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我国光热发电正式进入商业化时代

更新时间:2011-08-08

太阳能光热发电正在成为中国能源巨头新的角逐点,这个产业的商业化由此拉开了大幕。

    渐成投资热点

    由我国自主研发的10kW碟式太阳能聚光发电系统样机,日前在宁夏石嘴山市进行测试及试运行,填补了我国在碟式太阳能聚光发电技术方面的空白。

    而此前,2007年6月,国内首座70千瓦的太阳能塔式光热发电系统在南京通过鉴定验收。2010年7月,亚洲首座塔式太阳能光热发电站在北京延庆动工兴建。

    2011年4月,内蒙古50兆瓦槽式太阳能项目中标结果揭晓,大唐新能源股份有限公司以0.9399元/千瓦时的最低价中标。有关资料显示,内蒙古光热发电项目总投资约16亿元,每年可发电1.2亿千瓦时以上。中国科学院电工研究所研究员马胜红介绍,这是我国首个光热发电特许权招标项目,这次招标是“零的突破”。
    6月1日,国家发改委颁布的《产业结构调整指导目录(2011年本)》正式实施,在指导目录鼓励类新增的新能源门类中,太阳能光热发电被放在突出位置。业内人士认为,光热发电设备市场即将迎来新一轮竞争。

    目前,我国以火力发电为主,对生态环境产生的负面影响巨大。随着生态环境的日益恶化,煤、天然气等一次性能源的日益枯竭,太阳能发电以其绿色、无污染、可持续等特点,成为新能源的热点。

    据上海交通大学太阳能研究所所长沈文忠介绍,我国属于太阳能资源储量丰富的国家之一,年日照时数大于2000小时的地区面积,约占全国总面积的三分之二以上,其中,有条件发展太阳能电站的沙漠和戈壁面积约为30万平方公里,占我国沙漠总面积的23%,太阳能发电在我国发展潜力巨大。

    太阳能光热发电是继光伏发电后的一种新的太阳能发电方式,是一个新型的朝阳产业。目前,这一产业在我国虽处于起步阶段,但却是新能源利用的一个重要方向。

    过去一年多,几大能源企业在四川、青海、甘肃、宁夏等多个地区开始筹建数个太阳能光热发电项目,规模从100MW到500MW不等。华泰联合证券新能源行业首席分析师王海生介绍,目前大唐在内蒙古、国电在新疆、华电在青海、华能在西藏都开始运作不同规模的光热发电。

    据了解,日前在石嘴山开始试运行的10kW碟式太阳能聚光发电系统样机,由浙江华仪康迪斯太阳能科技有限公司自主研发。该公司首席执行官万斌介绍,这台太阳能聚光发电系统组合应用了多项新技术、新材料和新工艺,比美国仅仅晚了半年;与其他太阳能发电系统比较,这套碟式聚光发电系统的光电转换效率达到30%以上,且具有安装灵活、制造和维护成本低的优势,具有广阔的市场前景。今年8月,该公司还将推出25kW太阳能聚光发电系统。

    何为太阳能光热发电

    太阳能光热发电的原理是,利用大规模阵列抛物或碟形镜面收集太阳热能,通过换热装置提供蒸汽,推动传统汽轮发电机发电。太阳能光热发电技术和硅晶光伏发电相比,前者可以大大降低太阳能发电的成本。而且,这种形式的太阳能利用,还有一个其他形式的太阳能转换所无法比拟的优势,即太阳能烧热的水可以储存在巨大的容器中,在太阳落山后几个小时,仍然能够带动汽轮发电。

    光热发电有槽式、塔式和碟式三种系统。

    槽式太阳能光热发电系统全称为:槽式抛物面反射镜光热发电系统,是将多个槽型抛物面聚光集热器经过串并联的排列,收集热量,烧水产生高温蒸汽,驱动汽轮机发电机组发电。

    上世纪70年代,太阳能电池价格昂贵,效率较低,相对而言,光热发电效率较高,技术比较成熟,因此当时许多工业发达国家都将光热发电作为重点,投资兴建了一批试验性太阳能光热发电站。据不完全统计,从1981~1991年,全世界建造的太阳能光热发电站(500kW以上)约有20余座,发电功率最大达80MW。20世纪80年代初期,以色列和美国开始研究槽式抛物面聚光反射镜太阳能光热发电系统。从1985~1991年,在美国加州沙漠相继建成了9座槽式太阳能光热发电站,总装机容量353.8MW,并入网营运。经过努力,电站的初次投资由1号电站的4490美元/kW降到8号电站的2650美元/kW,发电成本从24美分/kWh降到8美分/kWh。

