太陽能光熱發(fā)電與光伏發(fā)電對比分析

傳統(tǒng)的火力發(fā)電是通過燃燒，把化石中儲(chǔ)存的能量，轉(zhuǎn)化為熱能，再轉(zhuǎn)化為電能。而太陽能光熱發(fā)電那么是通過數(shù)量眾多的反射鏡，將太陽的直射光聚焦采集，通過加熱水或者其他工作介質(zhì)，將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，然后利用與傳統(tǒng)的熱力循環(huán)一樣的過程，即形成高溫高壓的水蒸氣推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組工作，最終將熱能轉(zhuǎn)化成為電能，典型太陽能光熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)原理如下圖。太陽能光熱發(fā)電熱力循環(huán)系統(tǒng)原理圖

正是通過這樣的環(huán)節(jié)，太陽能光熱發(fā)電技術(shù)和傳統(tǒng)火力發(fā)電技術(shù)順利地集成在一起。由于火力發(fā)電技術(shù)早已非常成熟，從而降低了太陽能光熱發(fā)電整體技術(shù)開發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。

中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)發(fā)布的《2023-2023年中國太陽能熱利用市場專項(xiàng)研究及投資戰(zhàn)略咨詢報(bào)告》指出：太陽能發(fā)電技術(shù)主要包括太陽能光伏發(fā)電和太陽能光熱發(fā)電兩種，光伏發(fā)電的原理是當(dāng)太陽光照射到太陽能電池上時(shí)，電池吸收光能，產(chǎn)生光生伏打效應(yīng)，在電池的兩端出現(xiàn)異號(hào)電荷積累。假設(shè)引出電極并接上負(fù)載，便有功率輸出。光伏發(fā)電是目前太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)的主流技術(shù)，較為成熟，國家已明確其上網(wǎng)電價(jià)〔不同地區(qū)在0.9~1元/度范圍變化〕，發(fā)電本錢也下降至0.7元/度左右；光熱發(fā)電在我國開展時(shí)間較短，在太陽能聚光方法及設(shè)備、高溫傳熱儲(chǔ)熱、電站設(shè)計(jì)等集成以及控制方面，已經(jīng)取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，但商業(yè)化業(yè)績較小，上網(wǎng)電價(jià)政策尚未落實(shí)，發(fā)電本錢也較高，約為0.9元/度左右。但太陽能光熱發(fā)電與光伏發(fā)電相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1〕太陽能光熱發(fā)電輸出電力穩(wěn)定，電力具有可調(diào)節(jié)性，易于并網(wǎng)

目前太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)可以通過增加儲(chǔ)熱單元或通過補(bǔ)燃或與常規(guī)火電聯(lián)合運(yùn)行改善出力特性。而光伏發(fā)電受日光照射強(qiáng)度影響較大，上網(wǎng)后給電網(wǎng)帶來較大壓力，其發(fā)電形式獨(dú)特，和傳統(tǒng)電廠合并難度大。?通過儲(chǔ)熱改善光熱發(fā)電出力特性〔槽式和塔式光熱發(fā)電〕。白天將多余熱量儲(chǔ)存，晚間再用儲(chǔ)存的熱量釋放發(fā)電，這樣可以實(shí)現(xiàn)光熱發(fā)電連續(xù)供電，保證電流穩(wěn)定，防止了光伏發(fā)電與風(fēng)力發(fā)電難以解決的入網(wǎng)調(diào)峰問題。根據(jù)不同儲(chǔ)熱模式，可不同程度提高電站利用小時(shí)數(shù)和發(fā)電量，提高電站調(diào)節(jié)性能。?通過補(bǔ)燃或與常規(guī)火電聯(lián)合運(yùn)行改善光熱發(fā)電出力特性。太陽能熱發(fā)電站可利用化石燃料補(bǔ)燃或與常規(guī)火電聯(lián)合運(yùn)行，使其可以在晚上或連續(xù)陰天時(shí)持續(xù)發(fā)電，甚至可以以穩(wěn)定出力承當(dāng)基荷運(yùn)行，從而使年發(fā)電利用得到7000小時(shí)左右。

