光伏與光熱發(fā)電發(fā)展前景對比分析

高 博，盧衛(wèi)青，羅亞橋，李遠松，鄭國強

(1.國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學研究院，安徽合肥230601；2.安徽水利水電職業(yè)技術學院，安徽合肥230601)

光伏與光熱發(fā)電發(fā)展前景對比分析

高 博1，盧衛(wèi)青2，羅亞橋1，李遠松1，鄭國強1

(1.國網(wǎng)安徽省電力公司電力科學研究院，安徽合肥230601；2.安徽水利水電職業(yè)技術學院，安徽合肥230601)

太陽能發(fā)電分為光伏發(fā)電和光熱發(fā)電，兩種發(fā)電方式有著諸多的不同之處。從發(fā)電方式、應用領域、儲能方式、發(fā)電可調(diào)度性以及經(jīng)濟性等方面對兩種發(fā)電方式展開對比研究，找出兩者的優(yōu)缺點，分析兩種發(fā)電方式的發(fā)展前景。

光伏發(fā)電;光熱發(fā)電;儲能;可調(diào)度性;經(jīng)濟性

隨著煤炭、石油等化石能源的逐漸枯竭，傳統(tǒng)火力發(fā)電也逐漸面臨著燃料短缺的問題，因此迫切需要新的可再生能源來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的發(fā)電方式。而太陽能作為當今世界可再生能源領域中最清潔、最直接、最有大規(guī)模開發(fā)利用前景的發(fā)電方式之一，是實現(xiàn)向用戶提供“綠色電力”，實現(xiàn)我國“節(jié)能減排”目標的重要舉措[1]。我國太陽能資源儲量豐富，理論年儲量為1.7×1012標準煤，大多地區(qū)年平均日輻射量在4(kW·h)/m2以上，西北地區(qū)日輻射量可達7(kW·h)/m2，日照時間超過2 000 h/年，因此太陽能的開發(fā)在我國具有得天獨厚的自然條件[2-3]。

根據(jù)發(fā)電方式的不同，太陽能發(fā)電可分為光伏和光熱發(fā)電兩種，本文分別從發(fā)電方式、應用領域、儲能方式、發(fā)電可調(diào)度性以及經(jīng)濟性等方面對兩者進行對比分析，以期找出各自的優(yōu)缺點，分析兩種發(fā)電方式的發(fā)展前景。

1 光伏發(fā)電

光伏發(fā)電的原理是當太陽光照射到太陽電池上時，電池吸收光能，產(chǎn)生光生伏打效應，在電池的兩端出現(xiàn)異號電荷積累，若引出電極并接上負載，便有功率輸出[4]。

光伏發(fā)電相比于傳統(tǒng)發(fā)電方式，具有無污染、無噪聲的特點，其發(fā)電過程不需要消耗化石燃料也不需要進行機械操作，不會對大氣產(chǎn)生污染，是一種可持續(xù)的能源利用方式。該種發(fā)電方式有以下幾個主要優(yōu)點：(1)不受地理位置的影響，有光照就可以利用光伏發(fā)電，而且太陽能理論上講是取之不盡、用之不竭的；(2)光伏發(fā)電電能可以就近消納，不需長距離輸電，這樣就節(jié)約了輸電成本；(3)光伏發(fā)電不消耗燃料，不污染空氣、不產(chǎn)生噪聲，不受能源危機的限制，是綠色可再生能源；(4)光伏發(fā)電方式過程簡單，不需要中間介質(zhì)，對水的需求少，可以在荒漠上使用，另外若和建筑物結合，則可以節(jié)省土地資源；(5)光伏發(fā)電組件結構簡單，方便運輸及建設安裝，組件使用壽命較長，維護成本較低。

但光伏發(fā)電方式本身也有不少缺點：(1)光伏發(fā)電受太陽光的影響，發(fā)電功率波動較大，當出現(xiàn)陰天或者晚上時，則沒有發(fā)電功率輸出；(2)光伏發(fā)電現(xiàn)階段光伏發(fā)電存儲成本較高，若要光伏發(fā)電大規(guī)模應用到電網(wǎng)中，必須要能大規(guī)模存儲，這樣就限制了光伏發(fā)電的電網(wǎng)接入規(guī)模；(3)光伏發(fā)電是直接把光能轉換成電能，雖然減少了中間環(huán)節(jié)，但是卻因為缺少中間環(huán)節(jié)而減少了光伏發(fā)電的應用領域，如不能像傳統(tǒng)燃煤發(fā)電可以提供熱能等。

