太陽(yáng)能光熱與熱電耦合發(fā)電技術(shù)綜述（下）

文_ 吳鳴 南京凱盛開能環(huán)保能源有限公司

3 太陽(yáng)能光熱發(fā)電與熱電耦合系統(tǒng)（雙能源循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)）

3.1 太陽(yáng)能光熱發(fā)電與熱電耦合發(fā)電系統(tǒng)概念

按照太陽(yáng)能與熱電的主輔關(guān)系，太陽(yáng)能與熱電耦合發(fā)電系統(tǒng)可以分為兩大類：太陽(yáng)能輔助熱電系統(tǒng)和熱電輔助太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)。太陽(yáng)能輔助熱電系統(tǒng)是在常規(guī)化石燃料發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，利用太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)吸收太陽(yáng)能熱量合理集成的耦合熱發(fā)電系統(tǒng)。熱電輔助太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)，是在單純太陽(yáng)能發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，投入合適的化石燃料輔助太陽(yáng)能發(fā)電的熱發(fā)電系統(tǒng)。該系統(tǒng)以太陽(yáng)能發(fā)電為主，化石燃料補(bǔ)充發(fā)電為輔，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模利用太陽(yáng)能持續(xù)發(fā)電。還可以充分利用熱電機(jī)組的可調(diào)整性來(lái)彌補(bǔ)太陽(yáng)能的間歇性，降低獨(dú)立太陽(yáng)能熱發(fā)電的投資成本。美國(guó)加州運(yùn)行的9座SEGS電站就是屬于化石燃料輔助太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的典型。

太陽(yáng)能光熱-熱電耦合系統(tǒng)（雙能源循環(huán)系統(tǒng)）相對(duì)于集中式光熱電站而言，可以不設(shè)置儲(chǔ)熱子系統(tǒng)，無(wú)需增加汽輪發(fā)電機(jī)組，光熱系統(tǒng)造價(jià)比獨(dú)立集中式光熱電站要低的多，大約只有其55%～60%，采用槽式光熱系統(tǒng)，單位功率建造成本約為1.1萬(wàn)～1.5萬(wàn)元/kW。

國(guó)外越來(lái)越多的項(xiàng)目選用太陽(yáng)能光熱與熱電站（包括火電站、天然氣電站、垃圾發(fā)電站和工業(yè)余熱電站）聯(lián)合建設(shè)、聯(lián)合運(yùn)作。一來(lái)可提高光熱電站的發(fā)電持續(xù)性，二是通過(guò)提高工質(zhì)運(yùn)行溫度可提高電站系統(tǒng)效率。目前，在國(guó)外已經(jīng)有這方面的工程應(yīng)用，太陽(yáng)能在聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)中的熱能貢獻(xiàn)率約為15%～40%。

另外，聯(lián)合電站投入使用后還有望改善當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境，因?yàn)榧療崞骺晌照趽蹶?yáng)光，可降低電站地區(qū)的地表溫度和蒸發(fā)量，同時(shí)聚光鏡的沖洗水漏入地面，有利于植物生長(zhǎng)。

3.2 太陽(yáng)能光熱發(fā)電與熱電耦合發(fā)電系統(tǒng)類別

目前，根據(jù)我國(guó)工業(yè)產(chǎn)業(yè)布局實(shí)際情況，光熱與熱電（火電、余熱發(fā)電）耦合構(gòu)成雙能源發(fā)電系統(tǒng)，概括起來(lái)不外乎如下幾大類：

3.2.1 光熱系統(tǒng)與水泥窯余熱電站構(gòu)成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電

目前，水泥余熱發(fā)電市場(chǎng)將近飽和，但實(shí)際上由于各種原因，很多水泥余熱發(fā)電裝機(jī)容量沒(méi)有得到充分利用?？稍谔?yáng)能和土地資源條件適合的地區(qū)，將光熱發(fā)電與水泥余熱發(fā)電結(jié)合起來(lái)，挖掘水泥余熱發(fā)電潛力。國(guó)內(nèi)外目前還沒(méi)有在水泥余熱發(fā)電領(lǐng)域商業(yè)化應(yīng)用的先例。

