“追光”的鏡子如何發(fā)電

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導(dǎo)語(yǔ)：海子的《今夜我在德令哈》膾炙人口，同樣在“金色世界”德令哈，坐落著科幻場(chǎng)景般的發(fā)電基地。近年來(lái)，光伏這一最為成熟的太陽(yáng)能發(fā)電方式受到了大量的輿論關(guān)注。然而光伏并不是太陽(yáng)能唯一的利用方式，它還有一個(gè)叫做“光熱發(fā)電”的兄弟。隨著大規(guī)模的建設(shè)逐漸鋪開(kāi)，我國(guó)在光熱發(fā)電領(lǐng)域也將迎來(lái)長(zhǎng)足的發(fā)展。

德令哈光熱電站

一、我國(guó)光熱發(fā)電正在全力追趕

目前，我國(guó)“太陽(yáng)能熱發(fā)電”還屬于初級(jí)起步階段，為進(jìn)行技術(shù)探索與發(fā)展，正全力追趕西班牙、美國(guó)等先發(fā)國(guó)家。迄今為止，首批示范項(xiàng)目中包括塔式7 座、槽式1 個(gè)、線(xiàn)性菲涅式1 個(gè)，共計(jì) 550 MW。

我國(guó)的七大光熱發(fā)電基地

據(jù)電力規(guī)劃設(shè)計(jì)總院副院長(zhǎng)孫銳介紹，目前我國(guó)光熱產(chǎn)業(yè)設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率已超90%，主要產(chǎn)品產(chǎn)能正快速提升。通過(guò)相關(guān)院所和企業(yè)的自主研發(fā)，我國(guó)的大規(guī)模塔式光熱發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成熟，所采用的國(guó)產(chǎn)化聚光集熱系統(tǒng)、儲(chǔ)換熱系統(tǒng)、相關(guān)算法等核心科技也是可靠的。

依靠過(guò)去的技術(shù)積累，在產(chǎn)業(yè)鏈可控的前提下，我國(guó)正掀起一股建造100兆瓦級(jí)別光熱電站的浪潮，該級(jí)別的光熱電站是目前全球主流。根據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)我國(guó)公布了48個(gè)光熱電站規(guī)劃項(xiàng)目，總裝機(jī)量達(dá)到5.94GW，對(duì)比國(guó)外的項(xiàng)目約6.81GW，未來(lái)新增裝機(jī)量約占全球的一半份額。

我國(guó)光照資源主要分布于青藏高原

我國(guó)光照條件最好的地區(qū)在青藏高原，例如柴達(dá)木盆地不但是資源“寶盆”，還有成為太陽(yáng)能發(fā)電基地的潛力：年均降雨日不超過(guò)十天，年均日照時(shí)間為3500小時(shí)以上，一年四季均可穩(wěn)定地發(fā)電。與其白白浪費(fèi)戈壁灘的荒地，不如將照射陽(yáng)光利用起來(lái)。可以預(yù)見(jiàn)，西部越來(lái)越多的光熱電站將成為“西電東輸”戰(zhàn)略的重要組成部分。

二、光熱與光伏有什么區(qū)別？

光熱發(fā)電，全名聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電。光熱依靠大量鏡面聚集太陽(yáng)直射光加熱導(dǎo)熱介質(zhì)，再經(jīng)過(guò)熱交換產(chǎn)生高溫蒸氣，推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，“燒開(kāi)水”的環(huán)節(jié)與火力發(fā)電無(wú)異，因此光熱電站被戲稱(chēng)為“遠(yuǎn)看光電站，近看火電廠(chǎng)”。

光熱發(fā)電比常規(guī)的光伏發(fā)電在并網(wǎng)方面更具優(yōu)勢(shì)，光熱發(fā)電的轉(zhuǎn)換效率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于光伏發(fā)電。

與其他風(fēng)電、光伏等清潔能源相比，光熱電站通過(guò)白天將多余熱量?jī)?chǔ)存，晚間再用儲(chǔ)存的熱量釋放發(fā)電可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)供電，保證電流穩(wěn)定，避免新能源難以解決的入網(wǎng)調(diào)峰問(wèn)題。

相對(duì)而言，光伏產(chǎn)生的垃圾電（即不穩(wěn)定輸入電網(wǎng)的電力）較多，對(duì)電網(wǎng)終端而言難于消納，反而會(huì)造成問(wèn)題。歐洲最近一度產(chǎn)生的負(fù)電價(jià)正是由于荷蘭海上風(fēng)力發(fā)電產(chǎn)生的垃圾電過(guò)多導(dǎo)致的。

