如果你持續(xù)關注能源領域的發(fā)展，那么你將意識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年德國出臺能源轉(zhuǎn)型(Energiewende)政策，稱要在2035年實現(xiàn)可再生能源用電量占比達55%~60%的目標。
德國及其它國家的能源變革政策有力地促進了可再生能源的研究與發(fā)展(R&D)，同時也推動相關企業(yè)進一步發(fā)展風能、太陽能及其它可再生能源技術。
在太陽能發(fā)電領域，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不斷創(chuàng)新升級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——光熱發(fā)電也逐漸開始嶄露頭角，隨著技術的不斷發(fā)展進步，其獨特的儲能優(yōu)勢可以使光熱電站實現(xiàn)24小時連續(xù)發(fā)電，逐步具備承擔電力基礎負載的能力。
熔鹽塔式技術占比日趨提升
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)動汽輪機發(fā)電。目前，商業(yè)可用的光熱發(fā)電技術路線基本分為四種，根據(jù)它們集中太陽輻射方式的不同，可以分為點聚焦集熱系統(tǒng)和線聚焦集熱系統(tǒng)。點聚焦集熱技術包括塔式和碟式;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驗室(NREL)數(shù)據(jù)庫顯示，目前全球共有130多個光熱電站項目。其中，99個電站已投入運行，18個電站仍處于建設階段。這些電站中，槽式光熱電站占主導地位(88個)，而塔式電站(29個)則因其在高溫下的儲能優(yōu)勢日越來越受到重視。
據(jù)國際可再生能源機構(IRENA)和CSPPLAZA研究中心分別公布的相關數(shù)據(jù)顯示，截至2016年年底，全球光熱發(fā)電裝機已超過5GW(CSPPLAZA統(tǒng)計數(shù)據(jù)為5017MW)。目前，西班牙國內(nèi)共有50座光熱電站投入運營，裝機量達2.3GW，而美國投入運營的光熱電站裝機達1.7GW，規(guī)劃建設中的光熱電站裝機達1.7GW。此外，中國也計劃在2018年之前實現(xiàn)光熱發(fā)電裝機1.4GW，到2020年達5GW的目標。去年9月，中國國家能源局公布了20個光熱示范項目名單，其中大多數(shù)項目將由中國企業(yè)設計和建造，而美國和澳大利亞等國的相關企業(yè)也將參與到部分項目的建設中來。
美國知名光熱電站開發(fā)商BrightSource的市場部及政務部高級副總裁Joe Desmond表示，根據(jù)可參考案例分析，IRENA預計到2030年全球光熱電站總裝機容量至少達到45GW，甚至有望達到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比的熔鹽儲熱系統(tǒng)。這種儲熱技術并非直接蓄電(光伏和風電一般使用蓄電池來儲存電力)，這使得光熱電站生產(chǎn)的電力不僅可調(diào)度，而且可以實現(xiàn)24小時電力調(diào)度，且夜間不需要補充備用燃料。
SolarReserve的塔式光熱發(fā)電技術便采用熔鹽進行儲熱，由硝酸鈉和硝酸鉀組成的混合物被作為電站的傳儲熱介質(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在不銹鋼罐中，這樣可以更好地實現(xiàn)儲熱。
圖：塔式光熱電站運行原理
該公司第一個投入商業(yè)應用的光熱電站是裝機110MW的新月沙丘項目，該電站已于2015年年底投入運行，并于2016年獲得電力雜志(Power Magazine)年度最佳電站獎。此后，SolarReserve繼續(xù)開發(fā)多個光熱項目，包括南非裝機100MW塔式光熱電站Redstone，該電站配置了12小時的熔鹽儲熱系統(tǒng)，并將于2018年投入運行。
Torresol能源公司率先在塔式光熱電站中采用熔鹽儲熱技術，該公司第一個投入商業(yè)運營的光熱電站是位于西班牙的裝機19.9MW的Gemasolar項目，該電站的熔鹽儲熱時長達15小時。
其他公司如Abengoa和BrightSource此后也陸續(xù)開始采用熔鹽儲熱技術。例如，Abengoa正在智利Atacama沙漠建設一座裝機110MW的塔式熔鹽光熱電站，該電站儲熱時長達17.5小時。另外，該公司還完成建設全球裝機規(guī)模最大的槽式光熱電站之一，位于美國亞利桑那州裝機280MW的Solana光熱電站，該電站配置6小時儲熱系統(tǒng)，已于2013年10月實現(xiàn)商業(yè)化運行。
降低成本勢在必行
盡管光熱發(fā)電具有優(yōu)于光伏和風電的儲能優(yōu)勢，但目前其成本仍然相對較高，因此降低成本勢在必行。2011年，美國能源部推出SunShot計劃，旨在到2020年實現(xiàn)光熱發(fā)電平準化電力成本(LCOE)達$0.06/kwh(無補貼)的目標，而這一數(shù)據(jù)意味著光熱發(fā)電成本將在2010年的基礎上下降70%。
