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槽式太陽能熱發(fā)電可以借助傳熱介質(zhì)的熱惰性有效應(yīng)對多云天氣的變化，在熱循環(huán)系統(tǒng)中可保持溫度相對穩(wěn)定，其輸出的優(yōu)質(zhì)電力和規(guī)模儲能為電網(wǎng)所歡迎。此外，槽式光熱循環(huán)系統(tǒng)還可通過多能互補充分展現(xiàn)儲熱優(yōu)勢，通過延長發(fā)電時數(shù)降低發(fā)電成本，通過精心設(shè)計減少初始投資。只要根據(jù)我國國情不斷創(chuàng)新并提出可行性的方案，即可有效提升槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)在我國可再生能源發(fā)電中的市場競爭力。本文作者分享了幾種槽式太陽能的方案，以供參考。

前言

太陽能光熱發(fā)電技術(shù)目前主要有槽式、塔式、碟式、線性菲涅耳四種，其中槽式光熱發(fā)電約占據(jù)裝機總量的70%以上，技術(shù)成熟度得到公認，已被證明是一種具有發(fā)展前景的可再生能源技術(shù)。槽式光熱發(fā)電的基本優(yōu)勢是可以借助傳熱介質(zhì)的熱惰性以及儲能有效應(yīng)對多云天氣的變化，在熱循環(huán)系統(tǒng)中可保持溫度相對穩(wěn)定，其輸出的優(yōu)質(zhì)電力和規(guī)模儲能為電網(wǎng)所歡迎。

槽式聚光設(shè)備經(jīng)長時間的實踐磨合，技術(shù)參數(shù)接近極限；充分運用光譜選擇性吸收原理致使其光熱轉(zhuǎn)化效率最高；盡管我國自然環(huán)境約束條件多，太陽能直射輻射值（DNI）大多低于中東北非等國外的資源條件，但槽式光熱循環(huán)系統(tǒng)可通過多能互補充分展現(xiàn)儲熱優(yōu)勢；通過延長發(fā)電時數(shù)降低發(fā)電成本；通過精心設(shè)計減少初始投資；只要根據(jù)國情有針對性地不斷創(chuàng)新，即可有效提升槽式光熱發(fā)電技術(shù)在我國可再生能源發(fā)電中的市場競爭力。

圖2無儲熱的槽式光熱發(fā)電技術(shù)原理圖

圖3首次在歐洲應(yīng)用的帶熔鹽儲熱設(shè)備的槽式光熱發(fā)電技術(shù)

圖4美國Solana和Mojave兩電站年度季節(jié)性運行曲線

一、鼓勵槽式太陽能熱發(fā)電與風電、光伏互補儲熱

推廣在光熱發(fā)電站內(nèi)配置風電、光伏等可再生能源設(shè)施，推廣燃氣布雷頓發(fā)電與光熱發(fā)電互補儲熱發(fā)電技術(shù)，其目的是降低初始投資，增加發(fā)電時數(shù)，提高市場競爭力。

電規(guī)總院和水規(guī)總院先前發(fā)布的《2016—2017年投產(chǎn)電力工程項目造價情況》顯示，我國5個百萬千瓦級二代改進型核電項目平均造價為12038元/千瓦，11個常規(guī)水電項目造價為9352元/千瓦，41個火電項目為3593元/千瓦，而風電和光伏發(fā)電分別為7587元/千瓦和7406元/千瓦。顯然，光熱發(fā)電在初始投資上已經(jīng)“輸在了起跑線上”。目前，風電和光伏設(shè)備市場競爭比較充分，價格降幅很大，近期GE中標內(nèi)蒙古興安盟100MW風電項目，風機報價僅3491元/千瓦！由此可見，把風電或光伏作為光熱電站的重要組成可有效平抑光熱發(fā)電初始投資，同時建立以光熱發(fā)電為核心的綜合能源發(fā)電基地。

傳統(tǒng)槽式光熱發(fā)電站的發(fā)電時數(shù)基本與當?shù)氐腄NI相當，如果引入風電和光伏電力可借助電儲熱提高年發(fā)電時數(shù)和發(fā)電量；尤其是將兩個不穩(wěn)定電力通過儲能加以均衡，可進一步增強光熱電站作為電網(wǎng)基荷電源的能力，激發(fā)風險資本對光熱發(fā)電的投資熱情。如圖5所示。

