石能源日漸枯竭、環(huán)保問題日益嚴峻，人類對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)峁δ艿奶柲軣岚l(fā)電站能夠使吸收能量和發(fā)電過程解耦，根據(jù)用電負荷和電網調度要求發(fā)電，且發(fā)電量穩(wěn)定，能很好地解決風力發(fā)電和光伏發(fā)電存在的波動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，作為基礎能源，起到削峰填谷、調峰調頻的作用。

為了推動太陽能熱發(fā)電技術的產業(yè)化應用，2016年，國家能源局公布確定了第一批太陽能熱發(fā)電示范項目。首批示范項目共計20個，總裝機容量達到134.9萬kW。隨著國家政策的支持和太陽能熱發(fā)電特有的技術優(yōu)勢，太陽能熱發(fā)電在未來一個時期內必將快速發(fā)展[1-2]。

本文對目前已經商業(yè)化的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)進行了介紹和對比，并討論了帶儲熱的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)站址選擇應該注意的問題。

1 太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)

太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是將太陽能轉換為熱能，通過熱-功轉換過程發(fā)電的系統(tǒng)[3]。目前已經商業(yè)化應用的太陽能熱發(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?，加熱吸熱器中的導熱介質，然后直接或通過熱交換器產生過熱蒸汽或高溫氣體，驅動汽輪發(fā)電機組或燃氣輪機發(fā)電機組發(fā)電，從而將太陽能轉化為電能。塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的示意圖如圖1所示[5]。在國家能源局公布的首批示范項目中，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，主要取決于電站規(guī)模和設計者的關注點。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)的傳熱介質一般為熔鹽或水，儲熱介質一般為熔鹽；其中，傳熱介質為熔鹽的系統(tǒng)的運行溫度一般低于570 ℃。

除了傳統(tǒng)的塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，在國家能源局確定的首批太陽能熱發(fā)電示范項目中，玉門鑫能 50MW太陽能熱發(fā)電項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，定日鏡場反射的太陽光先聚集到定日鏡場中央的二次反射鏡上，經過再次反射后，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，其結構與傳統(tǒng)的管屏式吸熱器也不相同。該吸熱器最大的優(yōu)點是可以避免熔鹽在吸熱器中的凍堵和復雜的控制問題。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所在直線的集熱管上，加熱集熱管中的導熱介質，然后直接或通過熱交換器產生過熱蒸汽，驅動汽輪發(fā)電機組發(fā)電，從而將太陽能轉化為電能。槽式拋物面反射鏡與集熱管位置相對固定，沿著同一個旋轉軸隨著太陽位置的變化而旋轉追蹤太陽。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，電站設計者不斷開發(fā)更大開口尺寸的反射鏡。但是隨著開口的增大，對驅動太陽能集熱器(包括吸熱管、反射鏡和支架)的電機的要求也越來越高。槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的傳熱介質一般為導熱油或水，儲熱介質一般為熔鹽；其中，傳熱介質為導熱油的系統(tǒng)的運行溫度一般低于400 ℃。

槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是目前國際上商業(yè)化運行最多的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。在國家能源局確定的首批示范項目中，中廣核德令哈50MW太陽能熱發(fā)電項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，加熱集熱管中的導熱介質，然后直接或通過熱交換器產生過熱蒸汽，驅動汽輪發(fā)電機組發(fā)電，從而將太陽能轉化為電能。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)的傳熱介質一般為水、導熱油或熔鹽，儲熱介質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，因此國外商業(yè)化運行的菲涅爾式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)很少。目前在國內，北京兆陽光熱技術有限公司改進了菲涅爾式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的集熱場，使其聚光倍數(shù)可以達到130～200倍，并結合低成本的混凝土儲熱技術建設了太陽能熱發(fā)電站。雖然改進后的系統(tǒng)的效率仍相對較低，但由于系統(tǒng)可靠、成本更低，因而也有很好的商業(yè)前景。該改進型菲涅爾式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的傳熱工質為水，系統(tǒng)示意圖如圖5所示[8]。華強兆陽張家口一號15MWe太陽能熱發(fā)電站工程已經建成，并已實現(xiàn)連續(xù)發(fā)電60 h。

圖5 改進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處的發(fā)電機上，通過斯特林發(fā)動機循環(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)動機和發(fā)電機組成，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)動機驅動發(fā)電機發(fā)電，與汽輪機驅動發(fā)電機發(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)點有：1)集熱溫度高，最高可達1000 ℃；2)光電轉換效率高，最高可達30%；3)運行時基本不需要水，適應性較強；4)可單臺發(fā)電，也可多臺組成碟式太陽能熱發(fā)電場；5)適合于分布式，應用靈活；6)基于模塊化構造，如果部分部件損壞，僅一部分的發(fā)電能力受到影響，而不會影響整個電站的運行。該系統(tǒng)的缺點是：1)由于該系統(tǒng)能量轉化過程未解耦，導致目前的碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電過程不能儲熱；2)發(fā)電成本較高。

2 不同太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的對比

不同太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的特性對比詳情如表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)對光照資源的要求都很高，這是因為太陽能熱發(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)特性對比表

