如果你持續(xù)關(guān)注能源領(lǐng)域的發(fā)展，那么你將意識(shí)到一些國家的電力市場正悄然發(fā)生著變革。與傳統(tǒng)化石燃料相比，太陽能和風(fēng)能等可再生能源越來越具有競爭優(yōu)勢，近年來許多國家的可再生能源發(fā)電量占比都在不斷提升。例如，2010年德國出臺(tái)能源轉(zhuǎn)型(Energiewende)政策，稱要在2035年實(shí)現(xiàn)可再生能源用電量占比達(dá)55%~60%的目標(biāo)。
德國及其它國家的能源變革政策有力地促進(jìn)了可再生能源的研究與發(fā)展(R&D)，同時(shí)也推動(dòng)相關(guān)企業(yè)進(jìn)一步發(fā)展風(fēng)能、太陽能及其它可再生能源技術(shù)。
在太陽能發(fā)電領(lǐng)域，現(xiàn)階段光伏毫無疑問處于支配地位，多年以來，光伏市場的激烈競爭和技術(shù)不斷創(chuàng)新升級(jí)促使其成本不斷降低，也使一些企業(yè)淘汰出局。目前，作為已有數(shù)十年發(fā)展歷史的另一種太陽能發(fā)電技術(shù)——光熱發(fā)電也逐漸開始嶄露頭角，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，其獨(dú)特的儲(chǔ)能優(yōu)勢可以使光熱電站實(shí)現(xiàn)24小時(shí)連續(xù)發(fā)電，逐步具備承擔(dān)電力基礎(chǔ)負(fù)載的能力。
熔鹽塔式技術(shù)占比日趨提升
光伏發(fā)電利用太陽能電池板將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成電能，而光熱發(fā)電則由太陽能集熱器將所吸收的熱能轉(zhuǎn)換成蒸氣，再驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。目前，商業(yè)可用的光熱發(fā)電技術(shù)路線基本分為四種，根據(jù)它們集中太陽輻射方式的不同，可以分為點(diǎn)聚焦集熱系統(tǒng)和線聚焦集熱系統(tǒng)。點(diǎn)聚焦集熱技術(shù)包括塔式和碟式;線聚焦集熱系統(tǒng)包括槽式和線性菲涅爾式。
據(jù)美國能源部國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室(NREL)數(shù)據(jù)庫顯示，目前全球共有130多個(gè)光熱電站項(xiàng)目。其中，99個(gè)電站已投入運(yùn)行，18個(gè)電站仍處于建設(shè)階段。這些電站中，槽式光熱電站占主導(dǎo)地位(88個(gè))，而塔式電站(29個(gè))則因其在高溫下的儲(chǔ)能優(yōu)勢日越來越受到重視。
據(jù)國際可再生能源機(jī)構(gòu)(IRENA)和CSPPLAZA研究中心分別公布的相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，截至2016年年底，全球光熱發(fā)電裝機(jī)已超過5GW(CSPPLAZA統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為5017MW)。目前，西班牙國內(nèi)共有50座光熱電站投入運(yùn)營，裝機(jī)量達(dá)2.3GW，而美國投入運(yùn)營的光熱電站裝機(jī)達(dá)1.7GW，規(guī)劃建設(shè)中的光熱電站裝機(jī)達(dá)1.7GW。此外，中國也計(jì)劃在2018年之前實(shí)現(xiàn)光熱發(fā)電裝機(jī)1.4GW，到2020年達(dá)5GW的目標(biāo)。去年9月，中國國家能源局公布了20個(gè)光熱示范項(xiàng)目名單，其中大多數(shù)項(xiàng)目將由中國企業(yè)設(shè)計(jì)和建造，而美國和澳大利亞等國的相關(guān)企業(yè)也將參與到部分項(xiàng)目的建設(shè)中來。
