國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀

武漢凱迪電力工程有限公司 ■ 趙志華 劉劍軍

一 引言

太陽(yáng)能熱發(fā)電是利用聚光器將太陽(yáng)輻射能匯聚，生成高密度的能量，通過(guò)熱功循環(huán)來(lái)發(fā)電的技術(shù)[1]。我國(guó)太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)的研究開發(fā)工作始于70年代末，一些高等院校和科研所等單位和機(jī)構(gòu)，對(duì)太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)做了不少應(yīng)用性基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究，并在天津建造了一套功率為1kW的塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電模擬實(shí)驗(yàn)裝置，在上海建造了一套功率為1kW的平板式低沸點(diǎn)工質(zhì)太陽(yáng)能熱發(fā)電模擬實(shí)驗(yàn)裝置[2、3]。

二 太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)概況

目前主流的太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)主要有4種方式：塔式、槽式、碟式和線性菲涅爾式[4]，這4種太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)。

塔式太陽(yáng)能聚光比高、運(yùn)行溫度高、熱轉(zhuǎn)換效率高，但其跟蹤系統(tǒng)復(fù)雜、一次性投入大，隨著技術(shù)的改進(jìn)，可能會(huì)大幅度降低成本，并且能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模地應(yīng)用，所以是今后的發(fā)展方向。槽式技術(shù)較為成熟，系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，是第一個(gè)進(jìn)入商業(yè)化生產(chǎn)的熱發(fā)電方式，但其工作溫度較低，光熱轉(zhuǎn)換效率低，參數(shù)受到限制。碟式光熱轉(zhuǎn)換效率高，單機(jī)可標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)、既可作分布式系統(tǒng)單獨(dú)供電，也可并網(wǎng)發(fā)電，但發(fā)電成本較高、單機(jī)規(guī)模很難做大。線性菲涅爾式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、發(fā)電成本低、具有較好的抗風(fēng)性能，但工作效率偏低、且由于發(fā)展歷史較短，技術(shù)尚未完全成熟，目前處于示范工程研究階段。

各聚光熱發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)比較見表1。

三 我國(guó)太陽(yáng)能熱發(fā)電應(yīng)用典型示范電站

近年來(lái)，我國(guó)積極探索太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)，建立了一批示范電站。在塔式方面建設(shè)的示范電站有：

2010年中科院電工所、皇明太陽(yáng)能和華電集團(tuán)聯(lián)合開發(fā)在北京八達(dá)嶺建成的1MW塔式太陽(yáng)能熱電站，該項(xiàng)目于2012年8月成功發(fā)電，采用皇明太陽(yáng)能的定日?qǐng)?，主要用于試?yàn)研發(fā)，是國(guó)際上第一臺(tái)成功運(yùn)行的直接生產(chǎn)過(guò)熱蒸汽的光熱電站。

2012年青海省德令哈50MW塔式太陽(yáng)能發(fā)電站項(xiàng)目一期發(fā)電裝機(jī)容量10MW，分兩個(gè)5MW的聚光鏡場(chǎng)，各對(duì)應(yīng)一個(gè)集熱塔，塔總高約92m。第一臺(tái)塔于2012年8月投運(yùn)，第二臺(tái)塔2012年12月投運(yùn)，見圖1。

表1 各聚光熱發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)比較

該項(xiàng)目采用多塔模塊化的方式，旨在實(shí)現(xiàn)模塊化分期建設(shè)，多塔運(yùn)行，并得以推廣應(yīng)用。定日鏡采用小平面鏡(2m2)的模塊化塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)路線，水工質(zhì)直接生成飽和蒸汽技術(shù)與中高溫儲(chǔ)熱技術(shù)相結(jié)合。一期總占地面積約40萬(wàn)m2。系統(tǒng)流程為通過(guò)定日鏡場(chǎng)聚光到集熱器，集熱器內(nèi)導(dǎo)熱介質(zhì)為水工質(zhì)，加熱成飽和蒸汽，蒸汽參數(shù)為：9.8MPa、310℃，產(chǎn)汽量22.5t/h；兩集熱器出口蒸汽共同接入到燃?xì)忮仩t內(nèi)，進(jìn)行過(guò)熱，鍋爐出力45t/h，過(guò)熱蒸汽參數(shù)：8.83 MPa、510℃，再進(jìn)入汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。

項(xiàng)目系統(tǒng)效率：鏡場(chǎng)光學(xué)峰值效率69%，集熱器峰值效率88%，汽輪機(jī)峰值效率40%。年峰值效率24%，實(shí)測(cè)平均效率達(dá)15.7%。一期工程總投資2.1億元，其中太陽(yáng)島成本占50%。

