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2021年太阳能聚热电站报告

中国电力网发布时间:2021-12-28 11:29:59  作者:庞名立

  聚焦型太阳能热发电(Concentrated solar power,CSP;Concentrated solar thermal)是一个集热式的太阳能发电厂的发电系统。它使用反射镜或透镜,利用光学原理将大面积的阳光汇聚到一个相对细小的集光区中,令太阳能集中,在发电机上的集光区受太阳光照射而温度上升,由光热转换原理令太阳能换化为热能,热能通过热机(通常是蒸汽涡轮发动机)做功驱动发电机,从而产生的电力。(撰文:庞名立)

  2005 年全球太阳能聚热电站总装机容量为的 354 MW,到2018年飞跃到5500MW。尽管从2013年起,西班牙没有新的装机容量进入商业运营,但占世界容量的近一半,为2300MW。美国紧随其后,装机容量为 1740 MW。北非和中东以及印度和中国的兴趣也很明显。全球市场最初由抛物线槽式电站主导,一度占 CSP 电站的 90%。但从约 2010 年以来,中央电力塔式 CSP 因其较高的运行温度而受到新电厂的青睐—高达 565℃,也许会更高的效率;而槽的最高温度为400℃。

  较大的CSP的项目是在美国的伊万帕太阳能发电设施(Ivanpah Solar Power Facility),它使用392 MW太阳能发电塔技术,无需热能储存,然而瓦尔扎扎特太阳能发电站在摩洛哥,相结合的槽和塔技术总计 510 MW,具有数小时的能量存储,居世界第一。

  太阳能聚热电站的储能优势推动光热发电崛起 降低成本势在必行。这意味着与传统的发电厂一样,光热电站产生的电力可以很好地满足连续的用电需求,而这主要得益于光热电站可以配置高性价比的熔盐储热系统。这种储热技术并非直接蓄电(光伏和风电一般使用蓄电池来储存电力),这使得光热电站生产的电力不仅可调度,而且可以实现24小时电力调度,且夜间不需要补充备用燃料。

  塔式光热发电技术便采用熔盐进行储热,由硝酸钠和硝酸钾组成的混合物被作为电站的传储热介质。熔盐泵将熔融盐(300℃)泵到高约164米左右的吸热塔顶端的吸热器中,而吸热器用集中的太阳辐射热量将熔盐加热到约565℃。约27215吨的熔融盐被密封存储在不锈钢罐中,这样可以更好地实现储热。

  CSP作为一种热能发电站,与燃煤、燃气等火力发电站以及地热电站有更多的共同点。CSP发电厂可以结合热能储存,以显热或潜热的形式储存能量(例如使用熔盐),这使得这些发电厂能够在需要时继续发电,无论白天还是黑夜。这使得 CSP 成为一种可调度的太阳能形式。可调度的可再生能源在光伏 (PV) 普及率已经很高的地方尤其有价值,例如在加利福尼亚,因为当光伏容量下降时,电力需求会在日落附近达到峰值(这种现象称为鸭曲线)。

  CSP 通常与光伏(PV)进行比较,因为它们都使用太阳能。近年来,由于价格下跌,光伏经历了巨大的增长;由于技术困难和价格高昂,太阳能 CSP 增长缓慢。2017 年CS​​P 占全球太阳能发电厂装机容量不到 2%。然而,CSP 可以更轻松地在夜间储存能量,使其与可调度发电机和基荷电厂相比更具竞争力。

  迪拜的 DEWA 项目于 2019 年在建,其 700 MW 槽式和塔式组合项目保持2017 年CSP 价格最低世界纪录为$73/MWh:600 MW 槽式,100 MW 塔式 15小时每天的热能储存。智利极度干燥的阿塔卡马地区的基本负荷 CSP 电价在 2017 年其价格低于$50/ MWh。

  太阳能聚焦热历史

  ▲ 传说阿基米德(Archimedes 公元前287年~212年)用“燃烧的玻璃(burning glass)”将阳光聚集在入侵的罗马舰队上,将他们从锡拉丘兹(Syracuse)击退。1973年希腊科学家扬尼斯・萨卡斯(Ioannis Sakkas)博士对阿基米德是否真实能在公元前 212 年摧毁罗马舰队感到好奇,将近 60 名希腊水手排成一排,每个人都拿着一面长方形的镜子,可以捕捉太阳光线并将其对准焦油-覆盖胶合板 49 m (160 ft) 远。几分钟后,这艘船着火了;然而,仍然有历史学家继续怀疑阿基米德的故事。