光熱與光伏發(fā)電原理對(duì)比圖

光伏與光熱發(fā)電體現(xiàn)的是“小分散”、“大集中”兩種思路。光伏的單位成本與規(guī)模基本不相關(guān)。而光熱這項(xiàng)技術(shù)天然就需要規(guī)模效應(yīng)，邊際成本較低，僅需增加和替換較便宜的鏡面即可。隨著鏡面單元的增加，其發(fā)電效率越高、成本越低。

三、萬(wàn)片定日鏡形成科幻場(chǎng)景
通過(guò)發(fā)電原理分類(lèi)，光熱電站主要分為塔式、槽式、碟式和菲涅爾式四種，全球范圍內(nèi)較大規(guī)模的光熱電站以塔式為主，原因是其鏡面單元的維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單。

光熱發(fā)電主要分為四種結(jié)構(gòu)

從空中俯瞰，上萬(wàn)個(gè)定日鏡單元近乎形成一個(gè)以中央塔為圓心、直徑約兩公里的圓形，反射的光線(xiàn)在空中隱約構(gòu)成一道等腰三角形的光幕，亮度隨著高度不斷增加，最終匯聚于中央塔頂?shù)募療崞鳌?/p>

用于反射太陽(yáng)光的單片鏡片面積為20平方米，鏡面反射率約為94%，并由無(wú)人駕駛清洗車(chē)定期清理，每一個(gè)定日鏡單位由回轉(zhuǎn)減速器和推桿控制偏轉(zhuǎn)方向。

以德令哈光熱電站為例，光熱電站由2.7萬(wàn)個(gè)這樣的反射單位構(gòu)成。考慮到對(duì)陽(yáng)光和土地的利用率，定日鏡的布置盡量緊湊，整個(gè)定日鏡場(chǎng)地的直徑略小于兩公里。未來(lái)若有需求，仍能夠通過(guò)增加鏡片數(shù)量拓展發(fā)電功率。

同時(shí)為了確保最佳的光線(xiàn)集束效果，控制室根據(jù)自校準(zhǔn)算法自動(dòng)控制每一臺(tái)鏡面隨日光轉(zhuǎn)向。每數(shù)秒更新一次角度，使得上萬(wàn)臺(tái)鏡面均以最佳角度照向吸熱器。

四、光熱轉(zhuǎn)化依靠吸熱器

在塔式光熱電站中，吸熱器將上萬(wàn)束太陽(yáng)能聚光轉(zhuǎn)化為可儲(chǔ)存的高溫?zé)崮埽钦麄€(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一。

吸熱器的性能直接決定了工作介質(zhì)的工作溫度，進(jìn)而影響到發(fā)電效率，因此吸熱器是光熱發(fā)電的核心科技。

塔式光熱電站使用的主要是外露管式吸熱器，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可接收360度范圍內(nèi)的太陽(yáng)輻射，有利于鏡場(chǎng)大規(guī)模布置，是目前應(yīng)用最廣泛的吸熱器形式。

外露管式吸熱器

太陽(yáng)能聚焦處的最高溫度可達(dá)到1000攝氏度以上，在吸熱器內(nèi)部，熔鹽流體通過(guò)可耐超高溫的管道外壁，吸收不斷反射的高強(qiáng)度聚光，同時(shí)需要根據(jù)熱量控制熔鹽流體的流速。通過(guò)吸熱器，熔鹽能從290攝氏度被加熱到570攝氏度以上。在這個(gè)過(guò)程中，吸熱器起到了為整套系統(tǒng)輸入熱能的作用。

外露管式吸熱器雖然更匹配大型光熱電站的建設(shè)，但也存在不足之處，尤其是在開(kāi)放環(huán)境中反射、輻射及對(duì)流散熱造成的能量損失較大，熱效率相對(duì)較低。我國(guó)科學(xué)家正通過(guò)不斷提升材料性能?chē)L試解決該問(wèn)題。

五、熔鹽儲(chǔ)能發(fā)電技術(shù)世界領(lǐng)先

熔鹽具有工作溫度高且范圍廣、傳熱能力強(qiáng)、成本較低、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，目前已成為光熱電站儲(chǔ)能發(fā)電的“血液”，就連最先進(jìn)的第四代核反應(yīng)熔鹽堆也將熔鹽作為工作介質(zhì)。

光熱電站的儲(chǔ)熱系統(tǒng)約有一萬(wàn)噸吸熱熔鹽，工作介質(zhì)經(jīng)過(guò)吸熱器后沿著管道流動(dòng)進(jìn)入儲(chǔ)熱罐。通過(guò)這個(gè)過(guò)程，整套系統(tǒng)以吸熱器為能量來(lái)源，在白天不斷地循環(huán)往復(fù)儲(chǔ)備熱量。

