太阳能光热发电：解决弃风、弃光的最好方式

前言：

近几年，我国“再生能源”发电进入高速发展，根据“国家能源局”数据，2022年，全国风电、光伏新增装机突破1.2亿千万；发电量首超1万亿千瓦时，达到1.19万亿千瓦时，同比增长21.0%，占全社会用电量13.8%。

新增装机中，光伏装机量迅猛，达到8741万千瓦，预计2023年，将超越“水电”装机量，成为仅次于“火电”的第二大电源。

2022年冬奥会，3大赛区26场馆，我国全部使用绿色电能供应（主要来自河北张北地区），也成为世界上第一个100%使用绿电的奥运会，举世瞩目。

高速发展的同时也出现了很多问题，由于受季节、天气等因素影响，风电、光伏、水电等具有“发电不平稳、间歇性”特点，发出的“电”如果不能及时并网传输，及时消纳，就会出现弃风、弃光、现象。

2021全国弃光电量（亿千瓦时）、弃光率

2021“弃光率”月变化情况

究其原因，主要因为区域“发电量”出现了“供大于求”，最有效的解决方法是增加“储能”设备，当出现“发电量”过多时，利用“储能”设备存储多余电量。

在众多发电技术路线中，太阳能“光热”发电，具有“发电”和“储能”双重功能，并自带“消纳”和“调峰”优势，成为“再生能源”发电中最具应用前景的技术。

一、“光热”发电原理

通过大规模列阵“反射镜”或“聚光镜”，收集电站范围内的太阳能，并聚焦到“集热区”，集热区的“加热工质”吸收太阳辐射能后经过“热交换”，产生高温蒸汽，驱动“汽轮”机组发电，使“太阳能”转化为“电能”。

二、系统构成

包括四部分：集热系统、储热系统、蒸汽产生系统、发电装置。

1、集热系统

主要包括“聚光器”和“吸热器”，用以吸收、聚集太阳能。

• 聚光器

由数量巨多、类型相同的聚光装置，按照一定的规律布局而成。常见的聚光设备有槽形抛物面“反射镜”、平面“定日镜”等。

“聚光镜场”吸收太阳能的能力，与镜场布局、反射率、镜场天气、太阳辐射度等因素有关。

• 吸热器

主要作用是将“聚光镜场”聚集的太阳辐射能转化为“热能”。常见吸热工质有导热油、熔盐等。

2、储热系统

储热系统一般采用“冷/热熔盐双储罐”存放熔盐，（高、低温工质罐），其作用是白天太阳能较多时，发电的同时将一部分“热量”储存起来，到夜晚没有太阳能时，再释放出白天吸收的热量，以实现“蒸汽”发电机组24小时连续发电。

（1）储能材料

常见的储能材料叫“太阳盐”，由NaNO3、KNO3按照一定的比例混合成而成，（60%/40%）

储能材料的类型决定着电站的“热电转化效率”，材料运行温度高，导热性好，“热电”转化效率就高，最新研究的“储能材料”有四种：

• 固体颗粒：采用沙状固体颗粒储存热能
• 熔盐：经过研究，以“氯盐”为研究对象（可达750℃）
• 气体：利用廉价气体（如氦气）作为导热介质来传热和发电
• 液态金属：使用“液态金属”作“导热材料”，使用其他材料进行储热（液态金属本身、固体材料或PCM）

