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聚焦式太陽能光熱發電 – 市場概況

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聚焦式太陽能光熱發電 – 市場概況

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簡介

聚焦式太陽能光熱發電是指,運用反射鏡將太陽光彙聚到特定的收集裝備,以此來加熱收集裝備內的傳熱介質,最終傳熱介質加熱水形成蒸汽,帶動發電機發電。根據集熱方式的不同可分為槽式、塔式、線性菲涅耳式。 傳熱介質一般採用礦物油或者熔鹽。

市場規模

根據IEA(International Energy Agency) 資料顯示,聚焦式太陽能光熱發電量的在逐年增長,在2019年達到了15.6 TWh,  在可持續發展的前提下,IEA預計到2030年發電量將達到 183.8 TWh。

聚焦式太陽能發電量歷史資料
聚焦式太陽能發電量歷史資料
2030年聚焦式太陽能發電量預期
2030年聚焦式太陽能發電量預期

目前,聚焦式太陽能光熱發電的平准化度電成本 (LCOE)在不同的折現係數體現如下表所示, 

表 1 : 各發電方式 度電成本

 

國內外應用

除了發電之外,聚焦式太陽能光熱還有其他的工業應用,例如:

氨氣生產

目前美國能源部資助的一個由桑迪亞國家實驗室、喬治亞理工學院和亞利桑那州立大學組成的多機構專案提出了一個創新型思路,即:利用太陽能聚光集熱技術來作為生產氨的能源。(Solar-Thermal Ammonia Production (STAP))

這種新的氨生產思路,不需要化石燃料,而是利用集中太陽能輻射,從而大幅降低成本並避免二氧化碳排放。這種正在開發的先進太陽能熱化學迴圈技術可以從空氣中生產和儲存氮氣,然後通過先進的兩級工藝生產氨,更重要的是它可以降低合成氨所需的壓力。此專案目前處於技術成熟的早期階段,亞利桑那州立大學團隊現在已開始進行系統建模和詳細的熱力學和技術經濟分析,以尋找最佳操作條件或系統規模。

水泥生產

瑞士的一家企業,正在研究利用可產生1,500℃高溫的先進聚光熱利用技術來替代工業用熱從而實現水泥生產。該技術具備大幅降低水泥生產過程中所排放二氧化碳的潛力。此光熱技術不僅能代替化石燃料提供熱量外,還可以捕獲生產水泥煆燒過程中反應產生對的二氧化碳。

重點專案

摩洛哥努奧三期150MW塔式光熱電站

該項目採用塔式太陽能聚光集熱發電技術,利用7,400面巨型定日鏡時時追蹤太陽,將太陽光反射到光塔頂部的高效吸熱器上聚熱發電,日落後,電站的巨型熔鹽儲熱罐能夠保障電站滿負荷發電7小時。它不僅是世界單機容量最大的塔式光熱電站,其248米高的光塔和單個面積達178平方米的定日鏡均為世界之最。

摩洛哥努奧150 MW光熱電站
摩洛哥努奧150 MW光熱電站

青海中控太陽能德令哈50MW塔式熔鹽儲能光熱電站

該站是中國國家首批光熱發電示範項目之一,裝機容量50MW,配置7小時熔鹽儲能系統、27,135面20m²的定日鏡,鏡場採光面積54.27萬平方米,設計年發電量1.46億kWh,相當於8萬餘戶家庭一年的用電量,每年可節約標準煤4.6萬噸,同時減排二氧化碳氣體約12.1萬噸,具有良好的經濟效益與社會效益。

該專案總投資11.3億元,占地面積總計2.4平方公里,年運營成本約1545萬元。項目於2017年3月開工建設,2018年12月建成投產,2019年4月實現滿負荷運行,2019年9月底正式移交生產運行。

德令哈 50MW 光熱電站建設照片
德令哈 50MW 光熱電站建設照片

近年技術突破

收集裝置技術

目前,來自丹麥的一家公司的工程師們正在積極開發、設計和優化一種非對稱太陽能吸熱器。

根據測算,一旦該技術成功應用於商業化光熱電站,可大大降低吸熱器的製造成本,尤其是管材成本(降幅最高可達42%左右),同時還將大幅降低光場成本,並最終有效提升系統整體效率和降低光熱發電成本。