  ▲ 1866 年奥古斯特·穆肖特(Auguste Mouchout)使用抛物线槽为第一台太阳能蒸汽机生产蒸汽。

  ▲ 1886 年意大利人亚历山德罗·巴塔利亚 (Alessandro Battaglia) 在意大利热那亚获得了太阳能集热器的第一项专利。在接下来的几年里,约翰·爱立信( John Ericsson)和弗兰克·舒曼( Frank Shuman) 等发明家开发了用于灌溉、制冷和移动的聚光太阳能设备。

  ▲ 1913年舒曼(Shuman)在埃及马迪(Maadi, Egypt)完成了一座 55 马力(41 千瓦)的抛物线太阳能热发电站,用于灌溉。首次使用反射镜的太阳能系统是由火箭专家罗伯特·戈达德(Robert Hutchings Goddard,1882年~1945年)博士建造的,他已经以对液体燃料火箭的研究而闻名,并于 1929 年写了一篇文章,断言之前的所有障碍都已解决。

  ▲ 法国乔瓦尼教授(Professor Giovanni Francia,1911~1980年) 设计并建造了第一座聚光太阳能发电厂,该发电厂于1968 年在意大利热那亚(Genoa, Italy)附近的圣伊拉里奥投产。该发电厂具有当今发电塔式发电厂的架构,在其内部装有太阳能接收器。太阳能集热器领域的中心。该工厂能够用 100 bar 和 500 °C 的过热蒸汽生产 1 MW。 10 MW太阳能一号发电塔(Solar One power tower)于 1981 年在南加州开发。太阳能一号被转换为太阳能二号1995 年,采用熔盐混合物(60% 硝酸钠,40% 硝酸钾)作为接收器工作流体和存储介质的新设计。熔盐方法被证明是有效的,太阳能二号在 1999 年退役之前一直成功运行。附近太阳能发电系统( Solar Energy Generating Systems,缩写SEGS)的抛物线槽技术始于 1984 年,更可行。354 MW SEGS 是世界上最大的太阳能发电厂,直到 2014 年。

  ▲ 从 1990 年太阳能发电系统(SEGS)建成到 2006年澳大利亚利德尔发电站(Liddell Power Station in Australia)的紧凑型线性菲涅耳反射器系统( Compact linear Fresnel reflector system)建成,没有建造商业聚光太阳能。尽管 5 MW Kimberlina 太阳能热能发电厂于 2009 年开业,但很少有其他发电厂采用这种设计。

  ▲ 2007 年75 MW 的内华达太阳能1号(Nevada Solar One)建成,采用槽式设计,是 SEGS 以来的第一座大型电站。2009 年至 2013 年间,西班牙建造了 40 多个抛物线槽系统,标准化为 50 MW 模块。

  ▲ 由于太阳能2号(Solar Two)的成功,2011年在西班牙建造了一座名为Solar Tres Power Tower的商业发电厂,后来更名为Gemasolar Thermosolar Plant。Gemasolar 的结果为进一步开发此类装置铺平了道路。伊万帕太阳能发电设施(Ivanpah Solar Power Facility )是在同一时间建造的,但没有蓄热,每天早上使用天然气预热水。

  ▲ 多数聚光太阳能发电厂使用抛物线槽设计,而不是电力塔或菲涅耳系统。也有抛物线槽系统的变体,例如结合了槽和传统化石燃料供热系统的集成太阳能联合循环(integrated solar combined cycle ,缩写ISCC) 。

  ▲ 聚光太阳能(CSP)最初被视为光伏发电(PV)的竞争对手,而 Ivanpah 的建造没有储能,尽管 Solar Two 已经包含了几个小时的热存储。到 2015 年,光伏电站的价格已经下降,光伏商业电力的售价为近期 CSP 合同的1 ⁄ 3。然而,越来越多的 CSP 竞标具有 3 到 12 小时的热能存储,使 CSP 成为一种可调度的太阳能形式。因此,它越来越被视为与天然气和光伏电池竞争,以获得灵活、可调度的电力。