（2）储能循环流程

a、使用“熔盐泵”将“低温”熔盐贮罐内的“熔融盐”输送至“太阳能集热器”

b、低温“熔融盐”吸收热量升温，进入“高温”熔盐储罐中

c、高温“熔融盐”再进入“蒸汽发生器”，经过“热交换”产生“热蒸汽”，驱动“蒸汽轮机”，进行发电

d、“熔盐”温度降低后再流回“低温熔盐储罐”，周而复始。

熔盐蓄热、储能循环系统流程

3、蒸汽产生系统

使储热系统中的高温导热油、熔盐等，与水进行热交换，产生热蒸汽，驱动汽轮机做功发电。工作过程中温度上升“速率”快，达到10℃/分钟，能够驱动“汽轮机”快速启动。

“热转换”的方式也决定着“热电转化效率”，通常有三种热循环方式：朗肯循环、肯特循环、布雷顿循环。

“传统”光热发电的“热转化效率”约30—40%，若采用超临界二氧化碳（sCO2）布雷顿动力循环方式，“热电转化效率”可超50%。

第三代光热发电技术：导热系统、超临界二氧化碳（sCO2）布雷顿热转换器

4、发电系统

采用“汽轮机”发电，具有启动快速、运转高效的特点，可满足生产过程中的“启停频繁”和“低负荷运行”。

三、光热发电种类

按聚能方式和结构，“光热”发电可分四类：塔式、槽式、碟式、菲涅尔式。

所有类型都采用了“凹面镜”焦点聚热的原理，不同的是，有的“光热”收集场像一个大型被拆解、平面化的凹面镜（塔式），进行整体聚热；有的是一个独立的凹面镜单元（蝶式），各自聚热后，再把所有的热量汇集起来；还有的是把“凹面”单元进行了空间延伸，再用“串并联”的方式把热量聚集起来（槽式，线性菲尼尔式）。

其中，热转化效率较高的是“塔式”和“碟式”。

由于“凹面型”玻璃制造工艺复杂，成本高，新建的发电厂中，更倾向于使用“平面玻璃”进行反射（塔式）。

1、塔式

成千上万块能够独立控制的“定日镜”，组成“圆周形镜场”，“镜场”中心矗立着一个几百米高的“吸热塔”，塔顶部建有“吸热器”，可聚集“定日镜”反射的太阳光，产生高温，加热工质，从而产生“热蒸汽”，驱动“气轮机”发电。

塔式最高运行温度可达1200℃，是“热发电”效率较高的类型。

2、槽式

“槽式”发电的聚光面是“抛物面”形状，在“抛物面”的“聚光点”安装平行“集热管”，多个“槽形抛物面”、“集热器”以“串并联”方式，组合成“集热系统”。

“槽式”热发电技术属于较成熟的技术，但运行温度较低：400 ℃左右，相对塔式，“热发电”效率较低。

3、碟式

太阳辐射面为“碟形”（像盘子一样），抛物面将太阳光聚焦到接收器上，产生热能推动“热动力”发电机组发电。

由于采用“点聚焦”的方式，“碟式”光热发电在所有方式中，聚光比最高、集热温度最高、集热器热损失最小。

4、菲涅尔式

采用“线性菲涅尔式”聚光系统，工作原理与“槽式”光热发电方式相似，不同的是“线性菲涅尔镜面”是“平面”镜，并采用了“二次反射”。

“一次反射镜”调整角度，将“阳光”反射至高处的“二次反射镜”，“二次反射镜”把“太阳光”进行汇集，再发射至“集热器”上。

线性菲涅尔式光热发电装置（俯视、侧面图）

5、区别对比

四种方式中，“槽式、线性菲涅尔式”光热发电属于“线性聚焦”；“塔式、蝶式”属于“点聚焦”。

“点聚焦”的“聚光率”更高，产生的“太阳热”温度也高，能实现更高的“热电转化效率”。

在“点聚焦”方式中，“碟式”因造价较高，目前发展受限；“塔式”系统复杂、建造周期长、维护成本高，但光电转化率高、热量传递路径短，被认为是最具发展前途的路线，目前，全球太阳能“热发电”总装机量中，“塔式”占比20%。

