在上周召開的CSP Focus光熱發(fā)電創(chuàng)新大會(huì)上，趙博士發(fā)表了題為“中國(guó)光熱發(fā)電的技術(shù)路線及其適用性”的重要演講。
以下為趙博士的演講內(nèi)容及部分演講稿配圖：
感謝大家來西安，為了節(jié)省時(shí)間，我直接進(jìn)入正題。今天想跟大家探討的是“中國(guó)光熱發(fā)電的技術(shù)路線及其適用性”。大概分三部分：
第一部分，是從電網(wǎng)側(cè)來比較各種技術(shù)路線的特點(diǎn)；
第二部分，主要從光到熱的環(huán)節(jié)比較一下幾個(gè)典型技術(shù)路線的技術(shù)指標(biāo)；
第三部分，主要結(jié)合中國(guó)典型廠址的邊界條件，談一下技術(shù)路線選擇時(shí)候應(yīng)該關(guān)注的關(guān)鍵要素。
第一部分：主要技術(shù)路線
最為成熟的槽式導(dǎo)熱油帶儲(chǔ)熱電站，集熱場(chǎng)加熱后的導(dǎo)熱油溫度不是很高。大概290度導(dǎo)熱油進(jìn)集熱場(chǎng)之后經(jīng)過集熱器加熱到大概390度，首先優(yōu)先進(jìn)入到蒸汽發(fā)生器和水換熱產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。當(dāng)集熱場(chǎng)產(chǎn)生的熱功率大于汽輪機(jī)所需要的功率時(shí)候，多余的能量進(jìn)儲(chǔ)換熱單元的油鹽換熱器，存儲(chǔ)在熔鹽中。熔鹽儲(chǔ)熱的時(shí)候冷的熔鹽通過低溫熔鹽泵循環(huán)吸熱，存儲(chǔ)在熱鹽罐里面，當(dāng)夜間的時(shí)候熱熔鹽通過高溫熔鹽泵，在同樣一個(gè)換熱器里面將熱量傳給導(dǎo)熱油，導(dǎo)熱油再把熱量傳輸給蒸汽發(fā)生器里面的水，以產(chǎn)生蒸汽來發(fā)電。
充熱和放熱階段是同一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)雙向換熱的油鹽換熱器，所以為了在一定熱量前提下，提供更多的電能，導(dǎo)熱油電站是優(yōu)先傾向于集熱場(chǎng)出來的導(dǎo)熱油直接去蒸汽發(fā)生器換熱發(fā)電。這是因?yàn)椋覀冎罁Q熱器在工作過程中高溫流體傳遞給另一側(cè)的低溫流體，溫度有一個(gè)損失，比如390度導(dǎo)熱油，將熱量傳遞給熔鹽，儲(chǔ)熱的熔鹽溫度會(huì)降低7度，當(dāng)釋放熱的過程中，在同一個(gè)換熱器內(nèi)高溫熔鹽再將熱量傳遞給導(dǎo)熱油，導(dǎo)熱油溫度再降低7度，這樣會(huì)導(dǎo)致汽輪機(jī)的水蒸汽參數(shù)較額定工況下的參數(shù)降低14度，而14度的溫度降低，其實(shí)總的能量并沒有少（我們忽略散熱損失，大概1%左右而已），只是能量品位的降低，14度能量降低，意味著大約0.7個(gè)百分點(diǎn)熱到電的效率降低。
槽式導(dǎo)熱油電站熱到電效率會(huì)因?yàn)檫@一方面因素?fù)p失一些。那么槽式熔鹽電站較好的解決了上述問題，也就是說能較好的實(shí)現(xiàn)集熱場(chǎng)和發(fā)電單元的解耦運(yùn)行，而不帶來發(fā)電量的損失，吸熱的時(shí)候冷鹽吸熱，存儲(chǔ)在熱罐里面，熱罐的鹽什么時(shí)候去發(fā)電，可以根據(jù)電網(wǎng)側(cè)需求來調(diào)度，這就實(shí)現(xiàn)了集熱和發(fā)電比較好的解耦，對(duì)電網(wǎng)的適應(yīng)性較強(qiáng)，且不損失自身的發(fā)電收益。當(dāng)然槽式熔鹽電站也衍生出一些其他的問題，我們后面會(huì)提到。上面這一槽式熔鹽電站的特點(diǎn)和菲涅爾熔鹽電站類似。