美國知名光熱電站開發(fā)商BrightSource的市場部及政務(wù)部高級(jí)副總裁Joe Desmond表示，根據(jù)可參考案例分析，IRENA預(yù)計(jì)到2030年全球光熱電站總裝機(jī)容量至少達(dá)到45GW，甚至有望達(dá)到110GW，而這樣做可以將全球溫度升幅控制在2℃以內(nèi)。
光熱發(fā)電的核心優(yōu)勢——儲(chǔ)能
另一美國知名光熱電站開發(fā)商SolarReserve的首席執(zhí)行官Kevin Smith認(rèn)為，光熱電站的主要優(yōu)勢在于它可以生產(chǎn)出電網(wǎng)友好型的可調(diào)度電力。這意味著與傳統(tǒng)的發(fā)電廠一樣，光熱電站產(chǎn)生的電力可以很好地滿足連續(xù)的用電需求，而這主要得益于光熱電站可以配置高性價(jià)比的熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)。這種儲(chǔ)熱技術(shù)并非直接蓄電(光伏和風(fēng)電一般使用蓄電池來儲(chǔ)存電力)，這使得光熱電站生產(chǎn)的電力不僅可調(diào)度，而且可以實(shí)現(xiàn)24小時(shí)電力調(diào)度，且夜間不需要補(bǔ)充備用燃料。
SolarReserve的塔式光熱發(fā)電技術(shù)便采用熔鹽進(jìn)行儲(chǔ)熱，由硝酸鈉和硝酸鉀組成的混合物被作為電站的傳儲(chǔ)熱介質(zhì)。熔鹽泵將熔融鹽(300℃)泵到高約164米左右的吸熱塔頂端的吸熱器中，而吸熱器用集中的太陽輻射熱量將熔鹽加熱到約565℃。約27215噸的熔融鹽被密封存儲(chǔ)在不銹鋼罐中，這樣可以更好地實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)熱。
圖：塔式光熱電站運(yùn)行原理
該公司第一個(gè)投入商業(yè)應(yīng)用的光熱電站是裝機(jī)110MW的新月沙丘項(xiàng)目，該電站已于2015年年底投入運(yùn)行，并于2016年獲得電力雜志(Power Magazine)年度最佳電站獎(jiǎng)。此后，SolarReserve繼續(xù)開發(fā)多個(gè)光熱項(xiàng)目，包括南非裝機(jī)100MW塔式光熱電站Redstone，該電站配置了12小時(shí)的熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)，并將于2018年投入運(yùn)行。
Torresol能源公司率先在塔式光熱電站中采用熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)，該公司第一個(gè)投入商業(yè)運(yùn)營的光熱電站是位于西班牙的裝機(jī)19.9MW的Gemasolar項(xiàng)目，該電站的熔鹽儲(chǔ)熱時(shí)長達(dá)15小時(shí)。
其他公司如Abengoa和BrightSource此后也陸續(xù)開始采用熔鹽儲(chǔ)熱技術(shù)。例如，Abengoa正在智利Atacama沙漠建設(shè)一座裝機(jī)110MW的塔式熔鹽光熱電站，該電站儲(chǔ)熱時(shí)長達(dá)17.5小時(shí)。另外，該公司還完成建設(shè)全球裝機(jī)規(guī)模最大的槽式光熱電站之一，位于美國亞利桑那州裝機(jī)280MW的Solana光熱電站，該電站配置6小時(shí)儲(chǔ)熱系統(tǒng)，已于2013年10月實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)行。
降低成本勢在必行
盡管光熱發(fā)電具有優(yōu)于光伏和風(fēng)電的儲(chǔ)能優(yōu)勢，但目前其成本仍然相對(duì)較高，因此降低成本勢在必行。2011年，美國能源部推出SunShot計(jì)劃，旨在到2020年實(shí)現(xiàn)光熱發(fā)電平準(zhǔn)化電力成本(LCOE)達(dá)$0.06/kwh(無補(bǔ)貼)的目標(biāo)，而這一數(shù)據(jù)意味著光熱發(fā)電成本將在2010年的基礎(chǔ)上下降70%。