四、光热发电优势

1、清洁性：属于可再生能源，转化路线：光能→热能→电能

2、同质性：与火电一样，通过蒸汽轮机驱动发电机进行发电，采用同步发电技术，具有“可控和旋转”惯性，生产的电能“质量”较高。

3、调节性：能够储备8-10小时以上的热能，可调节风能、光伏等能源的波动性，及时进行“消纳”，提高整体发电系统的稳定性、可控性。

光热发电技术特点

“出力”定义：指系统的输出功率。

五、发展现状及应用

目前，我国“太阳能热发电”还属于初级阶段，为进行技术探索与发展，首批示范项目中包括塔式7 座、槽式1 个、线性菲涅式1 个，共计 550 MW。

1、敦煌首航高科 “塔式”光热电站

是世界最高、集光面积最大的“塔式”光热电站，吸热塔高260米，镜场直径超过3公里，可实现24小时连续发电：

镜场采用“双轴跟踪技术”，每块玻璃下面都装有“驱动轴”，工作时每块玻璃都能自动跟踪太阳，自动调整角度、进行对焦，并把太阳光集中反射至“集热器。（追踪精度：0.03—0.05度）

敦煌首航高科 “塔式”光热电站

敦煌首航高科 “塔式”光热电站

敦煌首航高科 “塔式”光热电站

为保持镜面干净，提供稳定的发电效率，首航自研了智能“清洗车”，可通过雷达测距、压力控制器、传感器等，自动调整刷架、刷头，进行快速清洗：50秒/块

首航智能清洗车

2、兰州大成敦煌“线性菲涅尔” 光热电站（50 MW）

我国大成敦煌的 “线性菲涅尔”光热电站，是全球首座进行“商运”的熔盐“线性菲涅尔式”光热电站。

该项目于2020.06正式投入运行，采用“熔盐”作为集热、传热和储热的统一介质，“储热”时长达15小时，可实现24小时连续发电。

线性菲涅尔式技术，使用平面反射镜，结构简单，安装距离地面仅1米，在“建设和维护”成本方面，比较有优势。

3、内蒙古乌拉特中旗“槽式”光热电站

2021.07正式进入运行，期间经过调整、消缺改造，光电实际效率超当初设计指标：26.76%。

在该项目中，高温真空集热管、集热器、反射镜、跟踪驱动系统、旋转接头保温外壳等关键部件，均实现100%国产化。

内蒙古乌拉特中旗“槽式”光热电站

内蒙古乌拉特中旗“槽式”光热电站

内蒙古乌拉特中旗“槽式”光热电站

4、“光热+风光”多能互补模式

“风能”发电和“光伏”发电容易受天气影响：风力不足无法发电，夜间没有太阳无法发电。容易造成电网波动较大，传统方式采用“火力”发电进行“调峰”。

当“风力”和“光伏”发电不足时，就增加“火力”发电量，弥补用电缺口，反之，就减少“火力”发电。

采用火力发电机组“调峰”有一定的弊端：

• 火力发电具有一定的惯性，“工作”过程中设最低“运行”标准。
• 频繁调整发电机组运行速度，容易损伤机器，缩短设备寿命。
• 当出现风电、光伏“发电量”较高，超出电网需求时，“火电”也不能随意“停机”，易造成“弃风、弃光”现象（未并入电网，白白浪费）。

太阳能“光热”发电不仅绿色无碳、具有“储能”功能，而且比火电“调节、控制”能力更强，更适合和“风电、光伏发电”形成互补，对电网进行“消纳”和“调峰”，提高再生能源“供给比例”。

六、下一步发展

1、高温集热和储热技术及设备研究

2、进一步降低太阳能热发电设备的成本。

3、提升光热功率的预测精度，为系统经济运行和电站出力提供决策

参考文献

知网《太阳能光热发电技术及其发展综述》

中国工程院院刊：《下一代太阳能光热发电储热技术新进展》

电力科技：《光热发电一体化项目配比及运行模式探讨》

太阳光热联盟产业技术创新战略联盟：《兰州大成：线性菲涅耳式聚光太阳能多能互补供暖系统在清洁供热领域的应用研究》

CSPPLAZA光热发电平台:《槽式光热储能电站，更稳定可靠的风光配储方案》