菲涅爾水工質(zhì)電站最早的是西班牙的PE1，30MW。這個(gè)電站的特性，從電網(wǎng)角度來講，和光伏電站是相當(dāng)?shù)摹Ｋ芴鞖獾挠绊懛浅４?。這種特性和槽式水工質(zhì)、塔式水工質(zhì)比較相似。國(guó)內(nèi)兆陽光熱的混凝土儲(chǔ)熱結(jié)合水工質(zhì)菲涅爾，由于采用大容量?jī)?chǔ)熱，因此比較好的解決了集熱和發(fā)電解耦運(yùn)行的問題，對(duì)電網(wǎng)來說更友好。
塔式熔鹽電站和之前提到的槽式熔鹽電站從電能輸出特性來講比較優(yōu)秀，比較靈活適應(yīng)電網(wǎng)側(cè)需求，而且與槽式導(dǎo)熱油電站相比，節(jié)省導(dǎo)熱油工藝，整個(gè)系統(tǒng)比緊湊。因此具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。
塔式直接蒸汽發(fā)生形式的DSG水工質(zhì)電站，從電網(wǎng)角度來講，也是一個(gè)比較麻煩的問題，靈活性不是很好，要解決儲(chǔ)熱的話，西班牙阿本戈公司在Khi Solar one項(xiàng)目用蒸汽蓄熱器解決較短容量的蓄熱，但是蒸汽蓄熱器是高溫高壓的壓力容器，在做大容量的時(shí)候，成本上有瓶頸。畢竟水介質(zhì)存儲(chǔ)熱量較大時(shí)，需要較大的容積。Khi solar one 大概采用了20個(gè)蒸汽蓄熱器。
第二部分：從集熱環(huán)節(jié)的技術(shù)特點(diǎn)比較不同技術(shù)路線的特征
首先，上一組圖橫坐標(biāo)是某一天時(shí)刻數(shù)，縱坐標(biāo)是不同技術(shù)路線光學(xué)效率，左邊的圖是夏至日曲線，右邊的圖是冬至日曲線，藍(lán)色是槽式，中間橙色是塔式，黃色是菲涅爾。這組曲線地理位置在北緯36度，跟西安差不多的地方，夏季槽式電站光到熱是很關(guān)鍵的步驟，由圖可見，槽式具有比較明顯的更為優(yōu)越的光學(xué)效率，相應(yīng)的塔式電站低一些，菲涅爾一天當(dāng)中隨著時(shí)間推移效率變化是比較明顯的，就是表現(xiàn)為曲線的峰在時(shí)間維度比較窄，不像槽式和塔式很快可以達(dá)到較高效率，且能維持在較高效率環(huán)節(jié)較長(zhǎng)時(shí)間。
冬季情況不太一樣，北緯36度區(qū)域，槽式電站效率在每天中午前后各兩三個(gè)小時(shí)效率會(huì)比較低，表現(xiàn)為曲線在這一時(shí)段有一個(gè)谷；冬季情況下塔式電站效率變化和夏季一樣比較平穩(wěn)，菲涅爾電站就更低了。這些原因主要跟塔式電站的雙軸跟蹤有關(guān)。時(shí)間原因這個(gè)不展開解釋。
每一天不同時(shí)刻的變化如剛才所述，那么月度變化是什么趨勢(shì)呢？把不同形式的光熱效率曲線繪制在一張圖上，橫坐標(biāo)是每年的12個(gè)月，時(shí)間維度；縱坐標(biāo)是光熱效率，這里的效率是考慮了實(shí)際的DNI的分布特點(diǎn)的。最高的藍(lán)色實(shí)線是南北向布置的位于北半球的槽式電站，中間藍(lán)色虛線帶空心圓點(diǎn)標(biāo)記的是東西向布置的槽式電站，目前世界上基本上是南北向布置。