利用槽式光熱技術(shù)，聚光鏡將太陽(yáng)光線性聚焦到吸熱管上，加熱管內(nèi)傳熱工質(zhì)，直接或間接地產(chǎn)生一定參數(shù)的中壓/低壓過(guò)熱水蒸氣，與水泥余熱發(fā)電系統(tǒng)中AQC鍋爐中壓/低壓過(guò)熱器的蒸汽匯合，增加汽輪機(jī)主蒸汽/補(bǔ)蒸汽流量，從而增加發(fā)電量。陰雨天和晚上則關(guān)閉光熱系統(tǒng)，切換到原來(lái)的系統(tǒng)運(yùn)行。

以4500t/d水泥余熱發(fā)電項(xiàng)目為例，如在晴天用光熱增產(chǎn)主蒸汽10t/h，則可增加進(jìn)入汽輪機(jī)的蒸汽熱量18%，增加發(fā)電功率1500kW；增發(fā)電量450萬(wàn)kWh/a，節(jié)省標(biāo)準(zhǔn)煤1800t/a；減排CO24500t/a；增加經(jīng)濟(jì)效益324萬(wàn)元/a；光熱初投資成本1800萬(wàn)元,投資回收期6年（未考慮土地成本）。

3.2.2 光熱系統(tǒng)與燒結(jié)余熱電站構(gòu)成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電

鋼鐵行業(yè)有大量的燒結(jié)冷卻機(jī)余熱電站，很多因?yàn)樵O(shè)計(jì)原因或者工藝波動(dòng)原因而不能達(dá)到額定的發(fā)電量，汽輪發(fā)電機(jī)組還有很大的挖潛空間。

在有空閑土地資源和太陽(yáng)能資源的鋼鐵廠，可以增加光熱系統(tǒng)，與燒結(jié)余熱電站耦合起來(lái)構(gòu)成雙能源聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)。利用光熱直接預(yù)熱鍋爐給水，或者產(chǎn)生蒸汽補(bǔ)充到汽輪發(fā)電機(jī)組去發(fā)電，均可提高余熱電站的系統(tǒng)效率，增加余熱發(fā)電量。

3.2.3 光熱系統(tǒng)與小型燃煤熱電廠構(gòu)成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電

由于小型燃煤發(fā)電機(jī)組熱經(jīng)濟(jì)性較差，已屬于淘汰機(jī)組，在太陽(yáng)能與其集成進(jìn)行聯(lián)合發(fā)電時(shí)，原有燃煤發(fā)電機(jī)組不必重復(fù)投資，這部分成本可以不考慮，從而使這種太陽(yáng)能輔助燃煤熱發(fā)電機(jī)組的單位熱經(jīng)濟(jì)學(xué)成本大大下降。

以C50-8.82／0.294型供熱機(jī)組為例，如果將光熱產(chǎn)蒸汽取代1段高壓加熱器的抽汽，當(dāng)不考慮原有燃煤發(fā)電機(jī)組部分投資成本時(shí)，其發(fā)電成本為0.16元／kWh,遠(yuǎn)低于純?nèi)济喊l(fā)電機(jī)組的發(fā)電成本0.25元／kWh。這為我國(guó)的小型火電機(jī)組升級(jí)改造提供了可能的方向。

3.2.4 光熱系統(tǒng)與大型燃煤熱電廠構(gòu)成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電

目前大型燃煤熱電廠的主力機(jī)組為300MW、600MW凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組，它們都是八級(jí)抽汽加熱，將鍋爐給水溫度加熱到278℃左右。以300MW機(jī)組為例，從第一級(jí)到第七級(jí)，各級(jí)的抽汽加熱溫度范圍從386～95℃，這樣的溫度范圍，一般的中高溫太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)都是可以達(dá)到的。

根據(jù)太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)的參數(shù)，選擇某一級(jí)或者幾級(jí)參數(shù)比較匹配的給水加熱器，利用光熱直接加熱給水代替汽輪機(jī)抽汽加熱，構(gòu)成太陽(yáng)能-常規(guī)能源聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。這種系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