目前常規採用熔鹽作為傳熱流體的塔式光熱電站的吸熱器為圓柱體形狀,往往由很多根約20米高的特殊管材排列組成,同時這些管材的高度都是一樣的。

而非對稱吸熱器這個新概念與常規吸熱器最大的不同就是不再是一個整體對稱的圓柱體,組成吸熱器的管材高度也不盡相同詳見圖。

非對稱吸熱器
非對稱吸熱器

據測算,採用該項設計EPC成本將降低14%以上,電站總體效率將提高約3%,同時LCOE將降低13%以上,這意味著生產同樣數量的電力所需的太陽能將明顯減少,而100MW塔式電站對於光場的空間需求將降低30%左右。

據瞭解,非對稱吸熱器成本下降最多的是在材料部分,鋼支架、絕緣、跟蹤等方面用料都將顯著降低,而在較小的塔式系統中則更為明顯,因為較小的光場具有更高的光學效率。如果是100MW的塔式電站,吸熱器的總成本將可下降13%以上,如果是50MW塔式電站,該成本則將下降20%以上。

就直接材料(管材)成本而言,100MW電站採用非對稱吸熱器可節省高達29%的材料成本,而50MW電站則可節省高達42%。

儲熱方式技術突破

1.以陶瓷顆粒為傳儲熱介質的塔式光熱技術將首獲實踐應用

研究人員正在嘗試利用配置陶瓷顆粒儲熱系統的塔式光熱電站盡可能為義大利面的生產和乾燥過程提供可持續的可再生能量,以將麵食生產過程中所產生的碳排放不斷降低。

該系統將採用塔式聚光技術,將建設包含約500個定日鏡的集熱系統(集熱面積約6000平方米)和20MWth的陶瓷儲熱系統(可24小時不間斷輸出800kWth的熱量)。定日鏡收集的太陽能將把位於塔頂吸熱器中的直徑只有1毫米的陶瓷粒子加熱至高達1000℃,然後高溫粒子可以儲存在一個大型保溫容器中。

與目前商業化光熱電站普遍採用的熔鹽介質相比,陶瓷顆粒可以承受更高的溫度,成本也非常低廉且不會對環境構成威脅。更重要的是,與熔鹽不同,陶瓷顆粒系統不會存在流體凍結的風險,因此不需要任何輔助加熱措施。

2.高溫顆粒作為傳熱流體和儲熱介質

由歐盟“Horizon 2020”研究及創新計畫支持的“Next-CSP”(下一代太陽能熱發電)項目於2020年9月31日結題。該專案共為期48個月,旨在開發出基於高溫顆粒作為傳熱流體和儲熱介質的新技術,從而提高聚光太陽能熱發電系統的性能和可靠性。

NEXT-CSP項目選擇用橄欖石——一種天然的鎂矽酸鹽(地球上最常見的礦物之一)來製造傳熱固體顆粒。雖然原料獲取並不難,但要充分利用好這種顆粒需要在技術方面進行一些重大創新,比如要開發出匹配的太陽能吸熱器技術以及由多達1300多根鋼管組成的新型高溫換熱器(壓縮空氣將在管子內流動以實現換熱),此外還要實現更加先進的聯合迴圈。在此基礎上,NEXT-CSP技術再將太陽能吸熱器、蓄熱罐、熱交換器、燃氣輪機和冷料罐集成在塔式聚光發電系統中。

NEXT-CSP項目的核心就是要採用創新型的流態化的耐火顆粒來作為傳儲熱介質,以將系統工作溫度提升到750℃甚至更高,進而顯著提升光熱發電系統的效率。預計採用固體流態化顆粒作為傳儲熱介質的光熱發電系統的理論發電效率將比目前最先進的熔鹽塔式光熱電站高出約20%,同時該設計還可以將發電成本降低約25%,並顯著降低存儲介質的成本。

技術挑戰

目前聚焦式太陽能光熱發電依然面臨著不少技術難題,其中包括:

1.投資成本高,聚焦式太陽能光熱發電與光伏電站 相比前期建造成本較大大。

2.受極端天氣影響較大,在溫度過低時,傳熱介質凝結會對管道以及儲熱裝置造成損害,並一定程度上影響發電。因此在傳熱介質的選擇上要根據地區的天氣狀態研究決定。 

3.運維成本高,就中國來看,目前國家能源局批准的《太陽能熱發電項目監測評估規程》提出,對鏡面清潔度,對傳熱介質的溫度等一系列參數都要進行監測,但目前缺乏有效的清潔和運維服務。

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