圖中部六月份位置，從上往下第二根黃色實(shí)線帶實(shí)心圓點(diǎn)標(biāo)記的是塔式電站，下面兩個(gè)三角形實(shí)心和空心標(biāo)記是菲涅爾南北布置和東西布置的情況。
這組曲線告訴我們一個(gè)信息，從全年來講，槽式電站也是具有較高的光學(xué)效率，尤其是體現(xiàn)在6月份前后，光學(xué)效率比較高。塔式電站年度光學(xué)效率分布比較平穩(wěn)，總體較槽式電站比較低。請(qǐng)注意這是基于一定緯度的地區(qū)，邊界條件不同結(jié)果可能不同，不能得到普適性結(jié)論。
有一些地區(qū)，由于地形原因或者其他因素把槽式集熱器回路東西向布置的時(shí)候，年總效率表現(xiàn)較南北向低，實(shí)際上這里面有一個(gè)DNI的原因，也就是DNI月度分布不同東西布置的電站資源權(quán)重后的效率可能會(huì)高于南北布置，我們?cè)趪?guó)內(nèi)某一地區(qū)就遇到類似問題，當(dāng)然這個(gè)很重要的一點(diǎn)，是所采用的典型氣象年數(shù)據(jù)的代表性，是否可以代表后面幾年的情況。
這就告訴我們，在一定緯度區(qū)域，從光學(xué)效率環(huán)節(jié)上講槽式電站有一定的優(yōu)勢(shì)，請(qǐng)記住，和緯度有一定的關(guān)系。槽式電站東西向布置和塔式電站效率表現(xiàn)類似，比較平穩(wěn)，表現(xiàn)這兩根線隨月度變化沒有明顯的坡度。
上面這兩組曲線是夏季和冬季南北布置和東西布置槽式集熱場(chǎng)功率特性，空心圓標(biāo)記的曲線表明夏季集熱場(chǎng)輸出功率很快達(dá)到額定功率，較為平緩。東西向布置不是很穩(wěn)定，可能上午十點(diǎn)前比較小，然后上升很快，這個(gè)會(huì)影響諸如設(shè)備選型，比如泵按最高點(diǎn)選，大部分時(shí)間又是在低負(fù)荷下運(yùn)行。冬季的時(shí)候表現(xiàn)為東西向布置的效率曲線高于南北向布置的情況。
結(jié)合全年情況看，三種集熱技術(shù)，考慮DNI權(quán)重之后的特點(diǎn)，藍(lán)色柱狀圖是槽式電站，黃色是菲涅耳，橙色是塔式。從全年來講槽式電站具有較優(yōu)的光學(xué)效率的，前提條件很重要，北緯36度的研究對(duì)象和既定的典型氣象年數(shù)據(jù)。
考慮DNI權(quán)重以后，橫坐標(biāo)是光學(xué)效率的均方根RMS累積誤差，縱坐標(biāo)是年光學(xué)效率，什么叫DNI權(quán)重？比方說我這個(gè)是基于一定的實(shí)際DNI做的，槽式電站表現(xiàn)為在某一個(gè)類型布置，12點(diǎn)前后大約五六個(gè)小時(shí)時(shí)間段效率比較低，當(dāng)中午12點(diǎn)前后五六個(gè)小時(shí)時(shí)候DNI資源比較好的時(shí)候，有效產(chǎn)能（光學(xué)效率和DNI的乘積）并不一定比上午高，也就是需要你高效率的高DNI時(shí)段恰恰表現(xiàn)為較低的效率。