圖5風電、光伏與光熱發(fā)電互補示意圖

圖6風電、光伏運行負荷曲線

選擇風電互補儲熱，主要利用風電反調(diào)峰特性為儲熱設(shè)備提供輔助熱源；如圖6風電、光伏運行負荷曲線所示，我國風電機組夜間運行多，與負荷需求恰好相反，成反調(diào)峰狀態(tài)，因此將反調(diào)峰電力用于光熱發(fā)電儲熱，可與光熱發(fā)電形成有效互補，相比光伏發(fā)電與光熱發(fā)電同周期運行更有利。圖7是國內(nèi)風電行業(yè)借用光熱發(fā)電熔鹽儲熱模式提出的電轉(zhuǎn)熱儲能發(fā)電系統(tǒng)。

圖7國內(nèi)風電行業(yè)電轉(zhuǎn)熱儲能發(fā)電系統(tǒng)

圖8是將風力直接轉(zhuǎn)換成熱能，經(jīng)高溫熔鹽存儲后以輸出穩(wěn)定電力的一種技術(shù)模式。顯然，引入風電加大電儲熱比例，或?qū)L轉(zhuǎn)熱直接嫁接到光熱發(fā)電系統(tǒng)中，可有效提高儲熱和發(fā)電設(shè)備的利用率，減少外用電使用量，減少寄生損耗，有利降低運行成本。

圖8風力熱儲能發(fā)電系統(tǒng)，借用光熱發(fā)電熔鹽儲熱模式

圖9摩洛哥Noor Midelt的800MW太陽能光伏和光熱混合發(fā)電項目原理圖

該項目技術(shù)人員擬采用白天光伏和太陽能光熱的重疊發(fā)電來優(yōu)化光熱混合存儲的容量和效率，即充分利用光伏白天的電力加熱太陽能熱發(fā)電的熔鹽存儲介質(zhì)，以保證夜間發(fā)電。他們計劃在Noor Midelt的首個混合互補存儲項目中實現(xiàn)以每千瓦時7美分的價格提供可調(diào)度的太陽能電力。

如圖10所示，該項目計劃選擇塔式熔鹽熱發(fā)電為第一級換熱，將熔鹽溫度由170℃（最低）提升至560℃；光伏電力加熱為第二級換熱，可根據(jù)熔鹽氣化點繼續(xù)提高熔鹽工況溫度。該電加熱器采用串聯(lián)模式，同樣可用于槽式互補儲熱發(fā)電系統(tǒng)。為避免光照連續(xù)不足還需要配置電網(wǎng)輔助電加熱系統(tǒng)，或配置燃氣補熱裝置。如同Abengoa在美國建立的280MW索拉納項目一樣，起初配置的光伏電站并未保證12個熔鹽罐安全，最終增加燃氣鍋爐以規(guī)避熔鹽罐及管道可能發(fā)生的熔鹽凝固事故。

圖10光伏電加熱輔助熔鹽互補熱發(fā)電系統(tǒng)

其實，美國新月沙丘塔式熔鹽熱發(fā)電項目就采用了光熱+光伏的混合設(shè)計，其光熱發(fā)電的凈容量為100MWe，光伏發(fā)電容量為60MW，但未選擇利用光伏的電力進行熱存儲。

Abengoa近期計劃將光伏或風電電加熱存儲技術(shù)“嫁接”到西班牙早期沒有存儲設(shè)備的槽式光熱電站中，擬選擇一個50MW槽式電站，初步規(guī)劃用4年完成改造。

圖11風電和光伏采用電池短時存儲、電轉(zhuǎn)熱長時存儲，對光熱發(fā)電構(gòu)成挑戰(zhàn)

筆者很早就提出將不穩(wěn)定的光伏或風電通過電加熱裝置與光熱發(fā)電儲熱系統(tǒng)嫁接，以充分發(fā)揮光熱發(fā)電特有的儲熱技術(shù)優(yōu)勢。但是，如果風電和光伏電站如圖11所示移植電儲熱和太陽能熱發(fā)電技術(shù)，即可借助初始投資低的先發(fā)優(yōu)勢對光熱發(fā)電技術(shù)構(gòu)成挑戰(zhàn)。

