王志峰:国际太阳能热发电技术发展现状和趋势

时间:2017-11-24 09:13来源:太阳能光热联盟
  11月23日,中国电机工程学会太阳能热发电专业委员会成立大会在广西省南宁市国际会展中心举行,同期召开了由电力规划设计总院承办的“太阳能热发电技术专题研讨会”。
  国家太阳能光热产业技术创新战略联盟常务副理事长、中国科学院电工研究所王志峰研究员被聘任为该专委会副主任委员,并做了题为“国际太阳能热发电技术发展现状和趋势”的主题报告。有关发言内容整理如下:
  大家上午好。非常高兴参加本次研讨会,我今天的报告主要分两部分,一是各国的太阳能热发电技术和研发情况,二是电价发展趋势。
  奥地利
  首先看一下奥地利的情况。这张图是前面有遮挡的槽式集热器,是欧洲地平线2020项目成果,图中槽式集热器长220米,直径9米,目前在西班牙实现了工业应用。
  在高温太阳能热发电集热器方面,奥地利也在做研究,主要集中在两方面,一是粒子吸热器(沙子储热),热功率1-3 MWth,研发了新型的流化床换热器,已经成功投入运行。另外是超级二氧化碳循环技术,建立了热功率200kWth的示范项目。
  智利
  智利的太阳辐照非常好,在Atacama沙漠DNI超过3300kWh/平米/年的地方也很多,而且非常干旱,同时拥有发达的矿业。
  这张图是Abnegoa标志性的塔,阿本戈在智利的第一个太阳能光热电站Cerro Dominador。装机容量110MW,右边定日镜属于保密状态,传动方式非常有特色,采用三层的夹层玻璃,镜场布置也非常有意思。
  法国
  法国其实是太阳能热发电高技术国家。1976年在比利牛斯山建成了第一座电功率100kW的塔式熔盐电站,这为美国Solar Two电站提供了参考。
  e-LLO是法国第一个商业化的太阳能热发电站,容量9 MWe,采用直接蒸汽发生的线性菲涅尔技术,4小时储热,当地太阳辐照约1850 kWh/m²/年,电站年发电量20GWh。
  在研究方面,法国国家科学研究中心CNRS在Odeillo建立了一个聚光因子10000的太阳炉,热功率1MW,也是全球最大的太阳炉。中科院电工所曾为西安交通大学建了一个300kW的太阳炉用于制氢。另外,法国在Odeillo还有一个Microsol-R槽式的研究平台,热功率150kW,采用导热油为介质,配置10kW的有机朗肯循环机组。在Targasonne 建有THEMIS塔式电站,聚光场5800 m²,塔高100米。
  还有2个最新的研究项目,都是欧盟地平线2020资助,一个是:“下一代CSP(2017-2020)”,欧盟资助495 万欧元,研究HSGT紧凑粒子(dense particle)太阳能吸热器和储热,1.6MW太阳能燃气轮机。另外一个是:SOLPART (2016-2019),欧盟资助436万欧元,研究重质粒子太阳能反应器,并对950°C 的太阳能过程用热进行研究(用于生产水泥或石灰)。
  德国
  德国是非常著名的太阳能热发电研究国家,是核心技术的供应商,虽然德国本土没有任何商业化太阳能热发电装机。太阳能热发电研究方面,2016年有18个项目,政府投入1000万欧元。研究课题包括新的槽式传热流体(包括低熔点的盐和硅油),新的定日镜,新的聚光场设计方法等。
  其中,先进的槽式用硅油,与传统的联苯-联苯醚进行了性能对比研究发现,先进的硅油在两方面具有优势,一是挥发远远低于联苯-联苯醚,二是氢气渗出较少,这对延长真空吸热管的寿命有很大帮助。
  
  德国还拥有世界最大的太阳能模拟器,由149 x 7kW的氙弧灯组成,1万个太阳,3个测试腔,辐射功率分别为240kW/300kW/240kW。
    
  
  从长期来看,往高温、高效方向发展,因为更高的循环温度,可以减少聚光场的面积,实现更低的成本。在蒸汽循环600°C,循环效率达到48%;700°C超临界二氧化碳循环,效率可达到50%以上,需要研究超过600°C的高温吸热器,以及合适的耐高温传热介质,包括新型熔盐、液体金属、固体颗粒等。吸热器材料方面,采用铝土矿物颗粒等,最高可达1000°C。DLR开发了一种直接吸收式吸热器:离心旋转吸热器,利用太阳能强弱控制转速。经过在太阳炉的测试,10kW旋转吸热器效率高达90%,温度可达到900°C以上。
  