2 光熱發(fā)電

太陽能光熱發(fā)電首先是利用聚光太陽能集熱器把太陽輻射能聚集起來，然后利用能量將某種工質(zhì)加熱到數(shù)百攝氏度，并以此工質(zhì)來驅動發(fā)電機發(fā)電的一項太陽能利用技術[5]。光熱發(fā)電按所加熱介質(zhì)的溫度高低分為高溫發(fā)電和低溫發(fā)電。

2.1 高溫太陽能光熱發(fā)電

高溫發(fā)電是通過聚焦太陽光產(chǎn)生高溫，加熱工質(zhì)進而推動汽輪機發(fā)電的一種發(fā)電方式。根據(jù)集熱形式的不同，光熱發(fā)電可分為槽式、塔式、碟式、分立式等。高溫光熱發(fā)電系統(tǒng)包括聚光集熱裝置、熱機、發(fā)電等3個部分，各種技術的差別主要在于聚光、集熱方式不同[6]。

2.1.1 塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)

塔式系統(tǒng)是利用多臺平面反射鏡，將太陽輻射反射集中到1個高塔頂部的接收器上，將轉換成熱能后傳給工質(zhì)，經(jīng)過蓄熱裝置，再輸入熱動力機，帶動發(fā)電機發(fā)電[5]。塔式技術采用聚焦方式，聚光比較高，溫度可達1 000℃以上，但目前投資成本約為4萬元/kW，占地面積約為1 000畝/10 MW。塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 塔式光熱發(fā)電

2.1.2 槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)

槽式發(fā)電系統(tǒng)的聚光鏡為槽型拋物面，細長型的管狀集熱器被固定在聚光鏡的焦點線上，工質(zhì)在集熱管內(nèi)被加熱，為線聚焦，多個槽式聚光集熱器用串并聯(lián)方式組合起來，然后在換熱器內(nèi)產(chǎn)生高溫高壓蒸汽，從而推動汽輪機發(fā)電。槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)如圖2所示。目前，國際上已投運或在建的光熱發(fā)電站中，槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)較多。

圖2 槽式光熱發(fā)電

2.1.3 碟式光熱發(fā)電系統(tǒng)

碟式光熱發(fā)電是利用旋轉拋物面聚光鏡將太陽光聚集在集熱器上，集熱器內(nèi)的工質(zhì)被加熱從而驅動斯特林機或布雷頓機做功發(fā)電的一種發(fā)電方式，其示意圖如圖3所示。這種模式的光熱發(fā)電系統(tǒng)自身效率很高，可達30%，是以上幾種發(fā)電方式里效率最高的。碟式裝置聚光鏡面和焦點相對位置固定，和塔式技術相比，聚光鏡的直徑和焦距均較小，光斑和像散不大，聚光效率較高。碟式技術為點聚焦，集熱器單位面積上接受到的能量很高，集熱器內(nèi)的工質(zhì)被加熱到750～2 000℃。難以像槽式技術一樣采用串并聯(lián)方式、用軟管將單個聚光集熱器加熱的工質(zhì)集中輸送到熱機處做功發(fā)電，必須給每個碟式單機配置透平或斯特林裝置。另外，因為碟式系統(tǒng)的聚光點處溫度可達2 000℃，但工質(zhì)不能在這么高的溫度下工作，因此接收點不設置在聚光點上，太陽能的利用還不充分。

圖3 碟式光熱發(fā)電

2.1.4 分立式光熱發(fā)電系統(tǒng)

分立式光熱發(fā)電系統(tǒng)的聚光鏡為高次曲面鏡，其跟蹤方式采用自旋+仰角技術，有效減小聚光鏡的像散，聚光效率高。各聚光鏡采用同步雙軸跟蹤，和塔式技術的獨立跟蹤相比，驅動系統(tǒng)簡化。集熱器吸收槽式發(fā)電技術串并聯(lián)布置的特點，可配置單機功率較高的汽輪機，提高了汽輪機的效率和經(jīng)濟性。但高次曲面鏡加工難度高，價格昂貴[6]。

2.2 低溫太陽能光熱發(fā)電

低溫太陽能光熱發(fā)電過程是利用有機工質(zhì)低沸點蒸發(fā)的熱物理性質(zhì)，經(jīng)蒸發(fā)器與低溫熱源換熱，蒸發(fā)為飽和或者過熱蒸汽推動膨脹機做功，將低品位熱能轉化為機械能，并拖動發(fā)電機發(fā)電[7]。傳統(tǒng)火電廠和高溫太陽能光熱發(fā)電都是采用以水蒸氣為介質(zhì)的朗肯循環(huán)，而低溫太陽能發(fā)電是以低沸點有機物為工質(zhì)的朗肯循環(huán)[8]。兩者的最大區(qū)別在于所采用的工質(zhì)不同。