2〕太陽能光熱發(fā)電無污染

光熱發(fā)電是清潔生產(chǎn)過程，根本采用物理手段進(jìn)行光電能量轉(zhuǎn)換，對環(huán)境危害極小，太陽能光熱發(fā)電站全生命周期的CO2排放僅為13~19g/kWh。而光伏發(fā)電技術(shù)存在致命弱點(diǎn)為太陽能電池在生產(chǎn)過程中對環(huán)境的損耗較大，是高能耗、高污染的生產(chǎn)過程。業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，太陽能電池在生命周期所能節(jié)約的能源與生產(chǎn)太陽能電池本身所要消耗的資源相比，并不經(jīng)濟(jì)。光伏和光熱發(fā)電比照

光伏光熱發(fā)電原理利用太陽光中的可見光形成光電子。使用半導(dǎo)體吸附并形成電流，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電的過程。利用太陽光中的熱能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，并使用汽輪機(jī)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為電能實(shí)現(xiàn)發(fā)電的過程?？衫锰柲苜Y源60%30%發(fā)電本錢0.7元/度0.9元/度上網(wǎng)電價(jià)0.9~1元/度無儲(chǔ)能系統(tǒng)使用電池進(jìn)行電能儲(chǔ)存，使用壽命短、損耗大通過一些介質(zhì)如熔融鹽、水等材料進(jìn)行熱儲(chǔ)存，使用壽命長、損耗小每年發(fā)電小時(shí)數(shù)〔小時(shí)〕1800~2200儲(chǔ)能：5000不儲(chǔ)能：2000上下與傳統(tǒng)電廠合并不能能輸出電力特性不可改變可改變，調(diào)節(jié)生產(chǎn)過程清潔度高污染清潔轉(zhuǎn)化效率10~20%15~30%占地面積〔m2/MW〕25~3035~40適用范圍適合小規(guī)模、分布式發(fā)電由于其與火力發(fā)電有著共性，同樣適合集中式大規(guī)模發(fā)電全球技術(shù)水平技術(shù)成熟應(yīng)用技術(shù)已相對成熟全球產(chǎn)業(yè)化水平產(chǎn)業(yè)化程度很高產(chǎn)業(yè)化初步形成國內(nèi)產(chǎn)業(yè)化水平產(chǎn)業(yè)化程度很高未形成產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢技術(shù)和產(chǎn)業(yè)已相對成熟儲(chǔ)熱本錢低且效率高，年發(fā)電小時(shí)數(shù)長，與其他發(fā)電可有效契合，是是最有條件逐步替代火電、擔(dān)當(dāng)根底電力負(fù)荷的新能源劣勢生產(chǎn)過程中存在污染，且穩(wěn)定性不高對地理?xiàng)l件要求高資料來源：中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)整理

根據(jù)聚光方式的不同，光熱發(fā)電技術(shù)主要分為：塔式、槽式、碟式和線性菲涅爾。其共同點(diǎn)是利用不同技術(shù)加熱工質(zhì)，再驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，也可以在熱能轉(zhuǎn)成電能的環(huán)節(jié)上采用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。槽式和塔式光熱電站目前均已實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模商業(yè)化運(yùn)行，而碟式及線性菲涅爾式那么分別處于系統(tǒng)示范階段。其中目前應(yīng)用較為廣泛的三種光熱發(fā)電系統(tǒng)比擬見下表。三種光熱發(fā)電系統(tǒng)比擬

槽式碟式塔式發(fā)電規(guī)模〔MW〕30~1501~5030~400運(yùn)行溫度〔℃〕320~400750230~1200系統(tǒng)平均效率〔%〕1525~3020~35商業(yè)化狀態(tài)已商業(yè)化完成示范階段已商業(yè)化已建單機(jī)最大容量280MW100KW133MW技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)低高中等能量儲(chǔ)存可以電池可以，如熔鹽多燃料設(shè)計(jì)可以可以可以本錢〔$/W)4.0~2.712.6~1.34.4~2.5本錢〔$/W)不考慮熱量的存儲(chǔ)4.0~1.312.6~1.12.4~0.9占地規(guī)模大小中等應(yīng)用可并網(wǎng)發(fā)電，中溫段、高溫段加熱小容量分散發(fā)電、遙遠(yuǎn)地區(qū)獨(dú)立系統(tǒng)供電可并網(wǎng)發(fā)電，高溫段加熱缺點(diǎn)使用油作為傳熱介質(zhì)，限制了運(yùn)行溫度，最高400℃，只能產(chǎn)生中等品質(zhì)的蒸汽可靠性需要加強(qiáng)，預(yù)計(jì)大規(guī)模生產(chǎn)本錢目標(biāo)尚未到達(dá)性能、初期投資和商業(yè)化運(yùn)行程度不夠資料來源：中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)整理