Kevin Smith認(rèn)為，從已經(jīng)投入運(yùn)行的光熱電站汲取經(jīng)驗(yàn)來降低成本是一條行之有效的思路。例如，在塔式光熱電站的建設(shè)中，整個(gè)鏡場投資約占總投資的50%。Kevin Smith表示：“我們已經(jīng)能夠?qū)⒍ㄈ甄R的成本降低30%至40%，而這得益于定日鏡設(shè)計(jì)的不斷改進(jìn)促使定日鏡精度的不斷提高以及良好的驅(qū)動(dòng)裝置和無線技術(shù)，所有的努力使其可以更有效地獲取光資源。我們一直致力于改進(jìn)技術(shù)，因此我們?cè)谀戏墙ㄔO(shè)的Redstone光熱項(xiàng)目成本將比新月沙丘項(xiàng)目成本低25%?！?/p>
Joe Desmond也認(rèn)同這一思路：“光熱發(fā)電的各個(gè)環(huán)節(jié)都取得了一定的進(jìn)展，包括儲(chǔ)熱技術(shù)以及吸熱器和定日鏡的設(shè)計(jì)等。”BrightSource公司的第四代技術(shù)將應(yīng)用于以色列裝機(jī)121MW的Ashalim塔式光熱電站中。該技術(shù)包括一種新的定日鏡設(shè)計(jì)方案——部件更少且組裝簡便，同時(shí)能提高定日鏡精度并降低成本。Joe Desmond表示：“我們最新的設(shè)計(jì)尺寸為4×5.2m，這比Ivanpah項(xiàng)目定日鏡面積大25%。此外，無線現(xiàn)場通信和控制技術(shù)首次應(yīng)用于光熱發(fā)電領(lǐng)域，這也是一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)。在Ashalim光熱項(xiàng)目中，由50600面定日鏡組成的占地面積3.15平方公里的光場中，每一面定日鏡將與公司的太陽島集成控制系統(tǒng)(SFINCS)進(jìn)行無線通信。無線系統(tǒng)的應(yīng)用使我們?cè)谔枍u的布線成本減少了85%，這樣既降低了成本，同時(shí)也加快了施工進(jìn)度?！?/p>
此外，光熱電站目前還普遍采用空冷技術(shù)來降低成本。蒸汽發(fā)生器管道內(nèi)的過熱蒸汽必須在閉環(huán)系統(tǒng)中進(jìn)行冷卻并冷凝回水，空冷技術(shù)使用含許多扇葉的空氣冷凝器使空氣在管道內(nèi)循環(huán)以實(shí)現(xiàn)冷卻和冷凝蒸汽。相反，水冷系統(tǒng)則使水在管道中循環(huán)，耗水較多。
Joe Desmond表示：“目前，所有進(jìn)行招標(biāo)的光熱項(xiàng)目都采用空冷技術(shù)，這將比傳統(tǒng)的水冷技術(shù)減少95%的用水量。例如，Ivanpah光熱電站就采用空冷技術(shù)，該電站每年使用50英畝尺水(1英畝尺相當(dāng)于1英畝地1英尺深的水量)，這相當(dāng)于該電站旁高爾夫球場的一個(gè)球洞的年用水量?！?/p>
光熱發(fā)電“追逐”高溫
Kevin Smith認(rèn)為，對(duì)于各種電站而言，較高溫度下的運(yùn)作意味著較高的發(fā)電效率，光熱電站也是如此。因此，SolarReserve正在開發(fā)一種可在760℃至816℃的高溫條件下運(yùn)行的先進(jìn)的塔式吸熱器。
槽式光熱發(fā)電技術(shù)采用溫度限于400℃的合成導(dǎo)熱油(HTF)作為傳熱介質(zhì)。因此，槽式光熱電站儲(chǔ)熱溫度范圍為280-400℃，這比塔式技術(shù)儲(chǔ)熱溫度要低。2015年發(fā)表于Science Direct的一項(xiàng)研究表明，來自德國瓦克化學(xué)公司(WackerChemieAG)的新型有機(jī)硅導(dǎo)熱油—Helisol，在425℃下可形成低沸點(diǎn)的氣態(tài)化合物。從經(jīng)濟(jì)性角度來測算，硅油的使用可以使LCOE降低5%。