二、儲熱設(shè)計與太陽能倍數(shù)脫鉤

采用太陽能倍數(shù)與儲熱脫鉤的設(shè)計模式，聚光鏡場規(guī)模只服從（設(shè)計點選擇800瓦/㎡）發(fā)電設(shè)備銘牌功率，可有效降低鏡場投資規(guī)模。從美國上世紀八十年代開發(fā)槽式熱發(fā)電技術(shù)初始，在電站增加儲能設(shè)施其初衷是為應(yīng)對夏季超過設(shè)計點的溢出。德國千年太陽能公司設(shè)計的兩罐熔鹽儲熱技術(shù)于2008年首次在西班牙Andasol-1號電站應(yīng)用，從實際應(yīng)用效果看，尚無法達到設(shè)計目標，但因為儲能系統(tǒng)的增加以及對應(yīng)的聚光場面積的增加，導(dǎo)致初始投資較無儲熱電站明顯增多。

表1美國Solana、Mojave和Genesis同規(guī)模電站比較

以美國Solana和Mojave兩個槽式光熱電站作比較，電站設(shè)計均出自西班牙Abengoa Solar公司之手，相同規(guī)模、相同設(shè)計，區(qū)別在于Solana帶儲熱設(shè)備，而后者無儲熱設(shè)備，兩者相差4億美金，如和Genesis比較投資增加7.5億美金。如表1所示。

表2西班牙三個電站比較

西班牙安達索地區(qū)DNI略高于我國，安達索三個電站首次應(yīng)用熔鹽儲熱技術(shù)，年設(shè)計發(fā)電時數(shù)3589h（實際運行時數(shù)相差近千小時），儲熱7.5h，聚光鏡面積達51萬㎡，優(yōu)惠電價0.32歐元/kWh，燃氣占15%，寄生損耗27.2GWh，約占發(fā)電總量的15%左右；艾波索以及索拉維的三個電站均不帶儲熱裝置，聚光鏡面積分別為29萬和29.43萬㎡，與安達索電站相差一半，運行工況溫度且高于前者。如表2所示。

圖12推廣“小鏡場”大儲罐技術(shù)

轉(zhuǎn)變傳統(tǒng)太陽能鏡場必須和儲熱規(guī)模匹配設(shè)計和確立多能互補儲熱的理念極有必要。建議根據(jù)我國國情實行非匹配設(shè)計，為降低初始投資（鏡場投資占總投約60%），推廣“小鏡場”大儲罐技術(shù)，鏡場規(guī)模最多控制在1.5倍之內(nèi)，也即按儲熱2小時確定鏡場規(guī)模；儲熱設(shè)備或罐體容量按預(yù)設(shè)的儲熱量和發(fā)電時數(shù)選擇，為風電或燃氣互補儲熱留置容量空間。如圖12所示。

三、倡導(dǎo)單罐固體填充一體化儲能技術(shù)

為降低儲能設(shè)備投資（占總投資10-15%），提倡單罐儲能替代雙罐儲能，有效降低初始投資。如圖13所示。

圖13單罐固體填充和蓄電一體化儲能技術(shù)

槽式太陽能儲熱蓄電一體化系統(tǒng)簡介：

1、本裝置選用高溫硅油做傳熱介質(zhì)，工況溫度400℃，無低溫冷凝結(jié)晶疑慮；

2、采用單罐固體儲熱介質(zhì)填充技術(shù)，替代價格昂貴的熔鹽；固體填充物優(yōu)先選擇成本低的廢棄陶瓷或冶煉廢棄物鋼渣、鐵渣等，澆注成型置入儲熱罐內(nèi)。

3、蓄電裝置采用鈉氯化物高溫熔鹽電池堆，中心工況溫度300℃；

4、蓄電來源主要吸納風電、光伏和電網(wǎng)超負荷過載電力；

5、本裝置擬參與電網(wǎng)削峰填谷、調(diào)頻調(diào)壓任務(wù)，目標為電網(wǎng)基荷電源。

四、燃氣發(fā)電與光熱發(fā)電互補儲熱

圖14

摘自：NREL-52424《Gas Turbine/Solar Parabolic Trough Hybrid Design Using Molten SaltHeat Transfer Fluid》

使用燃氣發(fā)電替代現(xiàn)有燃氣普通鍋爐，利用瞬時啟動快的特點，增強參與電網(wǎng)調(diào)峰的能力，同時利用燃氣發(fā)電產(chǎn)生的高溫排氣為儲熱罐補熱，以克服太陽能不穩(wěn)定、不可控的缺陷，有效增加發(fā)電時數(shù)，提高槽式光熱電站的可控性和市場競爭力。如圖14所示。該技術(shù)不同于燃氣聯(lián)合發(fā)電即IGCC或ISCCS模式，燃氣發(fā)電機組是為發(fā)揮光熱電站特有的儲熱功能，以彌補光照資源不穩(wěn)定和克服光熱發(fā)電的間歇性提出的技術(shù)方案。該技術(shù)既可用于槽式也可用于塔式。