1、槽式太陽能熱發(fā)電槽式太陽能集熱系統(tǒng)如下列圖所示

在太陽能集熱器上利用拋物線式反射板將太陽光聚焦到中心焦點(diǎn)線上。在對日跟蹤系統(tǒng)的作用下，陽光會(huì)被連續(xù)地聚集在焦點(diǎn)線位置的集熱管上。在集熱管中流動(dòng)的熱流體將熱量連續(xù)不斷地輸送到高壓蒸汽發(fā)生器中，通過換熱器進(jìn)行熱量交換，產(chǎn)生熱蒸汽。假設(shè)產(chǎn)生的蒸汽用于發(fā)電或供熱，那么熱蒸汽做功或放熱完成后經(jīng)過壓縮冷凝回流到熱蒸汽發(fā)生器中，再次被加熱成為閉環(huán)系統(tǒng)不斷循環(huán)的熱蒸汽；假設(shè)生產(chǎn)的蒸汽是用于其它生產(chǎn)工藝并被消耗，那么需補(bǔ)水。同時(shí)，通過熱交換器后的熱介質(zhì)流體也將返回到集熱場中再次被加熱。為了在太陽能缺乏時(shí)仍能生產(chǎn)蒸汽，可在系統(tǒng)中放置儲(chǔ)熱罐，存儲(chǔ)充裕的能量，在太陽能缺乏時(shí)對系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)給，從而加大太陽能的利用效率。

2、碟式太陽能熱發(fā)電

碟式又稱盤式，其主要技術(shù)特征是采用盤狀拋物面聚光集熱器，它也是一種點(diǎn)聚焦集熱器，其聚光比可以高達(dá)數(shù)百倍到數(shù)千倍，因而可以產(chǎn)生非常高的溫度。在其接收器上安裝熱電轉(zhuǎn)換裝置，比方斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)或朗肯循環(huán)熱機(jī)等，從而將熱能直接轉(zhuǎn)換成電能。可以單臺(tái)使用或多臺(tái)并聯(lián)使用，適宜小規(guī)模發(fā)電，所以比擬適合偏遠(yuǎn)山區(qū)遠(yuǎn)離電網(wǎng)地區(qū)，進(jìn)行分布式離網(wǎng)供電。碟式太陽能光熱發(fā)電站示意圖

3、菲涅爾式集熱發(fā)電

菲涅爾式集熱系統(tǒng)如圖8所示，1990年澳大利亞科學(xué)家在總結(jié)了槽式和塔式的經(jīng)驗(yàn)根底上，提出了緊湊線性菲涅爾反射聚光器和蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的設(shè)想，并于2002年由德國FRAUNHOFER設(shè)計(jì)，比利時(shí)索拉門多公司制作了5000m2的菲涅爾〔Fresnel〕太陽能聚光器。相比擬槽式，這套系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢就在于菲涅爾的聚焦比大，可以獲得比擬高的溫度，每平米鏡面所需要的根底和電機(jī)很少，系統(tǒng)通過使用標(biāo)準(zhǔn)的平面鏡代替需要特殊方法加工的曲面反射鏡，讓所有的鏡子貼近地面，降低風(fēng)載和鋼的使用，從而降低本錢。菲涅爾式太陽能光熱發(fā)電站根本原理圖

