当前光热发电技术的主要问题及改进思路
发布者:陈乃礼 | 来源:CSPPLAZA光热发电网 | 0评论 | 5500查看 | 2013-08-19 10:56:00    
  CSPPLAZA光热发电网报道:光热发电的生产过程与普通火力发电厂类似,是通过太阳能集热装置收集热能,替代锅炉将水加热成蒸汽,送入汽轮发电机组做功发电。相对光伏发电而言,光热发电的设备、系统和技术显得较为复杂。但光热发电也具有明显的优势:一是热能可以比较容易地储存,克服夜晚和天气的影响,提高电能质量;二是可以实现热电联产,提高太阳能的综合利用效率;三是可以通过提高主蒸汽参数(温度和压力)的方式,大幅度提高发电热效率;四是太阳能光热发电设备使用的是普通材料,可以实现装备制造和发电的全过程清洁环保。对于第一个优势,由于储热系统及热交换装置造价较贵,进一步增加了光热发电设备的投资费用,而其他优势是实实在在的。

  目前发电用太阳能集热装置主要有四种类型:槽式、碟式、塔式和菲涅尔式。这四种类型全部为聚焦型(线聚焦或点聚焦)集热装置,其中菲涅尔式实际上是槽式和塔式的综合技术。根据世界上主流产品的结构性能,槽式和菲涅尔式是线聚焦集热装置,由于聚光比不大,其出口介质参数受到一定的限制,塔式和碟式是点聚焦集热装置,可以实现很高的介质温度,但塔式集热装置的造价非常昂贵,而碟式集热装置一般与斯特林发动机配合使用,单位容量成本更为高昂。在太阳能热发电领域较为普及运用的还是槽式和菲涅尔式。

  太阳能热发电技术路线比光伏发电技术路线出现得更早,但产业发展速度却远远落在后面,究其原因,主要有以下问题:

1、设备、系统和技术复杂;
2、投资费用高昂,单位容量造价高;
3、设备利用小时少;
4、发电效率低。

  这些问题最终都反映在经济性方面。

  当前太阳能光热发电主流技术面临的主要问题是:

1、采用大容量的储热设施,储热介质(导热油或熔盐)作为一次吸热介质,经二次热交换加热介质水,产生蒸汽去汽轮发电机组做功发电。显然,这增加了设备系统的复杂性,导致投资费用大大增加,且由于二次换热温差的存在,也降低了发电热效率。另外,太阳能集热装置收集的热量必须一部分用于储存,一部分用于当即发电,为满足发电容量需要,就必须增加集热装置的容量裕度(甚至增加一倍以上),也导致集热装置的投资大大增加。

2、槽式或菲涅尔式太阳能集热装置采用水平布置(集热管水平安装)。对于高纬度地区,太阳光线倾斜角很小,与理想状态的太阳正面照射相差甚远,而太阳能资源丰富地区往往就是高纬度地区,因此严重影响了太阳能集热装置的集热效率。

3、集热装置目前最成熟的是槽式太阳能集热装置,采用玻璃反射聚光镜。这种集热装置的太阳跟踪轴(也即聚光镜的支撑轴)与抛物反射面的焦轴线不重合,这使得聚光镜在跟踪太阳过程中集热管处于运动状态,集热管必须通过软质引导管或带活动接头的引导管才能与外部介质管道连接,导致介质压力受到很大制约,只能用作一次吸热介质。另外,因受到外部连接管道的牵连,需要消耗较大的跟踪动力。

4、目前所使用的真空集热管因考虑储热,采用导热油或熔盐作介质,其集热芯管是外部带有选择性涂层的简单钢管,不适合水、蒸汽和汽水两相流作介质,二次换热难以避免。

  要解决前面所列的问题,就必须抛开目前的技术路线思维方式,拓展思维空间。应当说造成这些问题的原因是人们被当前太阳能热发电的主导思想所误导,为实现全天候运行和提高电能质量而过于追求太阳能的储存技术,花费太多的精力和资金研究太阳热能的储存问题,忽视了我们目前以及今后相当长一段时期内仍然是化石燃料与清洁能源、可再生能源并存的时代。只要多种能源并存状况存在,就没有必要急于要求热能的储存技术实现产业化,可考虑仅将这种储能技术作为技术储备,为遥远的将来服务。

  关于第1个问题,主要有两个影响因素,一是必须配有汽轮发电机组,二是必须配有储热系统及其二次热交换装置。这两个因素可以采用以下措施来解决:一是将太阳能热发电与燃气—蒸汽联合循环机组结合起来,形成太阳能—燃机联合循环机组,或者与普通火力发电机组结合起来,在满足主蒸汽参数匹配的条件下,使得汽轮发电机组成为共用。二是太阳能与燃机联合循环机组或普通火力发电机组结合后自然可实现全天候运行,电能质量也得到提高,因此可彻底抛弃储热系统及其二次热交换装置,使得系统得到简化。目前苏州大禹新能源科技有限公司研发的技术可使集热装置的出口介质达到次高参数、高参数、超高参数甚至亚临界参数,满足主蒸汽参数的匹配要求。

  关于第2个问题,在第1个问题得到解决后,由于不再需要储热系统及二次热交换装置,使得一次性投资费用大为降低,同时也减少了集热装置的容量裕度,进一步降低了集热装置的总费用。这时最需要解决的问题只剩下降低太阳能集热装置的造价。幸运的是我们已开发出“以集热管为转轴的聚光镜”以及整套集热装置,不仅性能优良,造价也已大幅度降低,集热装置(含集热管和自动跟踪装置)单位造价已降至1000元/平方米(正面照射面积)。

  关于第3个问题,年设备利用小时少是太阳能光伏发电和光热发电共同面临的问题,只是光热发电更为严重些(除夜晚外,阴、雨、雪天也不能发电)。解决这一问题的方法就是太阳能电站地址的合理选择,即选择在太阳能资源充足的地方建设电站。只要年光照时间超过2500小时,能够使得年设备利用小时数达到1800小时,其发电成本就非常有竞争力了,在天然气价格大幅上调的今天,已经与常规清洁能源难分仲伯了。

  关于第4个问题,提高光热发电效率一直是需要攻克的技术难题之一。我们知道,太阳能热发电效率取决于集热装置的集热效率和汽轮发电机组的热循环效率。对于槽式或菲涅尔式集热装置来说,在当今技术条件下,聚光镜的反射率和集热管的净吸收率已达到相当的水平,光热发电效率实际上仅取决于集热装置的聚光比和安装状态(水平安装还是朝向太阳倾斜安装),以及汽轮发电机组的热循环效率,而热循环效率则取决于主蒸汽参数(温度和压力)。可见,光热发电效率仅取决于槽式集热装置的安装状态、聚光比和集热装置出口介质的温度和压力。这就要求我们把槽式集热装置朝向太阳倾斜安装,并配置良好的一维自动跟踪装置,直接使用水作介质,同时提高聚光比和出口蒸汽参数,与燃机联合循环机组或普通火力发电机组的主蒸汽参数相匹配。


  本文作者系CSPPLAZA特约通讯员、苏州大禹新能源科技有限公司总经理陈乃礼。
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