3 光伏和光熱發(fā)電的對比分析

從以上介紹情況可知，光伏發(fā)電和光熱發(fā)電的基本原理完全不同，這樣就造成兩種發(fā)電方式有很多的不同，對于電網(wǎng)來講，也會有很大的影響，兩者的不同可以從以下幾個方面展開分析。

3.1 應用的地域不同

光伏發(fā)電和光熱發(fā)電對太陽能輻照的要求不同，光熱發(fā)電對太陽輻照的要求更高，尤其是高溫光熱發(fā)電，一般采用DNI(直接輻照強度)來衡量某地區(qū)是否適宜建設光熱電站，而光伏發(fā)電一般則采用GHI(地表總輻射值)來衡量即可，同樣一個地方，DNI的總量一般為GHI總量的65%～85%。這是因為光伏發(fā)電對光照的要求低，即便是散射光也可用來發(fā)電，而光熱發(fā)電由于對工作溫度要求較高，只有直射光照才可以滿足運行要求。所以這也就決定了兩者的應用地域有所不同，在太陽能輻照不高的地方，可以建設光伏電站，未必就適合建設光熱電站。

3.2 應用的領域不同

從能量轉化的過程看，光伏發(fā)電僅需要經(jīng)過光電一次轉換即可，而光熱發(fā)電則需要經(jīng)過光導熱再到電的二次轉換。這雖增加了系統(tǒng)集成的難度，但熱量發(fā)生作為光熱電站運行的一個中間環(huán)節(jié)，也擴大了光熱發(fā)電技術的應用領域。比如可以利用其產(chǎn)生的過熱蒸汽與傳統(tǒng)的燃煤電廠、燃氣電廠或生物質(zhì)能電廠進行混合發(fā)電。另外，其產(chǎn)生的熱也可作為副產(chǎn)品進行海水淡化、工業(yè)用熱等領域。

3.3 能量存儲方式不同

在能量的存儲方面，光熱發(fā)電優(yōu)勢明顯，光伏發(fā)電一般只能采用蓄電池存儲的方式，光熱發(fā)電有熱量的轉換過程，可以采用熱量的存儲方式。熱量的存儲要比電能的存儲方便得多，熱量的存儲技術也比電能的存儲技術成熟且廉價得多。

3.4 應用的前景不同

由于光伏電池自身的特性，光伏發(fā)電具有較大的不穩(wěn)定性，目前儲能技術不能保證大規(guī)模地存儲電能，無法平滑地輸送給電網(wǎng)，這就造成電網(wǎng)不可能無限制地接納光伏發(fā)電。而光熱發(fā)電，由于熱量存儲的方便性，就像常規(guī)火力發(fā)電機組一樣，在電網(wǎng)需求的前提下，可以無限制地接納。從這一層面上考慮，光熱發(fā)電比光伏發(fā)電有更廣闊的應用前景。

3.5 發(fā)電的可調(diào)度性不同

3.5.1 對電網(wǎng)負荷波動的響應不同

由于光伏發(fā)電受光照的影響較大，夜晚以及陰天時發(fā)電受限，另外，現(xiàn)階段光伏電站普遍還未配有大規(guī)模存儲設備，這就造成光伏發(fā)電的不穩(wěn)定性，無法正常滿足電網(wǎng)不斷波動的負荷，這會對電網(wǎng)的運行造成很大的挑戰(zhàn)。圖4為某地區(qū)日負荷曲線圖，每15 min一個負荷點，對應圖中的橫軸是從0點至24點的負荷值，圖中負荷最高點出現(xiàn)在下午18：00，而對應的此時正是太陽落山時，日照較少，發(fā)電量肯定較小，若僅靠光伏發(fā)電來提供負荷，肯定無法滿足要求。

圖4 某地區(qū)日負荷曲線圖

光熱發(fā)電則可以利用熱量的存儲技術，能平滑地輸出其功率，可以像火電一樣并入電網(wǎng)，滿足電網(wǎng)負荷不斷波動的需求，不會對電網(wǎng)的運行產(chǎn)生不利的影響。