4、塔式太陽能熱發(fā)電

塔式系統(tǒng)如下列圖所示，具有規(guī)模大、熱傳遞路程短、熱損耗小、聚光比和溫度較高等特點(diǎn)，是幾種光熱發(fā)電系統(tǒng)中可到達(dá)發(fā)電本錢最低的一種。它利用眾多定日鏡形成的定日鏡場陣列，將太陽輻射反射到置于高塔頂部的吸熱器上，加熱吸熱工質(zhì)使其直接產(chǎn)生蒸汽或者換熱后再產(chǎn)生蒸汽，以此驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)組，從而將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。整個(gè)系統(tǒng)主要由4大根本局部構(gòu)成：聚光系統(tǒng)、吸熱系統(tǒng)、儲(chǔ)熱系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)。塔式太陽能光熱發(fā)電站根本原理圖

目前，槽式和塔式光熱發(fā)電已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，菲涅爾和碟式技術(shù)所占的份額依舊很少，短期看也沒有出現(xiàn)大跨步開展的跡象。世界范圍內(nèi)槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)占比最高，因?yàn)樗焦鉄岚l(fā)電系統(tǒng)的初始投資高、碟式發(fā)電系統(tǒng)能量儲(chǔ)存困難。但塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)綜合效率高，非常適合于大規(guī)模、大容量商業(yè)化應(yīng)用，在規(guī)劃建設(shè)的光熱電站工程中塔式所占的比例已經(jīng)超出了槽式技術(shù)。我們認(rèn)為，未來塔式光熱發(fā)電技術(shù)將是光熱發(fā)電的主要技術(shù)流派。四種光熱發(fā)電技術(shù)的裝機(jī)比例統(tǒng)計(jì)〔截至2023年3月份〕類別槽式塔式菲涅爾碟式已建成26.9%0.8%0.6%0.04%在建28.6%7.4%1.8%—方案建設(shè)15.9%17.6%0.3%—合計(jì)71.4%25.9%2.7%—現(xiàn)階段被廣泛商業(yè)化運(yùn)行的槽式聚光系統(tǒng)多為管桁架式，耗用的鋼材多，自重大，本錢高，加之是單軸跟蹤，聚光比低，光熱轉(zhuǎn)換效率低。而碟式聚光系統(tǒng)雖然具有較高的光學(xué)效率和較低的跟蹤誤差，并采用了高效率的集熱器，從而具有較高的熱電轉(zhuǎn)換效率等這些優(yōu)點(diǎn)。但是在增大聚光面積時(shí)，增加了支撐架體設(shè)計(jì)難度，由于抗風(fēng)等級(jí)的要求導(dǎo)致用鋼量大幅度提高，造成系統(tǒng)本錢增加。作為線性菲涅爾聚光系統(tǒng)，雖然建設(shè)和維護(hù)本錢相對來說低廉，但其普遍存在遮擋和陰影問題，造成系統(tǒng)效率低，聚光倍數(shù)只有數(shù)十倍。導(dǎo)熱管路上能量損失問題也是線性菲涅爾集熱器上不容無視的問題。相比上述缺乏，秦皇島瑜陽光能科技的復(fù)合碟作為一種新型聚光系統(tǒng)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：〔1〕焦點(diǎn)固定設(shè)計(jì)〔即系統(tǒng)集熱裝置固定〕——具有塔式焦點(diǎn)不移動(dòng)的特點(diǎn)。本創(chuàng)造降低了太陽能聚光系統(tǒng)接收器的設(shè)計(jì)難度，解決其它系統(tǒng)中普遍存在的管路安裝困難的問題?！?〕高精度雙軸跟蹤，高倍點(diǎn)聚焦設(shè)計(jì)——可實(shí)現(xiàn)高溫利用?！?〕優(yōu)化布置反射鏡場和接收器形式——解決了線性菲涅耳反射鏡式集熱系統(tǒng)普遍存在遮擋和陰影問題?！?〕低矮型設(shè)計(jì)——抗風(fēng)效果好，結(jié)構(gòu)簡單，耗材量小，安裝方便，節(jié)約建設(shè)本錢?！?〕集熱核心部件石墨柱的應(yīng)用——采用導(dǎo)熱性好，耐腐蝕，化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的石墨柱，直插式的方式將集熱器與導(dǎo)熱儲(chǔ)能裝置融為一體。秦皇島東陽科技是專業(yè)研發(fā)太陽能光熱產(chǎn)品的高新技術(shù)企業(yè)，在2023年依托秦皇島瑜陽光能科