2016年10月，歐盟針對歐洲南部地區(qū)DNI較低的現(xiàn)狀，提出沼氣與光熱發(fā)電互補的HYSOL研發(fā)課題。該項目為歐盟資助項目，由西班牙ACS-COBRA牽頭，歐盟內(nèi)8個單位參與，包括太陽能組織PSA-CIEMAT、西班牙馬德里技術(shù)大學、意大利ENEA、IDIE(西班牙)、AITESA(西班牙)、Tekniske大學(丹麥)和SDLO-PRI(荷蘭)。歐盟的燃氣互補發(fā)電實驗項目即HYSOL的設(shè)計和運行主要基于當?shù)氐碾娏π枨?、太陽能資源以及輔助燃料的來源、成本和特性，輔助燃料可能是化石燃料或可再生燃料。HYSOL的概念是基于CSP電站以熔鹽的形式儲存熱能(TES)，可以在槽式或塔式太陽能系統(tǒng)應(yīng)用。該電站擬采用Brayton循環(huán)，利用燃氣輪機廢氣中的熱能與傳統(tǒng)的Rankine循環(huán)結(jié)合。該項目宣稱可高效生產(chǎn)清潔能源。如圖13所示。我國光照資源相比歐洲南部相差無幾，其發(fā)展觀念可以借鑒，但應(yīng)設(shè)法規(guī)避二氧化碳和氮氧化物排放問題。

圖15歐盟HYSOL燃氣發(fā)電與熔鹽儲熱互補原理圖

圖15歐盟HYSOL燃氣發(fā)電與熔鹽儲熱互補原理風電與燃氣發(fā)電作為熱源與光熱發(fā)電互補，可以彌補太陽能熱發(fā)電的缺陷，通過儲熱設(shè)備作為介質(zhì)，從根本改變可再生能源共有的不穩(wěn)定、不連續(xù)、不可控的問題。

圖16光熱發(fā)電與燃氣互補平衡季節(jié)性出力

歐盟HYSOL項目對實行燃氣互補后的發(fā)電情況進行比較，顯示借助燃氣發(fā)電為光熱發(fā)電系統(tǒng)補熱儲熱，不僅延長發(fā)電時數(shù)，而且平抑了太陽能發(fā)電的季節(jié)性差異。如圖16所示。

五、純氧燃氣發(fā)電與槽式光熱發(fā)電互補，追夢“終極能源”

采用半閉式超臨界二氧化碳純氧燃氣發(fā)電與槽式光熱發(fā)電互補，其目的是創(chuàng)建可再生能源“終極能源”發(fā)電系統(tǒng)，以逐步替代化石能源發(fā)電，最終實現(xiàn)零碳綠色電力。如圖17所示。

其原理是：將槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)有機嫁接在半閉式超臨界二氧化碳燃氣布雷頓熱發(fā)電系統(tǒng)中，通過互補儲熱、循環(huán)發(fā)電以規(guī)避太陽能熱發(fā)電不穩(wěn)定、不連續(xù)的先天缺陷；同時利用純氧燃氣發(fā)電產(chǎn)生的水進行電解制氫制氧，汽水分離出的二氧化碳除用作動力工質(zhì)外，其余部分進行加氫甲烷化制備，并將制備的甲烷氣進行存儲，而利用可再生能源電解水制氫獲得的氧氣用于系統(tǒng)自身的純氧燃氣布雷頓高效發(fā)電；系統(tǒng)冷凝產(chǎn)生的水和加氫甲烷化產(chǎn)生的水將直接提供給槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)作蒸汽朗肯循環(huán)發(fā)電補水使用，多余的水作清洗聚光鏡用水。據(jù)國外測算，不含甲烷制備產(chǎn)生的水，僅550兆瓦電站即可產(chǎn)生1.8億加侖水。

其實，當人們把目光聚焦在氫能的開發(fā)和利用時，氫能幾乎成了“終極能源”的代名詞，但是氫能畢竟屬于二次能源，只有將可再生能源與氫能有機結(jié)合，直接將其轉(zhuǎn)化為電能，減少氫的儲運和使用中的繁瑣過程才能最終展現(xiàn)其“終極能源”的魅力。

