在上周召開的CSP Focus光熱發(fā)電創(chuàng)新大會上，趙博士發(fā)表了題為“中國光熱發(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)省時間，我直接進入正題。今天想跟大家探討的是“中國光熱發(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；
第二部分，主要從光到熱的環(huán)節(jié)比較一下幾個典型技術(shù)路線的技術(shù)指標；
第三部分，主要結(jié)合中國典型廠址的邊界條件，談一下技術(shù)路線選擇時候應該關(guān)注的關(guān)鍵要素。
第一部分：主要技術(shù)路線
最為成熟的槽式導熱油帶儲熱電站，集熱場加熱后的導熱油溫度不是很高。大概290度導熱油進集熱場之后經(jīng)過集熱器加熱到大概390度，首先優(yōu)先進入到蒸汽發(fā)生器和水換熱產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動汽輪機發(fā)電。當集熱場產(chǎn)生的熱功率大于汽輪機所需要的功率時候，多余的能量進儲換熱單元的油鹽換熱器，存儲在熔鹽中。熔鹽儲熱的時候冷的熔鹽通過低溫熔鹽泵循環(huán)吸熱，存儲在熱鹽罐里面，當夜間的時候熱熔鹽通過高溫熔鹽泵，在同樣一個換熱器里面將熱量傳給導熱油，導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可以實現(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，導熱油電站是優(yōu)先傾向于集熱場出來的導熱油直接去蒸汽發(fā)生器換熱發(fā)電。這是因為，我們知道換熱器在工作過程中高溫流體傳遞給另一側(cè)的低溫流體，溫度有一個損失，比如390度導熱油，將熱量傳遞給熔鹽，儲熱的熔鹽溫度會降低7度，當釋放熱的過程中，在同一個換熱器內(nèi)高溫熔鹽再將熱量傳遞給導熱油，導熱油溫度再降低7度，這樣會導致汽輪機的水蒸汽參數(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個百分點熱到電的效率降低。
槽式導熱油電站熱到電效率會因為這一方面因素損失一些。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現(xiàn)集熱場和發(fā)電單元的解耦運行，而不帶來發(fā)電量的損失，吸熱的時候冷鹽吸熱，存儲在熱罐里面，熱罐的鹽什么時候去發(fā)電，可以根據(jù)電網(wǎng)側(cè)需求來調(diào)度，這就實現(xiàn)了集熱和發(fā)電比較好的解耦，對電網(wǎng)的適應性較強，且不損失自身的發(fā)電收益。當然槽式熔鹽電站也衍生出一些其他的問題，我們后面會提到。上面這一槽式熔鹽電站的特點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。這個電站的特性，從電網(wǎng)角度來講，和光伏電站是相當?shù)?。它受天氣的影響非常大。這種特性和槽式水工質(zhì)、塔式水工質(zhì)比較相似。國內(nèi)兆陽光熱的混凝土儲熱結(jié)合水工質(zhì)菲涅爾，由于采用大容量儲熱，因此比較好的解決了集熱和發(fā)電解耦運行的問題，對電網(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，比較靈活適應電網(wǎng)側(cè)需求，而且與槽式導熱油電站相比，節(jié)省導熱油工藝，整個系統(tǒng)比緊湊。因此具有很強的優(yōu)勢。
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，也是一個比較麻煩的問題，靈活性不是很好，要解決儲熱的話，西班牙阿本戈公司在Khi Solar one項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，在做大容量的時候，成本上有瓶頸。畢竟水介質(zhì)存儲熱量較大時，需要較大的容積。Khi solar one 大概采用了20個蒸汽蓄熱器。
第二部分：從集熱環(huán)節(jié)的技術(shù)特點比較不同技術(shù)路線的特征
首先，上一組圖橫坐標是某一天時刻數(shù)，縱坐標是不同技術(shù)路線光學效率，左邊的圖是夏至日曲線，右邊的圖是冬至日曲線，藍色是槽式，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)越的光學效率，相應的塔式電站低一些，菲涅爾一天當中隨著時間推移效率變化是比較明顯的，就是表現(xiàn)為曲線的峰在時間維度比較窄，不像槽式和塔式很快可以達到較高效率，且能維持在較高效率環(huán)節(jié)較長時間。
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小時效率會比較低，表現(xiàn)為曲線在這一時段有一個谷；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)。時間原因這個不展開解釋。
