根据聚光方式的不同,光热发电技术主要分为:塔式、槽式、碟式和线性菲涅尔。其共同点是利用不同技术加热工质,再驱动汽轮机发电,也可以在热能转成电能的环节上采用斯特林发动机。槽式和塔式光热电站目前均已实现了大规模商业化运行,而碟式及线性菲涅尔式则分别处于系统示范阶段。其中目前应用较为广泛的三种光热发电系统比较见下表。
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槽式 |
碟式 |
塔式 |
发电规模(MW) |
30~150 |
1~50 |
30~400 |
运行温度(℃) |
320~400 |
750 |
230~1200 |
系统平均效率(%) |
15 |
25~30 |
20~35 |
商业化状态 |
已商业化 |
完成示范阶段 |
已商业化 |
已建单机最大容量 |
280MW |
100KW |
133MW |
技术风险 |
低 |
高 |
中等 |
能量储存 |
可以 |
电池 |
可以,如熔盐 |
多燃料设计 |
可以 |
可以 |
可以 |
成本($/W) |
4.0~2.7 |
12.6~1.3 |
4.4~2.5 |
成本($/W)不考虑热量的存储 |
4.0~1.3 |
12.6~1.1 |
2.4~0.9 |
占地规模 |
大 |
小 |
中等 |
应用 |
可并网发电,中温段、高温段加热 |
小容量分散发电、边远地区独立系统供电 |
可并网发电,高温段加热 |
缺点 |
使用油作为传热介质,限制了运行温度,最高400℃,只能产生中等品质的蒸汽 |
可靠性需要加强,预计大规模生产成本目标尚未达到 |
性能、初期投资和商业化运行程度不够 |
资料来源:中国产业信息网整理
1、槽式太阳能热发电
槽式太阳能集热系统如下图所示
在太阳能集热器上利用抛物线式反射板将太阳光聚焦到中心焦点线上。在对日跟踪系统的作用下,阳光会被连续地聚集在焦点线位置的集热管上。在集热管中流动的热流体将热量连续不断地输送到高压蒸汽发生器中,通过换热器进行热量交换,产生热蒸汽。若产生的蒸汽用于发电或供热,则热蒸汽做功或放热完成后经过压缩冷凝回流到热蒸汽发生器中,再次被加热成为闭环系统不断循环的热蒸汽;若生产的蒸汽是用于其它生产工艺并被消耗,则需补水。同时,通过热交换器后的热介质流体也将返回到集热场中再次被加热。为了在太阳能不足时仍能生产蒸汽,可在系统中放置储热罐,存储富余的能量,在太阳能不足时对系统进行补给,从而加大太阳能的利用效率。
2、碟式太阳能热发电
碟式又称盘式,其主要技术特征是采用盘状抛物面聚光集热器,它也是一种点聚焦集热器,其聚光比可以高达数百倍到数千倍,因而可以产生非常高的温度。在其接收器上安装热电转换装置,比如斯特林发动机或朗肯循环热机等,从而将热能直接转换成电能。可以单台使用或多台并联使用,适宜小规模发电,所以比较适合偏远山区远离电网地区,进行分布式离网供电。
碟式太阳能光热发电站示意图
3、菲涅尔式集热发电
菲涅尔式集热系统如图8所示,1990 年澳大利亚科学家在总结了槽式和塔式的经验基础上,提出了紧凑线性菲涅尔反射聚光器和蒸汽发生系统的构想,并于2002年由德国 FRAUNHOFER 设计,比利时索拉门多公司制作了5000 m2 的菲涅尔(Fresnel)太阳能聚光器。相比较槽式,这套系统的一个关键优势就在于菲涅尔的聚焦比大,可以获得比较高的温度,每平米镜面所需要的基础和电机很少,系统通过使用标准的平面镜代替需要特殊方法加工的曲面反射镜,让所有的镜子贴近地面,降低风载和钢的使用,从而降低成本。
菲涅尔式太阳能光热发电站基本原理图
4、塔式太阳能热发电
塔式系统如下图所示,具有规模大、热传递路程短、热损耗小、聚光比和温度较高等特点,是几种光热发电系统中可达到发电成本最低的一种。它利用众多定日镜形成的定日镜场阵列,将太阳辐射反射到置于高塔顶部的吸热器上,加热吸热工质使其直接产生蒸汽或者换热后再产生蒸汽,以此驱动汽轮机带动发电机组,从而将太阳能转换为电能。整个系统主要由 4 大基本部分构成:聚光系统、吸热系统、储热系统和发电系统。
塔式太阳能光热发电站基本原理图
目前,槽式和塔式光热发电已经实现商业化,菲涅尔和碟式技术所占的份额依旧很少,短期看也没有出现大跨步发展的迹象。世界范围内槽式光热发电系统占比最高,因为塔式光热发电系统的初始投资高、碟式发电系统能量储存困难。但塔式光热发电系统综合效率高,非常适合于大规模、大容量商业化应用,在规划建设的光热电站项目中塔式所占的比例已经超出了槽式技术。我们认为,未来塔式光热发电技术将是光热发电的主要技术流派。
四种光热发电技术的装机比例统计(截至2013 年3 月份)
类别 |
槽式 |
塔式 |
菲涅尔 |
碟式 |
已建成 |
26.9% |
0.8% |
0.6% |
0.04% |
在建 |
28.6% |
7.4% |
1.8% |
— |
计划建设 |
15.9% |
17.6% |
0.3% |
— |
合计 |
71.4% |
25.9% |
2.7% |
— |