該電站鏡場(chǎng)主要采用小平面鏡多塔運(yùn)行方案，實(shí)現(xiàn)規(guī)模化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，提高了抗風(fēng)性能，減少每單元實(shí)施技術(shù)難度，降低了制造難度和成本。但控制系統(tǒng)相當(dāng)復(fù)雜，每面鏡子均設(shè)有一個(gè)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)，兩個(gè)鏡場(chǎng)約30000面鏡子，根據(jù)太陽(yáng)運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)律開環(huán)控制，在聚光方面通過(guò)相機(jī)塔和塔下方的BCS板光斑對(duì)比來(lái)校正和補(bǔ)償反射鏡的聚光定位。

該項(xiàng)目采用國(guó)內(nèi)中控自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，并實(shí)現(xiàn)了全部裝備的國(guó)產(chǎn)化與產(chǎn)業(yè)化，具有技術(shù)先進(jìn)、性能可靠、效率高、建設(shè)周期短等特點(diǎn)；項(xiàng)目的實(shí)施為國(guó)內(nèi)塔式太陽(yáng)能規(guī)?；l(fā)展提供了重要的示范作用，模塊化設(shè)計(jì)可根據(jù)電站裝機(jī)總需求和地理環(huán)境靈活配置不同規(guī)模的鏡場(chǎng)模塊，達(dá)到經(jīng)濟(jì)最優(yōu)；積累了工程推廣應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，為下一步機(jī)組大型化、標(biāo)準(zhǔn)化、儲(chǔ)熱技術(shù)和降低成本方面的研發(fā)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

國(guó)內(nèi)槽式示范電站主要有：

國(guó)電青松吐魯番180kW槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電站，2010年6月并網(wǎng)，總投資1500萬(wàn)元。中廣核在青海德令哈50MW槽式太陽(yáng)能光熱發(fā)電項(xiàng)目2012年動(dòng)工，占地246公頃，總投資25億人民幣，年發(fā)電2億kWh，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能24h全天候發(fā)電，電源穩(wěn)定程度接近火電。

碟式太陽(yáng)能示范電站有：

中科院電工所于2006年建立的1kW碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)。在直射輻射強(qiáng)度大于450W/ m2的條件下，系統(tǒng)成功完成可穩(wěn)定連續(xù)的輸出線電壓為100V左右的三相交流電的測(cè)試，成為國(guó)內(nèi)第一個(gè)可以連續(xù)發(fā)電的碟式斯特林太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)。

菲涅爾太陽(yáng)能示范電站主要為小型試驗(yàn)項(xiàng)目：

皇明太陽(yáng)能公司在山東德州廠房頂部建設(shè)的2.5MW線性菲涅爾聚光技術(shù)的示范工程，聚光面積27000m2，輸出溫度320℃，2010年底完成建設(shè)。

南京工業(yè)大學(xué)的菲涅爾試驗(yàn)裝置采用東莞中能陽(yáng)光科技有限公司的線性菲涅爾聚光系統(tǒng)及跟蹤機(jī)構(gòu)，聚光面積435m2，集熱器內(nèi)吸熱介質(zhì)為導(dǎo)熱油，使用溫度200℃左右，產(chǎn)生飽和蒸汽，用于體育館制冷、供熱系統(tǒng)，2012年11月成功投入運(yùn)行。

四 國(guó)內(nèi)主要設(shè)備生產(chǎn)現(xiàn)狀

1 國(guó)內(nèi)的主要光熱發(fā)電集成商現(xiàn)狀

浙江中控太陽(yáng)能技術(shù)有限公司為國(guó)內(nèi)最早從事塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)研究的企業(yè)之一。該公司在杭州設(shè)有試驗(yàn)基地，在青海德令哈建設(shè)總裝機(jī)容量50MW，其鏡場(chǎng)多次經(jīng)歷沙塵暴和低溫考驗(yàn)。另外，皇明太陽(yáng)能公司為較好的塔式光場(chǎng)集成商，是中科院電工所的北京延慶1MW塔式電站光場(chǎng)總承包商，提供設(shè)計(jì)、供貨、調(diào)試，已完成投運(yùn)。

槽式熱發(fā)電系統(tǒng)集成商較好的有北京中海陽(yáng)、常州龍騰、康達(dá)機(jī)電等公司，均可提供光場(chǎng)整體技術(shù)集成和供貨。幾家公司均有相應(yīng)的小單元槽式樣機(jī)，有專門的實(shí)驗(yàn)基地和正規(guī)專業(yè)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)。

菲涅爾光熱發(fā)電方面有東莞中南能源科技有限公司在南京中業(yè)大學(xué)的菲涅爾示范項(xiàng)目。蘭州大成科技股份有限公司在蘭州建有槽式與菲涅爾串聯(lián)運(yùn)行示范裝置，發(fā)電功率為200kW，該公司是國(guó)家綠色鍍膜技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心。皇明太陽(yáng)能公司也在其德州中國(guó)太陽(yáng)谷廠房頂上建設(shè)有2.5MW菲涅爾示范太陽(yáng)能發(fā)電站。