每一天不同時刻的變化如剛才所述，那么月度變化是什么趨勢呢？把不同形式的光熱效率曲線繪制在一張圖上，橫坐標是每年的12個月，時間維度；縱坐標是光熱效率，這里的效率是考慮了實際的DNI的分布特點的。最高的藍色實線是南北向布置的位于北半球的槽式電站，中間藍色虛線帶空心圓點標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線帶實心圓點標記的是塔式電站，下面兩個三角形實心和空心標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信息，從全年來講，槽式電站也是具有較高的光學效率，尤其是體現(xiàn)在6月份前后，光學效率比較高。塔式電站年度光學效率分布比較平穩(wěn)，總體較槽式電站比較低。請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候，年總效率表現(xiàn)較南北向低，實際上這里面有一個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)重后的效率可能會高于南北布置，我們在國內(nèi)某一地區(qū)就遇到類似問題，當然這個很重要的一點，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，從光學效率環(huán)節(jié)上講槽式電站有一定的優(yōu)勢，請記住，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功率特性，空心圓標記的曲線表明夏季集熱場輸出功率很快達到額定功率，較為平緩。東西向布置不是很穩(wěn)定，可能上午十點前比較小，然后上升很快，這個會影響諸如設備選型，比如泵按最高點選，大部分時間又是在低負荷下運行。冬季的時候表現(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，藍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)的光學效率的，前提條件很重要，北緯36度的研究對象和既定的典型氣象年數(shù)據(jù)。
考慮DNI權(quán)重以后，橫坐標是光學效率的均方根RMS累積誤差，縱坐標是年光學效率，什么叫DNI權(quán)重？比方說我這個是基于一定的實際DNI做的，槽式電站表現(xiàn)為在某一個類型布置，12點前后大約五六個小時時間段效率比較低，當中午12點前后五六個小時時候DNI資源比較好的時候，有效產(chǎn)能（光學效率和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計效率偏離設計值的時候，可能給你的集熱場全年表現(xiàn)帶來非常糟糕的影響。也就是說菲涅爾電站的光學性能容錯能力比較強，通俗講技術(shù)難度比較低，現(xiàn)在要搞這個集熱器開發(fā)，可能從菲涅爾入手比較簡單。塔式電站屬于精致活，主要是定日鏡，實際表現(xiàn)如果比較差的時候，可能這個電站就比較糟糕了，也有解救措施，大量增加定日鏡，這就要錢了。這個在工程應用中很重要，關(guān)鍵設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，橫坐標是緯度，縱坐標是年光學效率，對于槽式電站來講，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)合實際DNI，它并不是一個純光學效率，因此結(jié)合廠址情況，結(jié)論不是絕對的。假如說這個地方一點云都沒有，那么這個曲線肯定是直接往下走的，所以這就提醒我們實際中一定要結(jié)合實際的DNI等資源情況，這不是年總DNI那么簡單，而且最好是若干年做的典型太陽年數(shù)據(jù)來分析這個項目的經(jīng)濟性，這個很重要。
對于塔式電站來講，相對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，在中國我們需要把重點放在目前這幾個區(qū)域。
這是中國幾個典型光熱區(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遠好于布置在哈密地區(qū)的同樣配置的槽式電站。世界上第一個配置大容量儲熱的槽式電站Andasol，緯度37度和中國德令哈的緯度相近。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槽式電站比較好。同一個電站，搬到低緯度地區(qū)，收益會很大。請不要忘記我們第一部分提到的各個技術(shù)路線對電網(wǎng)調(diào)度的適應性。
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)，相比較槽式導熱油電站，塔式電站發(fā)電單元更容易實現(xiàn)較高的熱電轉(zhuǎn)換效率，這是一個典型的朗肯循環(huán)的圖，溫熵圖上面這段曲線右上角的點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，這個很簡單很成熟。同樣的道理，壓力越高右邊這張圖P和P’越高，一樣可實現(xiàn)較高的熱電效率。