Kevin Smith認為，從已經(jīng)投入運行的光熱電站汲取經(jīng)驗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中，整個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計的不斷改進促使定日鏡精度的不斷提高以及良好的驅(qū)動裝置和無線技術，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技術，因此我們在南非建設的Redstone光熱項目成本將比新月沙丘項目成本低25%?！?/p>
Joe Desmond也認同這一思路：“光熱發(fā)電的各個環(huán)節(jié)都取得了一定的進展，包括儲熱技術以及吸熱器和定日鏡的設計等?！盉rightSource公司的第四代技術將應用于以色列裝機121MW的Ashalim塔式光熱電站中。該技術包括一種新的定日鏡設計方案——部件更少且組裝簡便，同時能提高定日鏡精度并降低成本。Joe Desmond表示：“我們最新的設計尺寸為4×5.2m，這比Ivanpah項目定日鏡面積大25%。此外，無線現(xiàn)場通信和控制技術首次應用于光熱發(fā)電領域，這也是一項創(chuàng)新技術。在Ashalim光熱項目中，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)進行無線通信。無線系統(tǒng)的應用使我們在太陽島的布線成本減少了85%，這樣既降低了成本，同時也加快了施工進度。”
此外，光熱電站目前還普遍采用空冷技術來降低成本。蒸汽發(fā)生器管道內(nèi)的過熱蒸汽必須在閉環(huán)系統(tǒng)中進行冷卻并冷凝回水，空冷技術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，所有進行招標的光熱項目都采用空冷技術，這將比傳統(tǒng)的水冷技術減少95%的用水量。例如，Ivanpah光熱電站就采用空冷技術，該電站每年使用50英畝尺水(1英畝尺相當于1英畝地1英尺深的水量)，這相當于該電站旁高爾夫球場的一個球洞的年用水量。”
光熱發(fā)電“追逐”高溫
Kevin Smith認為，對于各種電站而言，較高溫度下的運作意味著較高的發(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℃的高溫條件下運行的先進的塔式吸熱器。
槽式光熱發(fā)電技術采用溫度限于400℃的合成導熱油(HTF)作為傳熱介質(zhì)。因此，槽式光熱電站儲熱溫度范圍為280-400℃，這比塔式技術儲熱溫度要低。2015年發(fā)表于Science Direct的一項研究表明，來自德國瓦克化學公司(WackerChemieAG)的新型有機硅導熱油—Helisol，在425℃下可形成低沸點的氣態(tài)化合物。從經(jīng)濟性角度來測算，硅油的使用可以使LCOE降低5%。
為了提升槽式光熱系統(tǒng)的運行溫度，德國航空航天中心(DLR)也在進行相關研究。2016年夏，由DLR領導的為期兩年的國際光熱項目研究工作開展，其目的是證明槽式光熱電站中使用熔鹽的可行性?！安捎萌埯}使運行溫度高達550℃是可能的?！盌LR太陽能研究所線聚焦集熱系統(tǒng)部項目經(jīng)理Michael Wittmann說。作為這項研究工作的一部分，今年秋天將在葡萄牙?vora建設一個熔鹽槽示范項目。該電站裝機容量為2.2MWth(一個含四個槽式集熱器的完整回路)并配置一個容量為1.6MW的蒸汽發(fā)生器。
參與這項研究的一些企業(yè)，如TSK、Flagsol工程公司將改進其槽式集熱器的設計，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，直通設計將滿足商業(yè)化運行的過熱蒸汽參數(shù)。Wittmann表示，熔鹽技術或?qū)⑹共凼郊夹g成本降低33%。
創(chuàng)新技術不斷涌現(xiàn)
日本三菱日立電力系統(tǒng)有限公司計劃在近期完成其新型太陽能集熱系統(tǒng)的測試工作(這項工作從去年8月開始在橫濱分公司展開)。該計劃包含一項屬于混合系統(tǒng)專利設計，它將菲涅爾光熱技術中蒸發(fā)器和塔式光熱技術中的過熱器相結合。與傳統(tǒng)的光熱發(fā)電系統(tǒng)相比，這項設計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℃。
值得一提的是，去年7月，勞倫斯利物摩爾國家實驗室(LLNL)開始執(zhí)行美國能源部Sunshot計劃，并與GiantLeap進行技術合作。LLNL方面表示，Collects項目旨在進一步開發(fā)GLT的數(shù)字玻璃技術，該技術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，同時能收獲五到十倍的太陽光。
中國制造或扮演關鍵角色
除了上述技術創(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)在光伏和風電行業(yè)中得到了證實。
事實上，目前中國光熱發(fā)電行業(yè)的啟動正吸引著全球光熱發(fā)電玩家的目光，從整個行業(yè)角度來講，如何將相對成熟的海外技術以及部分已經(jīng)被驗證的國產(chǎn)自主技術和中國特殊開發(fā)環(huán)境完美結合，盡快推動中國首批光熱示范項目順利開發(fā)，盡快促進中國制造在光熱發(fā)電行業(yè)的快速發(fā)展成熟，不但對中國光熱發(fā)電行業(yè)發(fā)展具有重要意義，對于全球光熱發(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。
