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太阳能热发电技术的局限性

作者:陈愚 来源:南方能源观察 发布时间:2020-07-11 浏览:
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太阳能热发电技术有两种类型:1. 工质温升小的太阳能热气流技术和太阳池技术,温升小导致发电效率极低;2.温升相对较大的聚光热发电技术,是由三个成熟技术环节串联而成的,成本下降难度大、效率提升潜力小,未来发展空间有限。

01.

太阳能低温热发电技术


根据卡诺定理,热机将热能转化为机械能的理想热效率=工质和环境的温差/工质温度(开氏温度),低温热发电技术的温差小(20-50℃),环境温度按20℃(293K)考虑,理论热机效率ƞmax=6.8%-14.6%。实际发电效率是考虑损耗之后热机实际效率×发电机效率,要打个大折扣。热气流发电技术温升仅20-30℃,建设和迪拜塔等高的数百米的热气流烟囱,换来的是约2%的热发电效率。低品位热源(和环境相比温升小)更适合直接热利用,如强行转化为高品位的电能,热效率、发电效率太低。详细测算可阅葛新石《太阳烟囱发电系统及其固有的热力学不完善性分析》。

低温热发电技术包含热气流技术、太阳池技术,两种技术的温升均较小:热气流技术可将空气升温20-30℃,太阳池技术可将液体工质升温50℃左右。

海洋温差发电也是温差很小的热发电方式。

02.

成熟技术集合而成的聚光热发电技术

同为太阳能发电技术,聚光热发电技术的造价和发电效率需对标光伏。

图3 槽式聚光热发电

图4 塔式聚光热发电

(一)新兴技术和成熟技术的差别

光伏是新兴技术,随着技术进步和规模化效应,发电效率迅速提高,单位造价迅速下降。

和新兴技术不同,成熟技术的效率提升、成本降低的潜力有限。聚光热发电技术,有槽式、塔式、蝶式等细分技术,均由聚光(镜面反射并聚焦阳光)、集热(加热工质)、热发电(热能→机械能→电能)三个环节串联构成,是成熟技术的集成利用;成本是三个环节相加,难以下降;效率是三个环节的效率相乘,难以提高。尤其是热发电环节,是极度成熟的技术,降造价和提效率的空间很小。

(二)聚光热发电效率是三个环节相乘

近年光伏技术效率迅速提高。量产高效组件转换效率单晶、多晶、薄膜已分别突破20%、18%和17%;电站系统转化效率约83%。以采用单晶硅的光伏电站为例,标准工况下,约16%的太阳辐射可转化为电能。

以简单循环发电的气电为例,发电效率效率是燃烧室效率(95%-99%)、热机效率、发电机效率(98%)三个环节效率的乘积。5万KW级的火电机组,煤电发电效率约30%(塔式工质工作温度接近煤电),气电约30%-35%(蝶式工质温度接近气电)。

聚光热发电的效率是聚光、集热、热发电三个环节的效率相乘。聚光、集热的效率各按80%估算;塔式工质温度(500℃-900℃),低于气电(>1000℃),热发电热效率可根据5万千瓦级的煤电、气电热机效率和发电效率估算,约30%-35%,据此估算塔式光热的峰值效率约19.2%-22.4%;运行的塔式电站的年平均效率约14-16%,略低于单晶电站效率。槽式工质工作温度(400℃)低于塔式,集热效率也低,发电效率低于塔式,详见后文。

(三)聚光热发电成本是三个环节的叠加

2010年,光伏组件售价14元/瓦左右,光伏电站的单位造价为2万/KW。2020年,光伏组件售价快速降低到1.6-2.2元/瓦,目前西北地面光伏电站造价已逼近4000元/KW,逼近火电造价。光伏的还处在成本下降通道上,预计未来造价会继续降低。

聚光热发电技术由聚光、集热、热发电三个环节组成,其中,聚光、集热两个环节负责汇集加热后的工质,作用相当于煤电的锅炉、气电的燃烧室、核电的堆芯;热发电环节和煤电、气电、核电一样,用热机(蒸汽轮机、燃气轮机)将工质的热能转化为机械能,发电机再将机械能转化为电能。

煤电和气电是成熟技术,造价下降空间有限;5万千瓦的煤电机组造价约3500元/KW,10万千瓦以下的6F轻型燃机造价约3000-3800元/KW。

聚光热发电中的槽式造价约2万元/KW,塔式和蝶式2-4万元/KW;青海近期投产的鲁能塔式光热和拟建的金钒格尔木熔盐槽式光热,造价约3万/KW。聚光、集热两个环节的造价,能逼近煤电厂的锅炉么?即便可以,如果未来光伏的造价降到了和火电的热发电部分相当,聚光热发电技术能把聚光和集热的造价降为零么?

(四)槽式发电效率低于塔式

根据卡诺定理,为了提高热机效率,需要提高工质温度;根据传热学原理,工质和环境温差增大,热梯度增大,热损失加大,集热效率下降。工程是妥协,在相互矛盾的两条曲线中寻找最优的结合点。

槽式的聚光方式是线聚焦,将一个曲面的阳光聚焦在集热管上,和塔式的点聚焦相比:聚焦比低→工质温升小→热机效率较低;同时,线聚焦对应的管状集热器,单位体积的表面积(S/V)远大于塔式集热器,集热效率低。线聚焦是一连串事件的起点。和塔式比,槽式光热技术的集热效率和热机效率双低,槽式年均发电效率仅11%-14%,低于塔式。

03.结论

光热现在和未来的造价均高于光伏。光伏发电单位千瓦造价已经逼近煤电和气电造价,未来造价会继续下降,甚至低于火电造价。光热发电用聚光、集热组件替代火电的锅炉,聚光集热设备的造价很难低于锅炉,因此,光热造价将高于火电造价。

塔式光热发电技术现在峰值效率和光伏相当,未来继续提升效率的难度较大。光伏尚有提升效率的空间。

光热配上储热装置,可连续发电;光伏配上储能装置,也可连续发电。

槽式和塔式光热适用于集中式电站(热发电机组需要规模效应),碟式适用于分布式;光伏可用于集中电站和分布式。

关键字:太阳能热发电

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