考慮這些因素以后，結(jié)合集熱場(chǎng)和定日鏡的誤差，包括跟蹤、反射鏡面型等，就有上面這組曲線。這組曲線藍(lán)線是槽式的，下降比較陡的是塔式，最下面的是菲涅爾。隨著誤差的增大，菲涅爾電站的總效率影響比較平緩，槽式次之，塔式最明顯。這就告訴我們，塔式電站定日鏡的設(shè)計(jì)效率偏離設(shè)計(jì)值的時(shí)候，可能給你的集熱場(chǎng)全年表現(xiàn)帶來非常糟糕的影響。也就是說菲涅爾電站的光學(xué)性能容錯(cuò)能力比較強(qiáng)，通俗講技術(shù)難度比較低，現(xiàn)在要搞這個(gè)集熱器開發(fā)，可能從菲涅爾入手比較簡(jiǎn)單。塔式電站屬于精致活，主要是定日鏡，實(shí)際表現(xiàn)如果比較差的時(shí)候，可能這個(gè)電站就比較糟糕了，也有解救措施，大量增加定日鏡，這就要錢了。這個(gè)在工程應(yīng)用中很重要，關(guān)鍵設(shè)備都要考慮萬一的情況。
三種集熱技術(shù)，考慮年DNI權(quán)重后的平均效率在全球范圍內(nèi)緯度來講，跟剛才分析一致，橫坐標(biāo)是緯度，縱坐標(biāo)是年光學(xué)效率，對(duì)于槽式電站來講，總體來說隨著緯度升高往下降，而北緯36度區(qū)域表現(xiàn)為升高，表明DNI是結(jié)合實(shí)際DNI，它并不是一個(gè)純光學(xué)效率，因此結(jié)合廠址情況，結(jié)論不是絕對(duì)的。假如說這個(gè)地方一點(diǎn)云都沒有，那么這個(gè)曲線肯定是直接往下走的，所以這就提醒我們實(shí)際中一定要結(jié)合實(shí)際的DNI等資源情況，這不是年總DNI那么簡(jiǎn)單，而且最好是若干年做的典型太陽年數(shù)據(jù)來分析這個(gè)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)性，這個(gè)很重要。
對(duì)于塔式電站來講，相對(duì)的受緯度高低影響沒有那么明顯。菲涅爾電站緯度高了之后，尤其超過40度之后，下降更高。新疆哈密大概44度，在中國(guó)我們需要把重點(diǎn)放在目前這幾個(gè)區(qū)域。
這是中國(guó)幾個(gè)典型光熱區(qū)域緯度情況，最高44度，最低的日喀則、格爾木、青海共和，大概30、36度，這些地方可能用槽式電站收益情況遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于布置在哈密地區(qū)的同樣配置的槽式電站。世界上第一個(gè)配置大容量?jī)?chǔ)熱的槽式電站Andasol，緯度37度和中國(guó)德令哈的緯度相近。新月沙丘100MW塔式熔鹽電站所處38度，摩洛哥努奧槽式和塔式31度比較低，所以如果僅僅從效率講建設(shè)槽式電站比較好。同一個(gè)電站，搬到低緯度地區(qū)，收益會(huì)很大。請(qǐng)不要忘記我們第一部分提到的各個(gè)技術(shù)路線對(duì)電網(wǎng)調(diào)度的適應(yīng)性。
不同技術(shù)路線的特性，剛才談了前面光到熱環(huán)節(jié)，后面熱到電的環(huán)節(jié)大家都比較清楚。由于普遍采用熔鹽作為吸熱介質(zhì)，相比較槽式導(dǎo)熱油電站，塔式電站發(fā)電單元更容易實(shí)現(xiàn)較高的熱電轉(zhuǎn)換效率，這是一個(gè)典型的朗肯循環(huán)的圖，溫熵圖上面這段曲線右上角的點(diǎn)1和1’越高，做功介質(zhì)平均吸熱溫度越高，朗肯循環(huán)效率越高，這個(gè)很簡(jiǎn)單很成熟。同樣的道理，壓力越高右邊這張圖P和P’越高，一樣可實(shí)現(xiàn)較高的熱電效率。
同時(shí)槽式和塔式比較，塔式采用熔鹽作為吸熱儲(chǔ)熱介質(zhì)，和槽式導(dǎo)熱油不太一樣，因此相對(duì)于槽式導(dǎo)熱油電站工藝流程簡(jiǎn)化，閥門管路非常簡(jiǎn)單，易運(yùn)維。