2 國(guó)內(nèi)的主要光熱關(guān)鍵設(shè)備的制造商概況

(1)在集熱管方面有青島奧凱利、天瑞星、匯銀公司、常州龍騰、皇明太陽(yáng)能，這幾家為國(guó)內(nèi)集熱管技術(shù)較好的供貨商。據(jù)了解，奧凱利槽式系統(tǒng)集熱管在新疆國(guó)電180kW的槽式試驗(yàn)裝置有一年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，運(yùn)行效果較好； 南京工業(yè)大學(xué)菲涅爾示范裝置用的集熱管也為奧凱利產(chǎn)品?；拭鞴旧a(chǎn)的高溫集熱鍍膜鋼管向德國(guó)諾瓦蒂公司供應(yīng)鍍膜鋼管用于其在西班牙建立的世界上第一個(gè)商業(yè)菲涅爾式太陽(yáng)能熱發(fā)電示范站，已成功運(yùn)行兩年且實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。

(2)聚光反射鏡供貨商在國(guó)內(nèi)應(yīng)用最多的是浙江大明、臺(tái)玻，這兩個(gè)廠家均有出口業(yè)績(jī)，并有國(guó)外引進(jìn)的成熟的生產(chǎn)線。蘭州大成、武漢圣普、北京中海洋也有用于光熱發(fā)電反射鏡的產(chǎn)品。在反射鏡規(guī)格和參數(shù)方面，關(guān)鍵技術(shù)為鍍膜，槽式反射鏡的規(guī)格基本上均為標(biāo)準(zhǔn)化尺寸，拋物面開口尺寸為5770mm。 塔式和菲涅爾反射鏡尺寸還沒有標(biāo)準(zhǔn)化，因各家技術(shù)特點(diǎn)，鏡面大小選擇不同。

(3)導(dǎo)熱油換熱、熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)方面：目前國(guó)內(nèi)光熱示范電站沒有采用熔鹽儲(chǔ)熱的。我國(guó)熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)還在研發(fā)階段，中科院電工所、北京工業(yè)大學(xué)均在熔鹽儲(chǔ)熱方面做了大量的研究。目前國(guó)內(nèi)槽式電站多數(shù)采用導(dǎo)熱油換熱，陶氏生產(chǎn)的導(dǎo)熱油在全球光熱電站項(xiàng)目中應(yīng)用較多，陶氏合成有機(jī)導(dǎo)熱油最高使用溫度400℃。國(guó)內(nèi)的廠家導(dǎo)熱油供貨商也有幾十家，例如無(wú)錫曉揚(yáng)、山東恒利、北京燕山等，高溫合成油最高溫度標(biāo)牌是300℃以上，但據(jù)了解，一般性能較差，運(yùn)行溫度基本在300℃以下。

五 熱發(fā)電技術(shù)未來(lái)發(fā)展和研究方向

聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電在未來(lái)的研發(fā)和應(yīng)用中，將朝著“高參數(shù)、大容量、連續(xù)發(fā)電、低成本”[5]方向發(fā)展。目前，我國(guó)聚光型太陽(yáng)能發(fā)電還處在示范項(xiàng)目建設(shè)階段，沒有連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的示范電廠，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的集熱管、聚光反射鏡、導(dǎo)熱油、熔鹽還沒有經(jīng)過(guò)項(xiàng)目的連續(xù)長(zhǎng)期運(yùn)行檢驗(yàn)。

未來(lái)幾年的發(fā)展要在提高聚光比、提高運(yùn)行溫度和提高熱電轉(zhuǎn)換效率方面攻克難關(guān)，在高反射率反射鏡、高精度跟蹤控制系統(tǒng)、高傳熱、太陽(yáng)能熱電轉(zhuǎn)換等核心技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備方面加大研發(fā)力度；建設(shè)大型聚光熱發(fā)電項(xiàng)目示范工程、增大發(fā)電規(guī)模，加大國(guó)產(chǎn)化設(shè)備力度，旨在向攤薄投資成本和單位發(fā)電成本目標(biāo)發(fā)展。同時(shí)因高溫熔鹽具有導(dǎo)熱系數(shù)大、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性好、質(zhì)量傳遞速度快、溫度極限高等優(yōu)點(diǎn)，是光熱發(fā)電連續(xù)運(yùn)行的發(fā)展需求，所以蓄熱技術(shù)的研究和攻關(guān)將是光熱發(fā)電商業(yè)化運(yùn)行的重點(diǎn)研究范疇。

[1] 李和平.加快太陽(yáng)能熱發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)的研究和開發(fā)[J].高科技與產(chǎn)業(yè)化.2008(11): 27.

[2] 郝雷, 顧寶霞, 王樹茂, 等.太陽(yáng)能熱發(fā)電的研究現(xiàn)狀與前景展望[J].陽(yáng)光能源.2009(3): 40.

[3] 許繼剛, 王正.太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].2009年全國(guó)發(fā)電廠熱工自動(dòng)化年會(huì)論文

[4] 王澤凱.太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)應(yīng)用與發(fā)展[J].玻璃.2012(6): 30.

[5] 杜鳳麗.太陽(yáng)能熱發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)[J] .新材料產(chǎn)業(yè).2012(7):8.