  当前太阳能聚焦热技术

  聚焦型太阳能热发电(Concentrated solar power,CSP;Concentrated solar thermal)不要与聚光光伏(CPV)混为一谈。聚光光伏(Concentrator photovoltaics ,CPV)是通过光生伏打效应(photovoltaic effect)把聚光的太阳光直接转换为电能。

  聚光光伏(Concentrator photovoltaics ,CPV)是一种从阳光中发电的光伏技术。与传统的光伏系统不同,它使用透镜或曲面镜将阳光聚焦到小型,高效,多结(MJ)的太阳能电池上。此外,CPV系统通常使用太阳能跟踪器,有时还使用冷却系统以进一步提高效率。正在进行的研究和开发正在迅速提高其在公用事业规模领域和日晒程度较高的领域的竞争力。

  当前CSP聚光技术存在四个常见的形式,即抛物线槽型,斯特林碟型,聚光线性菲涅尔反射镜型和太阳能发电塔型。虽说简单,这些太阳能集光器距离理论上的集光最大值还很远。例如,抛物线槽浓度给出大约1/3的理论最大值为设计接受角,即对于相同的系统整体公差。接近理论最大值可以通过使用基于非成像光学的更精细的聚光器来实现。

  由于它们跟踪太阳和聚焦光的方式不同,不同类型的聚光器产生不同的峰值温度和相应变化的热力学效率。CSP 技术的新创新正在引领系统变得越来越具有成本效益。

  ⑴ 抛物线槽型(Parabolic trough)。抛物线槽型的聚光镜是由把反射光集中到焦线的一个接收器的抛物线反射镜组成。接收器是在抛物面反射镜的中间正上方的一个管子,并且管子中充满了的工作流体。反射镜通过沿单轴在白天跟踪太阳。在流经接收器时,工作流体(例如,熔盐)被加热到150-350℃(423~623 K(302~662 °F)),然后将其用作发电系统用的热源。抛物线槽型系统是最发达的CSP技术。

  ⑵ 斯特林碟型(Stirling dish)。聚光太阳能热发电(CSP)-斯特林已知具有在所有太阳能技术中最高的效率(30%左右,相对于太阳能光伏PV的约15%),以及被预测为能生产高规模化生产的所有的可再生能源中最便宜的能量和在炎热地区,半沙漠等。蝶式系统利用大型抛物线曲面聚光反射镜(形状与卫星电视碟相似),将入射阳光聚集在焦点处,在那里一个接收器捕捉热量并将其转换成有用的形式。通常是碟与斯特林发动机被耦合在一个斯特林碟形系统,但有时蒸汽机也被使用。这些产生旋转动能,可使用发电机转换为电能。

  ⑶ 聚光线性菲涅尔反射镜型(Fresnel reflectors)。菲涅耳反射器是由许多薄的平面镜条把太阳光集中到管子上,其中管子通过被泵送的工作流体。平面镜允许在相同的空间中有比一个抛物面反射器量更多的反射面,从而捕获更多的可用的太阳光,并且它们比抛物面反射器便宜得多。菲涅耳反射器可以用于各种大小的聚光太阳能热发电。

  ⑷ 太阳能发电塔型(Solar power tower)。塔式太阳能热发电是采用大量的定向反射镜(定日镜)将太阳光聚集到一个装在塔顶的中央热交换器(接受器)上,接受器一般可以收集100MW的辐射功率,产生1100°C的高温。

  全球太阳能热电站数量

  目前,全球有太阳能聚焦热电站64座在运行,其中西班牙最多有27座,其次是美国有12座。中国运行的有8座。待建的太阳能聚焦热电站有19座,美国8座、中国6座。


世界各国太阳能聚焦热电站数量

  全球前十大太阳能聚焦热电站

  尽管中国太阳能聚焦热电站落后于西班牙和美国,但是进展较快。先请看德令哈太阳能发电站视频

  https://weibo.com/tv/show/1034:4295424870400900?from=old_pc_videoshow

  中国太阳能聚焦热电站

  全球在建的装机容量至少在50MW的太阳能聚焦热电站有7座,其中中国有6座。最大的是在阿联酋迪拜—穆罕默德·本·拉希德·阿勒马克图姆太阳能公园四期(Mohammed bin Rashid Al Maktoum Solar Park Phase IV),估计2021年竣工。中国在建的CSP如表。

  中国在建太阳能聚焦热电站

  世界著名的太阳能聚焦热发电公司

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