儲(chǔ)備上萬(wàn)噸熔鹽的儲(chǔ)熱罐

儲(chǔ)熱罐的作用不但是收集熱量，更能將能量收集與發(fā)電環(huán)節(jié)分離，做到發(fā)電節(jié)奏可控。罐中上萬(wàn)噸的熔鹽可以持續(xù)對(duì)蒸汽發(fā)生器放熱，其作用相當(dāng)于火力發(fā)電的鍋爐，利用熱交換產(chǎn)生500攝氏度左右的蒸汽，全天候地依靠“燒開(kāi)水” 發(fā)電。

發(fā)電系統(tǒng)依賴(lài)熔鹽熱能

一旦熔鹽用于產(chǎn)生蒸汽發(fā)電后，被帶走熱量的熔鹽經(jīng)管道回冷儲(chǔ)罐，最終會(huì)在白天被吸熱器再次加熱進(jìn)入儲(chǔ)熱罐，永久循環(huán)往復(fù)。整套系統(tǒng)構(gòu)成光-熱-電的能量轉(zhuǎn)化循環(huán)，它的原理與空調(diào)類(lèi)似，即通過(guò)工作介質(zhì)的流動(dòng)將外界輸入能量轉(zhuǎn)化為其他形式。

作為電網(wǎng)的基礎(chǔ)負(fù)荷，儲(chǔ)熱罐中的熔鹽能夠在外界停止輸入熱能的前提下保證持續(xù)發(fā)電超過(guò)48小時(shí)，基本能應(yīng)對(duì)所有天氣狀況。在極端情況下，也可通過(guò)西部地區(qū)同樣豐富的天然氣補(bǔ)燃方式來(lái)保障電力供給。

六、光熱發(fā)電也有瓶頸

根據(jù)國(guó)家能源局的規(guī)劃，我國(guó)光熱發(fā)電有潛力達(dá)到600GW 的規(guī)模，目前僅完成了千分之一，是絕對(duì)的藍(lán)海市場(chǎng)。然而，當(dāng)前我國(guó)的光熱發(fā)電技術(shù)距離完全的市場(chǎng)化還存在著一定的門(mén)檻和障礙。目前的問(wèn)題是光熱發(fā)電的成本還很高，需要全行業(yè)一起通過(guò)做大規(guī)模降低成本。

通過(guò)企業(yè)調(diào)研，當(dāng)前新建光熱發(fā)電度電成本約0.9元/千瓦時(shí)~1.0元/千瓦時(shí)，仍遠(yuǎn)高于陸上風(fēng)電和光伏發(fā)電。聚光、吸熱、儲(chǔ)換熱系統(tǒng)占據(jù)初始投資的主要部分，約占整個(gè)電站成本的77％左右，是決定光熱發(fā)電站造價(jià)高低最重要的因素。聚光鏡、集熱管、追蹤器、熔鹽等關(guān)鍵設(shè)備和材料的生產(chǎn)成本居高不下。

光熱能否和光伏競(jìng)爭(zhēng)？

其次，是光熱發(fā)電的部分設(shè)備尚依賴(lài)進(jìn)口。如熔鹽泵、熔鹽閥、熔鹽流量計(jì)、旋轉(zhuǎn)接頭等產(chǎn)品，在光熱電站中需求量有限，成本中占比低，但其工況環(huán)境嚴(yán)苛，技術(shù)參數(shù)要求高，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品質(zhì)量相對(duì)國(guó)外不高，還以進(jìn)口為主，國(guó)內(nèi)廠(chǎng)商解決這些問(wèn)題需要一定時(shí)間。

此外，通過(guò)使用溫度更高、成本更低的吸熱和儲(chǔ)熱介質(zhì)，采用超臨界二氧化碳透平技術(shù)等實(shí)現(xiàn)更高效率的發(fā)電技術(shù)方面，仍還有較長(zhǎng)的路要走。

結(jié)語(yǔ)：

作為一項(xiàng)新興技術(shù)，光熱發(fā)電可儲(chǔ)可調(diào)、能保證穩(wěn)定的電能輸出，在進(jìn)一步降本增效后，將與風(fēng)電、光伏形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，一同服務(wù)于我國(guó)的“西電東輸”整體戰(zhàn)略。此外，我國(guó)的光熱稟賦在全球并不在頂尖之列，優(yōu)秀的太陽(yáng)能技術(shù)將隨著我國(guó)“一帶一路”戰(zhàn)略一同走向世界的“陽(yáng)光地帶”。

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