3.5.2 旋轉備用問題

在電網(wǎng)方面，當光伏大規(guī)模接入，占有全網(wǎng)發(fā)電負荷一定比例后，為了保障電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行，電網(wǎng)方面必須考慮全網(wǎng)的旋轉備用問題，以防止光伏發(fā)電功率的波動對電網(wǎng)造成影響。備用的必須成一定的比例，30%備用或50%備用等，這就造成很大的浪費情況，現(xiàn)階段電網(wǎng)備用一般為火電機組，光伏發(fā)電雖然為清潔能源，但旋轉備用機組卻需要同時燃燒大量相當?shù)拿簛砭S持旋轉備用以保證光伏發(fā)電大規(guī)模接入后電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。這樣一方面會對電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行造成影響，另一方面也并沒有達到節(jié)能減排的目的，還造成了巨大的浪費。

3.5.3 削峰填谷的作用

光伏發(fā)電由于其儲存難度較大，并不能實現(xiàn)削峰填谷的作用。而光熱發(fā)電不同，熱量發(fā)生作為光熱電站運行的一個中間環(huán)節(jié)，可以方便地實現(xiàn)存儲以及重復利用，使其可以像抽水蓄能電站一樣充當電網(wǎng)的調(diào)度電力來源。利用峰谷電價的差異，在谷電價時加熱儲能，在峰電價時放熱發(fā)電，從而達到削峰填谷的作用，有利于電網(wǎng)的穩(wěn)定運行，并且也節(jié)能環(huán)保。

3.6 經(jīng)濟性對比

從光熱發(fā)電的幾種發(fā)電方式的成本對比來看，成本電價最便宜的是槽式發(fā)電，技術也最成熟，槽式光熱發(fā)電的保本電價在1.6～1.7元/kWh，而光伏發(fā)電的保本電價在1.28元/kWh。光熱發(fā)電成本比光伏發(fā)電要高很多。但是，以上電價的計算過程中并未考慮光伏儲能的成本，太陽能光熱發(fā)電可以利用500℃以上熔融鹽作為蓄熱介質(zhì)，儲存的能量在1×106kW·h以上，比利用蓄電池的光伏發(fā)電的能量存儲成本低一個數(shù)量級。從電網(wǎng)的需求看，若要大規(guī)模接入新能源發(fā)電，必須要求有相應的儲存，以滿足電網(wǎng)調(diào)度。所以光伏發(fā)電的經(jīng)濟成本還需考慮這方面的費用，綜合計算，其電價成本還要提高一個等級。

而且，光熱發(fā)電技術現(xiàn)在還在工業(yè)應用的初級階段，還沒有進入大規(guī)模應用階段，在光熱發(fā)電技術日趨成熟，工業(yè)應用越來越規(guī)?；那闆r下，光熱發(fā)電成本還有很大的下降空間。所以，從長遠看，光熱發(fā)電的經(jīng)濟成本有光伏發(fā)電方式不可比擬的優(yōu)勢。

4 結論

本文對光伏與光熱發(fā)電的基本原理進行了介紹，并對兩者的應用地域、應用領域、發(fā)電可調(diào)度性、經(jīng)濟性進行了對比分析，從分析可以看出：光熱發(fā)電在應用領域、能量存儲，發(fā)電可調(diào)度性等方面都有自身獨特的優(yōu)勢，但由于光熱發(fā)電對太陽能輻射要求較高，其應用地域易受限制；經(jīng)濟性方面，目前光熱發(fā)電成本依然較高，當然，目前光熱發(fā)電技術還處在初步應用階段，在其技術上還有很大的發(fā)展空間，經(jīng)濟性上還有很大的降低空間。

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Comparative analysis of development prospect of photovoltaic generation and photo-thermal generation

GAO Bo1,LU Wei-qing2,LUO Ya-qiao1,LI Yuan-song1,ZHENG Guo-qiang1
(1.State Grid Anhui Electric Power Research Institute,Hefei Anhui 230601,China;2.Anhui Water Conservancy Technical College,Hefei Anhui 230601,China)

The photovoltaic generation and photo-thermal generation,which belong to the solar power generation,have many differences.In order to reveal the development prospect of the photovoltaic generation and photo-thermal generation, a detailed comparative analysis on some aspects was made, such as the generation dispatching,application fields,energy storage,generation schedulability,economy,and so on,so that the advantage and disadvantages of them could be summarized.

photovoltaic generation;photo-thermal generation;energy storage;schedulability;economy

TM 615

A

1002-087 X(2017)07-

2016-12-06

高博(1981—)，男，安徽省人，高級工程師，主要研究方向為繼電保護、新能源及智能電網(wǎng)技術。