圖17槽式太陽能熱發(fā)電與風電和燃氣發(fā)電制氫制甲烷循環(huán)熱發(fā)電

六、可再生能源與氫結(jié)合，副產(chǎn)綠色化肥

我國是世界上氨產(chǎn)量和使用量最多的國家，占世界總產(chǎn)量的三分之一左右，但是氨的獲取主要依賴天然氣和煤炭。目前全世界5%的天然氣用于生產(chǎn)氨，大多采用哈伯法工藝，每生產(chǎn)一噸氨則排放三噸二氧化碳，可謂二氧化碳排放和電力高耗能大戶。

如果借助太陽能或風能等可再生能源電力通過空分設(shè)備制取氧氣，利用副產(chǎn)的氮氣與電解水制取的氫氣混合制備“綠色氨”，再與燃氣發(fā)電系統(tǒng)回收的二氧化碳混合生產(chǎn)碳酸氫氨、尿素等化工產(chǎn)品，不僅可大幅減少我國的二氧化碳排放，而且經(jīng)農(nóng)業(yè)施放“綠色化肥”還可實現(xiàn)真正意義的二氧化碳自然循環(huán)。

槽式光熱發(fā)電結(jié)合風能與純氧燃氣發(fā)電互補同時進行氨制備即可實現(xiàn)“綠色化肥”生產(chǎn)，該技術(shù)的應(yīng)用對我國西部風能和太陽能稟賦較高，但吸納能力較弱的地區(qū)無疑是一件好事。對于政策制定者而言，也可據(jù)此鼓勵農(nóng)用石化項目逐漸由我國東部西移至可再生能源豐富的西部地區(qū)，即有利于國土產(chǎn)業(yè)布局優(yōu)化，也有利于二氧化碳減排，同時改善影響我國東部霧霾氣象的氣凝膠積聚效應(yīng)，將是一舉多得。如圖18所示。

圖18太陽能、風能與燃氣互補熱發(fā)電副產(chǎn)綠色化肥示意圖

總之，光熱發(fā)電技術(shù)在我國能源轉(zhuǎn)型中的地位需要靠自己的技術(shù)實力來保證，其根本出路在于發(fā)揮自身特有的儲熱技術(shù)優(yōu)勢——可以與光伏、風電或燃氣發(fā)電與光熱發(fā)電互補儲熱，力爭平衡季節(jié)性和間歇性發(fā)電，在提高發(fā)電設(shè)備利用率的基礎(chǔ)上，將年發(fā)電時數(shù)的設(shè)計值增加到5000小時以上，這一選擇已被證明是完全可行的。

另外，我們對光熱發(fā)電使用天然氣應(yīng)持包容的態(tài)度；業(yè)內(nèi)人士也要少點理想主義色彩，只要光熱發(fā)電技術(shù)做到少排放或不排放二氧化碳就應(yīng)予以肯定。因此，選擇風電制熱或燃氣發(fā)電與光熱發(fā)電實現(xiàn)互補不失為一種更現(xiàn)實、更經(jīng)濟、更具競爭力的技術(shù)路線。

結(jié)語

槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)和應(yīng)用在全球光熱發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域占主導(dǎo)地位，究其根本原因在于技術(shù)成熟度高，創(chuàng)新空間大。但是面對我國不太豐沛的太陽能資源和現(xiàn)狀，必須對槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)進行再創(chuàng)新。創(chuàng)新的目標無非是降低初始投資，提高發(fā)電效率、延長發(fā)電時數(shù)，增強盈利能力，建立與光伏和風力發(fā)電競爭的技術(shù)基礎(chǔ)。

上世紀末，歐盟牽頭組織歐洲一些國家聯(lián)合開發(fā)槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)，其中為大家所熟知的“歐洲槽”聚光陣列和槽式熔鹽儲熱技術(shù)就是這次聯(lián)合設(shè)計的產(chǎn)物，正因為有了聯(lián)合設(shè)計，才加快了槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)在全球的推廣。

可喜的是，我國自2016年以來相繼建立了兩座規(guī)?；牟凼焦鉄岚l(fā)電站，這為我國積累建設(shè)和運行的經(jīng)驗奠定了基礎(chǔ)，加之為槽式光熱發(fā)電配套的產(chǎn)業(yè)鏈基本齊備，創(chuàng)建槽式光熱發(fā)電中國方案指日可待，相信在不久的將來，我國企業(yè)能攜中國方案走向國際市場。

注：本文作者系太陽能熱發(fā)電技術(shù)資深學者張建城。