    从1981~1991年,全世界建造了装机容量500kW以上的各种不同形式的兆瓦级太阳能热发电试验电站,其中主要形式是塔式电站,最大发电功率为80MW。

    碟式太阳能热发电系统是由许多镜子组成的抛物面反射镜组成,接收在抛物面的焦点上,接收器内的传热工质被加热到750℃左右,驱动发动机进行发电。

    过去,我国在太阳能光热发电领域受经费和技术条件的限制,开展的工作比较少。在“六五”期间仅建立了一套功率为lkW的太阳能塔式热发电模拟装置和一套功率为lkW的平板式太阳能低热发电模拟装置。此外,我国还与美国合作设计并试制成功率为5kW的碟式太阳能发电装置样机。

    上世纪80年代中期,人们对建成的太阳能光热发电站进行技术总结后认为,虽然太阳能光热发电在技术上可行,但投资过大,且降低造价十分困难,所以各国都改变了原来的计划,使太阳能光热发电站的建设逐渐冷落下来。

    马胜红告诉记者,就几种形式的太阳热发电系统相比较而言,槽式热发电系统是最成熟,也是达到商业化发展的技术,塔式热发电系统的成熟度目前不如抛物面槽式热发电系统,而配以斯特林发电机的抛物面碟式热发电系统,虽然有比较优良的性能指标,但目前主要还是用于边远地区的小型独立供电,大规模应用成熟度则稍逊一筹。另外,槽式技术虽然较为成熟,但发电过程需要大量用水;塔式技术也需要大量用水;只有碟式技术发1千瓦时电只需1.4升水,能适应日照时间长的沙漠和戈壁地区,在三种光热发电技术中转化率最高。

    应该指出,槽式、塔式和碟式太阳能光热发电技术同样受到世界各国的重视,并正在积极开展工作。

    商业化缺乏集成经验

    目前,我国科学家已经对碟式发电系统、塔式发电系统以及槽式聚光单元进行了研究,掌握了一批太阳能光热发电的核心技术,如高精度高反射率的反射镜、高精度双轴跟踪控制系统、高热流密度下的传热、太阳能热电转换系统等。

    要提高槽式光热发电系统的效率与正常运行,涉及到两个方面的控制问题:一是自动跟踪装置,要求聚光器时刻对准太阳,以保证从源头上最大限度的吸收太阳能,据统计,跟踪比非跟踪所获得的能量要高出37.7%。二是要控制传热液体回路的温度与压力,满足汽轮机的要求,实现系统的正常发电。针对这两个问题,国内外学者都展开了研究,取得了一定的进展。

    德州华园新能源应用技术研究所与中科院电工所、清华大学等单位联手研制开发的槽式太阳能中高温热利用系统,设备结构简单、安装方便,整体使用寿命可达20年,很好的应用于槽式太阳能热发电系统。

    槽式太阳能中高温热利用系统最大的特点是,太阳能反射镜是固定在地上的,所以不仅能更有效地抵御风雨的侵蚀破坏,而且还大大降低了反射镜支架的造价。更为重要的是,该设备技术突破了以往一套控制装置只能控制一面反射镜的限制,可以对数百面反射镜进行同时跟踪,将数百或数千平方米的阳光聚焦到光能转换部件上(聚光度约50倍,可以产生300~400℃的高温),改变了以往整个工程造价大部分为跟踪控制系统成本的局面,使其在整个工程造价中只占很小的一部分。

    同时,该系统对集热核心部件——镜面反射材料,以及太阳能中高温直通管采取国产化生产,降低了成本,并且在运输安装费用上降低了大量费用。

    这两项突破彻底克服了长期制约槽式太阳能中高温系统大规模应用的技术障碍,为实现太阳能中高温设备制造标准化和产业化规模化运作,开辟了广阔的道路。

    尽管我国光热发电商业化示范项目已经起步,但是业界人士仍然认为,对企业来说,过去的技术研发都是针对单个器件,最大的缺陷在于没有系统集成的太阳能光热发电项目经验。

    如何打造我国太阳能光热发电产业链?