2)塔式和碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是點聚焦，聚光比較大，運行溫度更高。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)的動力循環(huán)模式是朗肯循環(huán)(或布雷頓循環(huán))，采用的機組是蒸汽輪機(或燃氣輪機)；而碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的動力循環(huán)模式是斯特林循環(huán)，采用的機組是斯特林機。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)關于系統(tǒng)轉換效率，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)都已經商業(yè)化或正在商業(yè)化。國外已經建成的太陽能熱發(fā)電站中，槽式系統(tǒng)最多；國內首批20個太陽能熱發(fā)電示范項目中，塔式系統(tǒng)最多；低成本混凝土儲熱技術結合改進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、對外交通運輸條件等方面對太陽能熱發(fā)電站的站址選擇進行論述。

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)化應用中，該系統(tǒng)不具有儲能特性，且國家能源局公布確定的第一批20個太陽能熱發(fā)電示范項目中無碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，所以，下文關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，DNI值的大小直接決定著項目的可行性和經濟性。根據(jù)相關報道[5]，年累計太陽DNI值與太陽能熱發(fā)電站站址選擇的關系如表2所示。

表2 年累計太陽DNI值與站址選擇的關系

按照國家能源局2015年發(fā)布的《關于組織太陽能熱發(fā)電示范項目建設的通知》中的要求，申報示范項目的場址年累計DNI值不應低于1600 kWh/(m2·a)。根據(jù)經濟測算，太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的平準化度電成本(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)電時數(shù)、發(fā)電效率及設備運行可靠性的重要指標。

1)環(huán)境溫度低時，其與系統(tǒng)運行時的溫差大，這對汽輪機的風冷冷凝機組降低能耗是有利的。但是，若環(huán)境溫度過低(特別是冬季)，會增加吸熱器的熱量損失，降低吸熱器的轉換效率，進而降低整個發(fā)電系統(tǒng)的轉換效率。此外，為避免熔鹽凍堵或導熱油冷凝，需要對管道等傳熱系統(tǒng)進行保溫和輔助加熱，溫度過低會增加輔助加熱系統(tǒng)的能量消耗，增加廠用電率，減小上網電量。

2)風速對太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的影響有兩個方面：一方面，為了保證太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)在大風時的運行精度和穩(wěn)定性，需要對定日鏡或聚光器的支架進行加固，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速的增大而增加，造成系統(tǒng)的能量轉換效率降低。目前太陽能熱發(fā)電站聚光器設計的工作風速一般取14 m/s(6級風)，如果超過此風速，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，進而影響太陽能熱發(fā)電站的發(fā)電量；同時，系統(tǒng)的頻繁啟停會降低吸熱器的使用壽命。

3.3 土地資源

站址選擇時，對土地資源需要從土地性質、土地坡度和土地面積3方面進行考慮。

1)土地性質。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)電站對土地的平坦程度要求較高，應選擇斜坡較少、盡量平坦的土地。不同類型的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)對土地的坡度要求也不相同，具體要求如表3所示。這是因為土地坡度過大，超過要求限制時，會大幅增加電站的建設成本。

3)土地面積。太陽能熱發(fā)電站的占地面積與項目的成本有較大關系，占地面積越大，征地越多，投資成本越高。對于太陽能熱發(fā)電站而言，在系統(tǒng)轉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)占地面積都非常大。此外，在電站規(guī)模相同時，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)的占地面積相對較小。不同類型電站的土地利用率對比情況如表3所示。

表3 土地坡度及土地利用率要求對比表

3.4 水資源

水資源是太陽能熱發(fā)電站運行時需要消耗的資源。水資源的主要用途有：汽輪機蒸汽循環(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)電站運行時耗水量較大，因此，在站址選擇時，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，在電站設計時，一般優(yōu)先選用空冷機組，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)電站建設和運營時需要消耗的另一種重要資源。天然氣的主要用途有：汽輪機啟動、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條件。

3.6 電力接入條件

太陽能熱發(fā)電站的建設規(guī)模一般在50MW以上，因此，電力系統(tǒng)接入的電壓等級為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目的投入成本，所以對項目的投資收益有十分重要的影響。

此外，項目建設時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 對外交通運輸條件

對外交通運輸條件對太陽能熱發(fā)電站也非常重要。首先，交通運輸條件承擔著電站建設期間大量的各種類型的設備材料和人員運輸；其次，其承擔著系統(tǒng)運行后人員和普通物流的運輸。外部運輸所經公路等級、路徑均需要滿足電站建設和運營時對外運輸?shù)囊?。電站離主干公路的距離、主干公路的等級、主干公路的路徑等因素可作為衡量站址交通運輸條件的指標[10]。

4 結語

本文介紹了4種已經投入商業(yè)化應用或正在商業(yè)化應用的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，對不同類型的系統(tǒng)進行了對比和總結，并論述、分析了帶儲熱的太陽熱發(fā)電系統(tǒng)的站址選擇的注意事項，可為太陽能熱發(fā)電項目的開發(fā)、設計提供參考。