這是典型槽式電站的全廠管道工藝照片。想象一下50兆瓦槽式電站集熱管就需要120公里。塔式電站工藝系統(tǒng)，包括發(fā)電、水、油鹽等系統(tǒng)，布置比較緊湊，主要集中在儲(chǔ)換熱單元，還有儲(chǔ)換熱單元和發(fā)電單元連接之間的管架，以及吸熱塔，這一區(qū)域直徑范圍不過100米左右而已，因此從這個(gè)角度來講塔式電站這一塊優(yōu)越性表現(xiàn)良好。同樣的，前面提到槽式熔鹽電站，一個(gè)50MW的電站，管道太長(zhǎng)，運(yùn)行階段的防凝成本較高，同時(shí)高溫熔鹽管道一般采用奧氏體不銹鋼，這部分投資可能要到上千萬元。
而且一個(gè)槽式熔鹽電站，我們計(jì)算過其在非吸熱時(shí)段散熱損失，大概占有效集熱量的12%。這就很糟糕了。你要是用電伴熱維持的話，可能會(huì)有很大的廠用電率。當(dāng)然要是有一款價(jià)格合適的低熔點(diǎn)鹽，事情就簡(jiǎn)單很多。同時(shí)，槽式熔鹽電站，工作時(shí)段的熱損失，大概占有效集熱量的20%，注意這里的基數(shù)是有效集熱量。這個(gè)數(shù)據(jù)也很可觀。不過塔式的吸熱器也有12%左右的熱損失。塔式的溢出損失也比較大一些。應(yīng)該說各有特點(diǎn)。我們認(rèn)識(shí)發(fā)現(xiàn)問題的目的不是比較個(gè)誰好誰壞，是選擇一個(gè)合適的技術(shù)給既定的邊界條件。
槽式和塔式都采用熔鹽作為儲(chǔ)熱介質(zhì)，對(duì)于槽式電站溫度比較低，假設(shè)這根柱子高度代表熔融鹽總共儲(chǔ)能的能力（低溫不是按熔鹽凝固點(diǎn)，是按照朗肯循環(huán)回?zé)嵯到y(tǒng)決定的，大概290度），紅色代表熔融鹽儲(chǔ)能能力的利用情況，槽式只利用了33%，塔式熔鹽電站利用了90%，我們?cè)?93度的槽式電站中采用熔鹽儲(chǔ)鹽，并沒有把熔鹽儲(chǔ)能更充分利用。為什么強(qiáng)度熔鹽這個(gè)問題呢？我們知道國(guó)內(nèi)有一些項(xiàng)目，近年熔鹽成本高于前些年廣核德令哈項(xiàng)目招標(biāo)價(jià)30%，對(duì)100兆瓦的導(dǎo)熱油電站來說，這部分成本可能在2個(gè)多億，這就是一個(gè)比較致命的投資了。這么貴的東西要充分利用它才能更好地發(fā)覺其價(jià)值。
塔式電站有什么需要我們特別關(guān)注的問題呢，就是在項(xiàng)目選擇的時(shí)候，我想有兩個(gè)關(guān)鍵因素需要提醒。一個(gè)是抗風(fēng)能力，因?yàn)樾陆苡幸恍┑貐^(qū)風(fēng)非常大，塔式電站定日鏡誤差，包括運(yùn)行中隨著不同的風(fēng)速，風(fēng)速越高誤差越大，會(huì)非常明顯的增大，導(dǎo)致性能下降。還有一個(gè)問題，大氣清潔度問題，比方說這跟實(shí)線是5公里的可見度模型和虛線23公里可見度模型，橫坐標(biāo)是定日鏡距離吸熱器的距離，縱坐標(biāo)是大氣衰減量，比如說100兆瓦的電站，最遠(yuǎn)的定日鏡距離吸熱器可能會(huì)到2000米，這里比較清潔的大氣條件模型下，反射鏡到吸熱器能量傳輸過程中，能量損失20%多。更糟糕的情況下是某個(gè)廠址某個(gè)季節(jié)，或者全年空氣臟兮兮的，沙塵霧比較多就會(huì)更夸張，當(dāng)然實(shí)際中沒有這么夸張的清潔度，但是還是很重要的一個(gè)因素在選址的時(shí)候需要重視。日喀則大氣環(huán)境和德令哈、敦煌、玉門都不一樣，選擇的時(shí)候也是需要重視。