光熱系統(tǒng)只作為聯(lián)合循環(huán)電站的給水預(yù)熱系統(tǒng)，系統(tǒng)投資小而太陽(yáng)能利用率高。

可以很方便地用于現(xiàn)有燃煤熱力發(fā)電廠的節(jié)能減排技術(shù)改造。

國(guó)外已有成功應(yīng)用實(shí)例。如澳大利亞的太陽(yáng)熱動(dòng)力工程公司利用條形菲涅爾式光熱裝置，產(chǎn)生265℃的濕蒸汽，對(duì)Liddell燃煤熱力發(fā)電廠的鍋爐給水進(jìn)行加熱。

利用光熱系統(tǒng)直接產(chǎn)生中高溫參數(shù)的過(guò)熱蒸汽，與汽輪機(jī)高壓缸的排汽匯合，再進(jìn)入中壓缸，太陽(yáng)集熱器入口接自鍋爐的除氧器出口，鍋爐、光熱統(tǒng)一供水，構(gòu)成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。這種系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

無(wú)需獨(dú)立光熱電站的儲(chǔ)熱子系統(tǒng)，大大簡(jiǎn)化了總系統(tǒng)，節(jié)省了大量設(shè)備投資。

夏季電網(wǎng)負(fù)荷高峰期，正好是太陽(yáng)輻射最強(qiáng)的季節(jié)，充分利用了光熱發(fā)電的天然調(diào)峰功能。

主要適用于新建燃煤熱力發(fā)電廠，增加光熱系統(tǒng)，組成太陽(yáng)能-常規(guī)能源聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。

以國(guó)產(chǎn)N600-16.7/537/537型凝氣式汽輪發(fā)電機(jī)組為例，若以光熱直接產(chǎn)汽代替除氧器從汽輪機(jī)抽汽，可節(jié)省汽輪機(jī)抽汽35t/h，則可增加發(fā)電功率7600kW，按年2800h計(jì)算，每年可增加發(fā)電量約2130萬(wàn)kWh，電費(fèi)按0.6元/kWh計(jì)算，年增發(fā)電效益約1280萬(wàn)元。節(jié)約標(biāo)煤8520t/a，減排CO221300t/a，年節(jié)省標(biāo)煤量可得國(guó)家財(cái)政補(bǔ)貼255萬(wàn)元，合計(jì)年增效益1535萬(wàn)元。光熱設(shè)備初投資約9120萬(wàn)元，設(shè)備投資回收期約6年（未考慮土地成本）。

3.2.5 光熱系統(tǒng)與燃?xì)?蒸汽熱電廠構(gòu)成聯(lián)合循環(huán)發(fā)電

將槽式太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統(tǒng)與燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)相結(jié)合，利用燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)組發(fā)電，燃?xì)廨啓C(jī)尾氣排入余熱鍋爐，加熱水工質(zhì)，產(chǎn)生蒸汽，推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。光熱系統(tǒng)直接產(chǎn)蒸汽，與汽輪機(jī)高壓缸排汽匯合，進(jìn)入中壓缸。這種系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：

(1)無(wú)需獨(dú)立光熱電站的儲(chǔ)熱子系統(tǒng)，簡(jiǎn)化了總系統(tǒng)，節(jié)省了設(shè)備投資。

(2)對(duì)天然氣燃燒尾氣作了充分的余熱利用。

(3)主要適用于新建燃?xì)?蒸汽熱力發(fā)電廠，增加光熱系統(tǒng)，組成太陽(yáng)能-常規(guī)能源聯(lián)合循環(huán)發(fā)電。

太陽(yáng)能聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)（ISCC發(fā)電系統(tǒng)）,可避免因自然條件造成的發(fā)電設(shè)施閑置問(wèn)題，較常規(guī)單一太陽(yáng)能熱發(fā)電廠和常規(guī)單一燃?xì)猓羝?lián)合循環(huán)發(fā)電廠而言,總體熱效率可提高。同時(shí)，“聯(lián)合循環(huán)”能保證電站長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定供電，可增加電網(wǎng)的安全性。