同時槽式和塔式比較，塔式采用熔鹽作為吸熱儲熱介質(zhì)，和槽式導熱油不太一樣，因此相對于槽式導熱油電站工藝流程簡化，閥門管路非常簡單，易運維。
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，主要集中在儲換熱單元，還有儲換熱單元和發(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50MW的電站，管道太長，運行階段的防凝成本較高，同時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。
而且一個槽式熔鹽電站，我們計算過其在非吸熱時段散熱損失，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，可能會有很大的廠用電率。當然要是有一款價格合適的低熔點鹽，事情就簡單很多。同時，槽式熔鹽電站，工作時段的熱損失，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。應該說各有特點。我們認識發(fā)現(xiàn)問題的目的不是比較個誰好誰壞，是選擇一個合適的技術(shù)給既定的邊界條件。
槽式和塔式都采用熔鹽作為儲熱介質(zhì)，對于槽式電站溫度比較低，假設這根柱子高度代表熔融鹽總共儲能的能力（低溫不是按熔鹽凝固點，是按照朗肯循環(huán)回熱系統(tǒng)決定的，大概290度），紅色代表熔融鹽儲能能力的利用情況，槽式只利用了33%，塔式熔鹽電站利用了90%，我們在393度的槽式電站中采用熔鹽儲鹽，并沒有把熔鹽儲能更充分利用。為什么強度熔鹽這個問題呢？我們知道國內(nèi)有一些項目，近年熔鹽成本高于前些年廣核德令哈項目招標價30%，對100兆瓦的導熱油電站來說，這部分成本可能在2個多億，這就是一個比較致命的投資了。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，就是在項目選擇的時候，我想有兩個關(guān)鍵因素需要提醒。一個是抗風能力，因為新疆哈密有一些地區(qū)風非常大，塔式電站定日鏡誤差，包括運行中隨著不同的風速，風速越高誤差越大，會非常明顯的增大，導致性能下降。還有一個問題，大氣清潔度問題，比方說這跟實線是5公里的可見度模型和虛線23公里可見度模型，橫坐標是定日鏡距離吸熱器的距離，縱坐標是大氣衰減量，比如說100兆瓦的電站，最遠的定日鏡距離吸熱器可能會到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廠址某個季節(jié)，或者全年空氣臟兮兮的，沙塵霧比較多就會更夸張，當然實際中沒有這么夸張的清潔度，但是還是很重要的一個因素在選址的時候需要重視。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，談一下中國廠址的典型特點
這里有一個云的影響，這是中國典型一個區(qū)域的365天統(tǒng)計結(jié)果，藍色是晴天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)計沙塵，因為大氣衰減度目前常規(guī)氣象觀察里面并沒有很嚴格指標，這也是中國做電站長期遇到的困難。
同時提醒運行階段也要重視清洗策略，確保平均清潔度。最早中國光熱電站招標的時候，年清潔度都是西班牙人在廣核德令哈項目上提供的，大概是97%。后來我們調(diào)研認為這個指標在中國是不可能達到的，國內(nèi)青海某投資方也在青海做過類似試驗，證明上述97%指標是不可能存在的。在兩年前，我們新疆哈密項目上就確定成90%，90%也是比較高的目標，我們需要結(jié)合實際情況看。還要重視運行策略，包括應對云的變化。
中國廠址有它的好處，比如天氣比較冷，越冷汽輪機效率越高。上面那張PPT右下角，2-3這一過程，就是朗肯循環(huán)冷段運行溫度，這個溫度越低，發(fā)電效率也越高。
最后再強調(diào)一下風的問題，風大的話集熱器設計成本比較高，比如上面這一組曲線，橫坐標是風速，縱坐標是風速累積頻率結(jié)果，兩個曲線代表兩個廠址。比如這個電站集熱器要確保99%的風速下都可以工作，如果是紅色間斷線代表的廠址，那么這個地區(qū)風比較大，會發(fā)現(xiàn)集熱器抗風要求比較高，可能到15m/s或者更高，這里的風速是10米高的平均風速，跟外國常說的3s陣風的不太一樣，這里有個既定的轉(zhuǎn)化關(guān)系。而對于藍色實線代表的廠址，累積概率99%時對應的風大部分情況下都是6m/s以內(nèi)，集熱器前期投資可以控制在比較低的水平。
簡單一句話，我們在選擇技術(shù)路線的時候，特別需要關(guān)注風的問題，因為這個不僅會影響電站的性能，可能還會影響你的集熱場的設備投資。
結(jié)論
槽式技術(shù)具有較好的光學效率，尤其是在低緯度區(qū)域。但是下游熱到電的各個環(huán)節(jié)效率降低。
塔式技術(shù)工藝系統(tǒng)緊湊，可以實現(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)對設備精度要求較低，容錯能力較強，碟式具有最高的效率，永遠對著太陽，幾乎沒有余弦損失，但較難經(jīng)濟地解決大容量儲熱技術(shù)。