    马胜红认为,虽然光热发电系统对国内企业来说,技术门槛并不高,但在热油循环、储能以及热交换等技术环节,国内企业仍有待进一步攻关,关键是在大系统的技术和经验上。目前,需要突破三个瓶颈:一是要掌握关键零部件技术,并经过商业实践的考核;二是大型发电系统建设和调试国内缺乏经验,需要与国外企业和专家合作;三是目前招标电价过低,希望国家能有扶持政策,让企业有积极性,同时对电站选址、规划要有具体的要求,早布局、早测量。

    中国国际工程咨询公司的一份调研报告指出,由于太阳能光热发电的成本还高于常规电站,因此太阳能光热发电技术的推动,最关键的还是需要政府在政策上的指导和支持。有关专家建议,国家应考虑给予我国企业做集成电站的机会,国内企业只要完成3~4个商业项目,整个产业链就会比较完整。

    新一轮竞争即将爆发

    光热发电是已被印证的成熟可靠的发电技术,在上世纪70年代,中东石油危机时迎来契机,于上世纪80年代由美国初步应用,装机量达到354MW。此后经历了近20年的“市场空白”期,目前,第二次市场竞争的爆发已经“箭在弦上”。

    华泰联合证券新能源首席分析师王海生介绍,首先是2009年西班牙可再生能源FIT的政策激励,促使其光热发电三年来发展迅速,累积装机约582MW,在建项目超过600MW;2009年美国一系列激励政策,也促使其光热发电市场重新启动,在建项目近500MW,规划项目超过10GW(即1万兆瓦);另外中东地区、澳大利亚、印度、南非等国,也有规模不等的市场正在启动中。目前全球在建及规划中的光热发电项目已经达到23GW,对应投资超过500亿美元。

    我国也将太阳能光热发电作为重点发展的战略性新兴产业之一,在国家电力“十二五”规划中,明确指出“十二五”期间,将在甘肃、宁夏、新疆、内蒙古选择条件适合地点,建设太阳能光热发电示范电站。据华泰联合证券统计,如果所有已公布项目均能实施,2015年前,我国的太阳能光热发电装机容量将达3GW规模,按照光伏系统可比成本计算,市场总量达450亿元人民币。

    光伏光热将同步推进

    太阳能利用的大发展已经不容置疑,需要讨论的只是路径问题,是发展光伏还是光热?两种声音一直在争议,从最初的偏向光伏一边倒,已经演变为目前两者势均力敌的态势。

    中国电力科学研究院副总工程师胡学浩认为,由于太阳能光热发电和火电一样是通过蒸汽轮机发电,加上太阳能光热发电带有热储存系统,更有利于电力系统的稳定和调节。目前光热发电价格与光伏发电成本相当,但是光伏发电没有储热设备,而光热发电可以采用储热装置提供稳定的电力输出。如果考虑储热装置,光热发电的综合价格比光伏发电要便宜些。而且,太阳能光热发电适合多样化的技术应用。例如可实现低成本的储能,提高电力输出品质;与现有电力设施结合发电;太阳能光热发电的余热可用于制冷、海水淡化或污水净化等多个领域。

    如今,在各种新能源类的论坛上,都在讨论光伏发电和光热发电的发展前景。其实,光伏和光热最好的发展方式是在不同领域协同发展,比如光伏用于小型的、分布式的、一家一户的发电,甚至是楼宇的薄膜电池类型,而光热应用于大型电站。光热的成本比较低,装机容量越大,发电成本越低,可以实现规模化。由此可见,太阳能利用的产业链将更为复杂和多元化,太阳能行业在大跨步前进的同时更要良性发展,面临的挑战也将更多。

    而太阳能光热发电以其与现有电网匹配性好、光电转化率高、连续稳定发电和调峰发电能力强,受到业界专家的推崇。业内人士普遍认为,光伏和光热发电都有着良好前景,二者并不是互相替代的关系,而是并行发展。在全球低碳经济与新能源革命的大趋势下,光热发电极有可能成为我国未来份额最大的主导能源。