  希腊
  希腊尽管经历财政危机,但热发电的研究一直都在进行。地平线2020资助的项目PEGASUS,研究结合太阳能离心粒子吸热器,并基于硫化物化学储热系统的新的发电循环。
  在槽式方面,希腊进行了有机朗肯循环的研究,在Thrace大学安装了100kW热功率的示范系统。
   
  希腊还有一个商业化的太阳能热发电站,Minos项目是一个容量50MWe的熔盐塔式电站。另外,在克里克岛也计划建一个60MWe的光热电站,拟采用槽式技术,项目已经获得批复。
  意大利
  意大利有8个兆瓦级规模的光热电站获得批复,总容量20MW,电价比较高,在291 – 369 欧元/MWh之间,储热是强制性的要求。另外还有几个10-50MW级别的项目因为各种原因未能被批准。
  下面这个图片是意大利一个CPV-CSP混合的实验性系统,其中CPV功率400 KWe,CSP功率600 KWe(菲涅尔/有机朗肯循环),4小时电池储能250 kW,同时260 °C导热油储热5小时。
  意大利还有一个项目EXTOWER,目的是示范用于基于空气的下一代塔式太阳能热发电的高温耐用性材料。
  摩洛哥
  摩洛哥的努奥项目比较有名。在一个太阳能园区内,集合了3种不同的技术路线,总容量580MW。其中,努奥Ⅰ期160MW槽式光热电站(储热3小时,电价1,62 MAD/kWh)已经投入运行,努奥Ⅱ期200MW槽式光热电站(储热7小时,电价1,36 MAD/kWh)、努奥Ⅲ期150MW塔式光热电站(储热3小时,电价1,42 MAD/kWh)还在建设。另外还有70MW的光伏发电(有跟踪,电价0,44MAD/kWh)。这几个项目在同一个地点,在采用同样的财务模型下,槽式价格低于塔式。 
  西班牙
  西班牙由于经济危机和新的政策,科研投入比较少,但已经投入运行的太阳能热发电站,有51个,装机容量达2354.8MW。下图是西班牙太阳能热发电站2009-2016年期间每月的发电情况。从图中可以看出,冬季和夏季的发电量差别达4倍。
  瑞士
  瑞士主要用高温进行太阳能热化学。有一个45kW电功率的多源高能流太阳能模拟器。
  
  瑞士也对新型定日镜设计进行研究。这种定日镜不需要地基,也没有线缆,定日镜通过一个小型光伏板自我供电,完全自动化,面积在4m²米左右。
  
  瑞士还研发了新型槽式系统,采用岩石床进行储热。
  阿联酋
  在阿布扎比有一个100kW的二次聚光塔式系统,采用直接吸热的熔盐吸热器。
  还有充气型的槽式吸热器HELIOtubes,测试其运行、维护和清洗策略。
  一家24/7Solar公司计划在阿联酋建一个400kW的连续发电示范电站。
  美国
  美国Sunshot计划近期发布了第三代太阳能热发电系统创新项目GEN3申请指南,6200万美元。
   NREL和桑迪亚实验室邀请中科院电工所进行了联合申请。
  美国GEN3侧重超临界二氧化碳循环,计划建设10MW的测试系统。
  什么是第四代吸热器,这里和大家分享一下中国科学院电工研究所2017年11月15日做的一个实验,测试粒子吸热器,横轴是时间,可以看到,3分时间就可以达到800°C高温。
  接下来我介绍一下电价的发展趋势:
  因为每个国家的财务数据都不一样,电价很难相互比较。法国电力公司将DNI值整合到2600kWh/m²米/年,对最近10年来项目的商业化电站的上网电价进行了对比。
 
  2013年在国家能源局的委托下,国家太阳能光热联盟组织相关单位对电价政策进行过研究。目前我国太阳能热发电电价是1.15元/kWh。应该来说发展吻合国家太阳能光热联盟的研究报告(2014年)给出的保守估计。
  最后,简单总结一下:
  1、熔盐塔和传统槽式的电价谁高谁低还需要证明;
  2、基于空气为传热介质的第三代热发电技术发展缓慢;
  3、基于粒子的固体吸热技术发展迅猛,与超临界二氧化碳结合的态势已定;
  4、聚光器技术发展平缓;
  5、发展柔性吸热面吸热器满足非稳定高能流;
  6、一回路传热流体受到重视;
  7、各国对储热技术投入较小,即使受到PV+蓄电池的严重威胁。

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