第三部分：結(jié)合上面提到的問題，談一下中國(guó)廠址的典型特點(diǎn)
這里有一個(gè)云的影響，這是中國(guó)典型一個(gè)區(qū)域的365天統(tǒng)計(jì)結(jié)果，藍(lán)色是晴天126天，紅色是多云114天，可以看出多云天數(shù)非常高。并沒有統(tǒng)計(jì)沙塵，因?yàn)榇髿馑p度目前常規(guī)氣象觀察里面并沒有很嚴(yán)格指標(biāo)，這也是中國(guó)做電站長(zhǎng)期遇到的困難。
同時(shí)提醒運(yùn)行階段也要重視清洗策略，確保平均清潔度。最早中國(guó)光熱電站招標(biāo)的時(shí)候，年清潔度都是西班牙人在廣核德令哈項(xiàng)目上提供的，大概是97%。后來我們調(diào)研認(rèn)為這個(gè)指標(biāo)在中國(guó)是不可能達(dá)到的，國(guó)內(nèi)青海某投資方也在青海做過類似試驗(yàn)，證明上述97%指標(biāo)是不可能存在的。在兩年前，我們新疆哈密項(xiàng)目上就確定成90%，90%也是比較高的目標(biāo)，我們需要結(jié)合實(shí)際情況看。還要重視運(yùn)行策略，包括應(yīng)對(duì)云的變化。
中國(guó)廠址有它的好處，比如天氣比較冷，越冷汽輪機(jī)效率越高。上面那張PPT右下角，2-3這一過程，就是朗肯循環(huán)冷段運(yùn)行溫度，這個(gè)溫度越低，發(fā)電效率也越高。
最后再?gòu)?qiáng)調(diào)一下風(fēng)的問題，風(fēng)大的話集熱器設(shè)計(jì)成本比較高，比如上面這一組曲線，橫坐標(biāo)是風(fēng)速，縱坐標(biāo)是風(fēng)速累積頻率結(jié)果，兩個(gè)曲線代表兩個(gè)廠址。比如這個(gè)電站集熱器要確保99%的風(fēng)速下都可以工作，如果是紅色間斷線代表的廠址，那么這個(gè)地區(qū)風(fēng)比較大，會(huì)發(fā)現(xiàn)集熱器抗風(fēng)要求比較高，可能到15m/s或者更高，這里的風(fēng)速是10米高的平均風(fēng)速，跟外國(guó)常說的3s陣風(fēng)的不太一樣，這里有個(gè)既定的轉(zhuǎn)化關(guān)系。而對(duì)于藍(lán)色實(shí)線代表的廠址，累積概率99%時(shí)對(duì)應(yīng)的風(fēng)大部分情況下都是6m/s以內(nèi)，集熱器前期投資可以控制在比較低的水平。
簡(jiǎn)單一句話，我們?cè)谶x擇技術(shù)路線的時(shí)候，特別需要關(guān)注風(fēng)的問題，因?yàn)檫@個(gè)不僅會(huì)影響電站的性能，可能還會(huì)影響你的集熱場(chǎng)的設(shè)備投資。
結(jié)論
槽式技術(shù)具有較好的光學(xué)效率，尤其是在低緯度區(qū)域。但是下游熱到電的各個(gè)環(huán)節(jié)效率降低。
塔式技術(shù)工藝系統(tǒng)緊湊，可以實(shí)現(xiàn)更高的溫度，因此熱電轉(zhuǎn)化效率高，具有更廣闊的技術(shù)革新空間。
菲涅爾技術(shù)的聚光環(huán)節(jié)對(duì)設(shè)備精度要求較低，容錯(cuò)能力較強(qiáng)，碟式具有最高的效率，永遠(yuǎn)對(duì)著太陽，幾乎沒有余弦損失，但較難經(jīng)濟(jì)地解決大容量?jī)?chǔ)熱技術(shù)。