自20世紀(jì)90年代ISCC系統(tǒng)研發(fā)成功投入使用以來(lái)，已在埃及、美國(guó)等國(guó)成功運(yùn)營(yíng)。該系統(tǒng)適用于光熱和油氣資源都較豐富的地區(qū)，在中國(guó)西北部地區(qū)有著廣泛的應(yīng)用前景。

亞洲首個(gè)槽式太陽(yáng)能－燃?xì)饴?lián)合循環(huán)（ISCC）發(fā)電站建設(shè)于寧夏回族自治區(qū)鹽池縣高沙窩毛烏素沙漠邊緣。該項(xiàng)目由寧夏哈納斯新能源集團(tuán)投資22.5億元建設(shè)，規(guī)劃容量92.5MW，2013年10月建成投產(chǎn)。項(xiàng)目建成后年發(fā)電量相當(dāng)于節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤10.4萬(wàn)t/a，減排CO221萬(wàn)t。

4 太陽(yáng)能光熱發(fā)電市場(chǎng)前景展望

至2010 年底，全球已實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行的光熱電站總裝機(jī)容量為110 萬(wàn)kW，在建項(xiàng)目總裝機(jī)容量約1200 萬(wàn)kW。歐盟、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家或經(jīng)濟(jì)體都將太陽(yáng)能光熱發(fā)電作為可再生能源重要領(lǐng)域，制定了2020 年乃至更長(zhǎng)遠(yuǎn)的發(fā)展目標(biāo)。歐盟啟動(dòng)了“歐洲沙漠行動(dòng)”計(jì)劃，計(jì)劃在撒哈拉沙漠建設(shè)大規(guī)模太陽(yáng)能電站向歐洲電力負(fù)荷中心輸電。歐洲太陽(yáng)能光熱協(xié)會(huì)2005年發(fā)布的一份報(bào)告中預(yù)計(jì)，到2040年，光熱發(fā)電將滿足世界上5%的電力需求。

中國(guó)通過(guò)863、973計(jì)劃對(duì)光熱發(fā)電進(jìn)行了基礎(chǔ)研究和示范項(xiàng)目建設(shè)，光熱發(fā)電已被列入《產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整指導(dǎo)目錄2011版》。根據(jù)規(guī)劃，2011～2015年主要為技術(shù)驗(yàn)證和商業(yè)化起步階段；2015～2020年為商業(yè)化規(guī)?；ㄔO(shè)階段；2020年后進(jìn)入飛速發(fā)展階段。預(yù)計(jì)造價(jià)將降低至1萬(wàn)元/kW，光熱發(fā)電成本將低至6美分/kWh，屆時(shí)光熱發(fā)電將如同現(xiàn)在的風(fēng)電。

2012年10月26日，國(guó)家電網(wǎng)出臺(tái)太陽(yáng)能發(fā)電免費(fèi)并網(wǎng)的相關(guān)政策。五大發(fā)電集團(tuán)的新能源公司紛紛投入光熱領(lǐng)域，在內(nèi)蒙古、甘肅武威、新疆吐魯番、青海格爾木、西藏等地開始光熱的前期工作。

大唐電力和皇明聯(lián)合體中標(biāo)國(guó)內(nèi)首個(gè)光熱發(fā)電項(xiàng)目——內(nèi)蒙古鄂爾多斯50MW槽式光熱電站；華電集團(tuán)與澳大利亞雄獅國(guó)際正在青海省格爾木合作開發(fā)100萬(wàn)kW光熱發(fā)電項(xiàng)目。

國(guó)內(nèi)企業(yè)從零部件開始切入光熱產(chǎn)業(yè)鏈，部分公司開始涉入光熱發(fā)電。首航節(jié)能、航空動(dòng)力、三花股份、杭鍋股份、金晶科技、湘電股份、華儀電氣、天威保變、亞瑪頓等均進(jìn)入該產(chǎn)業(yè)。一類是光熱發(fā)電系統(tǒng)研發(fā)和系統(tǒng)集成商,如天威保變和三花股份均已著手光熱電站的項(xiàng)目規(guī)劃工作；另一類是光熱發(fā)電相關(guān)核心設(shè)備制造商,包括研制斯特林太陽(yáng)能發(fā)動(dòng)機(jī)的航空動(dòng)力和規(guī)模生產(chǎn)太陽(yáng)能玻璃的金晶科技等。相關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)計(jì)至2020年，國(guó)內(nèi)光熱發(fā)電的裝機(jī)有望突破1000萬(wàn)kW，市場(chǎng)規(guī)模可達(dá)千億元以上。