為了提升槽式光熱系統(tǒng)的運(yùn)行溫度，德國航空航天中心(DLR)也在進(jìn)行相關(guān)研究。2016年夏，由DLR領(lǐng)導(dǎo)的為期兩年的國際光熱項(xiàng)目研究工作開展，其目的是證明槽式光熱電站中使用熔鹽的可行性。“采用熔鹽使運(yùn)行溫度高達(dá)550℃是可能的。”DLR太陽能研究所線聚焦集熱系統(tǒng)部項(xiàng)目經(jīng)理Michael Wittmann說。作為這項(xiàng)研究工作的一部分，今年秋天將在葡萄牙èvora建設(shè)一個(gè)熔鹽槽示范項(xiàng)目。該電站裝機(jī)容量為2.2MWth(一個(gè)含四個(gè)槽式集熱器的完整回路)并配置一個(gè)容量為1.6MW的蒸汽發(fā)生器。
參與這項(xiàng)研究的一些企業(yè)，如TSK、Flagsol工程公司將改進(jìn)其槽式集熱器的設(shè)計(jì)，并證明其適用性。德國Steinmüller工程有限公司將安裝和測試其用熔鹽加熱的直流蒸汽發(fā)生器，直通設(shè)計(jì)將滿足商業(yè)化運(yùn)行的過熱蒸汽參數(shù)。Wittmann表示，熔鹽技術(shù)或?qū)⑹共凼郊夹g(shù)成本降低33%。
創(chuàng)新技術(shù)不斷涌現(xiàn)
日本三菱日立電力系統(tǒng)有限公司計(jì)劃在近期完成其新型太陽能集熱系統(tǒng)的測試工作(這項(xiàng)工作從去年8月開始在橫濱分公司展開)。該計(jì)劃包含一項(xiàng)屬于混合系統(tǒng)專利設(shè)計(jì)，它將菲涅爾光熱技術(shù)中蒸發(fā)器和塔式光熱技術(shù)中的過熱器相結(jié)合。與傳統(tǒng)的光熱發(fā)電系統(tǒng)相比，這項(xiàng)設(shè)計(jì)能夠以較低的成本生產(chǎn)更高溫度的蒸汽。在該系統(tǒng)中，通過低成本的菲涅爾蒸發(fā)器聚集的太陽光約占總輻射量70%，同時(shí)可產(chǎn)生溫度為300℃的蒸汽。剩余的太陽光則由塔式過熱器收集，這將使蒸汽的溫度升至550℃。
圖：創(chuàng)新型數(shù)字玻璃
值得一提的是，去年7月，勞倫斯利物摩爾國家實(shí)驗(yàn)室(LLNL)開始執(zhí)行美國能源部Sunshot計(jì)劃，并與GiantLeap進(jìn)行技術(shù)合作。LLNL方面表示，Collects項(xiàng)目旨在進(jìn)一步開發(fā)GLT的數(shù)字玻璃技術(shù)，該技術(shù)將作為一種新方式來采集太陽光。數(shù)字玻璃僅使用一小部分材料，用薄而透明的面板替換目前使用的定日鏡，這樣將大大縮小太陽能電站的占地面積，同時(shí)能收獲五到十倍的太陽光。
中國制造或扮演關(guān)鍵角色
除了上述技術(shù)創(chuàng)新以及多方面降低成本的嘗試以外，中國光熱發(fā)電行業(yè)的啟動(dòng)或成為全球光熱發(fā)電行業(yè)發(fā)展的最大助力。假如中國首批光熱示范項(xiàng)目及十三五規(guī)劃得以順利完成，不但將完全顛覆國際光熱發(fā)電行業(yè)格局，中國光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)鏈的不斷發(fā)展成熟也必將帶來光熱發(fā)電成本的大幅下降，這種發(fā)展模式已經(jīng)在光伏和風(fēng)電行業(yè)中得到了證實(shí)。
事實(shí)上，目前中國光熱發(fā)電行業(yè)的啟動(dòng)正吸引著全球光熱發(fā)電玩家的目光，從整個(gè)行業(yè)角度來講，如何將相對(duì)成熟的海外技術(shù)以及部分已經(jīng)被驗(yàn)證的國產(chǎn)自主技術(shù)和中國特殊開發(fā)環(huán)境完美結(jié)合，盡快推動(dòng)中國首批光熱示范項(xiàng)目順利開發(fā)，盡快促進(jìn)中國制造在光熱發(fā)電行業(yè)的快速發(fā)展成熟，不但對(duì)中國光熱發(fā)電行業(yè)發(fā)展具有重要意義，對(duì)于全球光熱發(fā)電行業(yè)的未來發(fā)展乃至可再生能源發(fā)展格局都可能將產(chǎn)生重要影響。