我國(guó)多處于中低緯度，每年接收太陽(yáng)輻射總量在3300～8300MJ／m2之間，相當(dāng)于2.4×104億t標(biāo)準(zhǔn)煤，太陽(yáng)能資源十分豐富。其中西北地區(qū)尤其是青藏高原，空氣稀薄、日照時(shí)數(shù)長(zhǎng)，是我國(guó)太陽(yáng)能資源最豐富的地區(qū)。因此，我國(guó)具備開發(fā)太陽(yáng)能熱發(fā)電的先天優(yōu)勢(shì)。

在我國(guó)遼闊的西北部地區(qū)，如內(nèi)蒙、新疆、青海、寧夏、西藏等地區(qū)以及河北北部、山西北部、四川高原地區(qū)、遼寧西北部、吉林西部、黑龍江西部和山東部分地區(qū)，有豐富的太陽(yáng)能資源和良好的地質(zhì)環(huán)境，在這些地區(qū)開發(fā)利用太陽(yáng)能光熱資源具有得天獨(dú)厚的自然條件。我們可以根據(jù)當(dāng)?shù)氐哪茉淳唧w分布情況，采取不同的光熱利用措施。

（1） 可建設(shè)大型光熱電站，發(fā)電并網(wǎng)，滿足本地區(qū)的工業(yè)和生活用電或者輸送到其它缺乏電力的地區(qū)?？山Y(jié)合當(dāng)?shù)氐娘L(fēng)力資源條件，建設(shè)風(fēng)、光互補(bǔ)型的電站，發(fā)電并網(wǎng)。

（2）在有閑置空地的水泥廠，可利用光熱與水泥余熱發(fā)電結(jié)合起來(lái)，形成雙能源聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，從而可提高水泥余熱電站的發(fā)電功率，創(chuàng)造更大的節(jié)能效益。

（3）在有閑置空地的鋼鐵廠，可利用光熱與燒結(jié)余熱發(fā)電結(jié)合起來(lái)，形成雙能源聯(lián)合循環(huán)發(fā)電，從而可提高燒結(jié)余熱電站的發(fā)電功率，創(chuàng)造更大的節(jié)能效益。

（4）在條件合適的火電廠，可將光熱系統(tǒng)與之有機(jī)結(jié)合起來(lái)，形成雙能源發(fā)電系統(tǒng)，節(jié)約化石能源，增加發(fā)電量，節(jié)能減排、創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益。

（5）光熱系統(tǒng)與油田燃?xì)忮仩t組成雙能源聯(lián)合循環(huán)發(fā)電/采油系統(tǒng)。油田有很多舊油井，經(jīng)過(guò)多年開采，地下儲(chǔ)油的濃度越來(lái)越高，從而開采難度也越來(lái)越高。為了提高采油率，傳統(tǒng)的做法是用燃?xì)忮仩t產(chǎn)生的蒸汽注入廢舊油井，稀釋濃油，需要消耗大量的一次化石能源。可以利用光熱與原來(lái)的燃?xì)忮仩t耦合構(gòu)成雙能源聯(lián)合循環(huán)發(fā)電/采油系統(tǒng)，與燃?xì)忮仩t有機(jī)組合和切換，光熱可以預(yù)熱鍋爐給水或者直接產(chǎn)生高壓蒸汽，用于發(fā)電或采油，充分利用太陽(yáng)能，節(jié)省化石能源。

5 結(jié)論

一次能源需求的日益增加使全世界面臨嚴(yán)重的能源危機(jī)。太陽(yáng)能是儲(chǔ)量最大的綠色能源，取之不盡，用之不竭。作為常規(guī)熱電站的輔助能源，將太陽(yáng)能光熱與熱電耦合發(fā)電，能降低熱電站的單位煤耗，提高電站效率，增加發(fā)電量，節(jié)能減排意義重大。