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中科院知识创新工程重要方向项目“太阳能与燃煤互补发电技术研究”简介
发稿时间:2015-05-18         作者:赵雅文          来源:分布式供能与可再生能源实验室     【字号:

  太阳能已经成为21世纪解决开发利用化石能源带来的能源短缺、环境污染和温室效应等问题的有效途径之一。太阳能热发电是太阳能大规模开发利用的重要手段,但高额的成本阻碍了该技术的发展。因此,发展高效、规模化的中低温太阳能与化石能源互补的发电技术是近中期解决该问题的重要突破口。 

  近年来,太阳能的利用得到了积极推广和高度重视,我国《国家中长期科学和技术发展规划纲要(20062020年)》明确指出:太阳能作为我国首要发展的可再生能源技术方向已成为无可争议的可持续发展的能源必由之路。因此,探索研究太阳能利用的关键技术问题具有重要的意义。 

  从能源结构的发展趋势看,太阳能在未来能源利用中将发挥重要作用,其发展趋势是规模化和低成本。但是,由于太阳辐射功率密度低并随昼夜气候条件变化而变化,具有不连续性及不稳定性。因此,大规模发电要解决大面积能量聚集、跟踪、长距离传输、转化与储存等一系列科技问题,而这需要相当大的资金投入。太阳能资源虽然不需付费,但发电成本却很高,从而阻碍了太阳能热发电技术的发展。 

  太阳能热发电技术成本高的主要原因除了昂贵、复杂的聚光装置和蓄能部件(聚光占总投资成本48~58%,蓄能占20%)外,还因为多采用单一太阳能输入形式。当前,所谓的太阳能热发电系统大多是以单纯太阳能和小容量汽轮机为核心的朗肯热力循环发电系统。该系统通过聚集高达800~900℃的高温太阳热,产生300 多度的低温、低压蒸汽,再驱动汽轮机发电。这种单一太阳能热发电模式的年平均发电效率仅为10~12%。这种效率低、简单能源输入的能量系统正是成本高的直接诱因。从能的梯级利用角度看,太阳能集热与发电工作流体间存在500~600℃的巨大温差,是导致太阳能热发电效率低下的根源,也是提高太阳能热发电效率的最大潜力之处。鉴于此,发展高效、规模化的中低温太阳能与化石能源互补的发电技术是近中期解决太阳能热发电成本高的重要突破口。 

  自上世纪90年代初,为了有效地解决上述问题,太阳能与化石能源互补的能源系统得到了广泛发展,并在美国、以色列、西班牙、德国等发达国家取得一系列技术突破。早期的太阳能与化石燃料互补的热电系统主要以太阳能为主,化石燃料作为辅助。原理为当太阳能由于天气原因发生变化时,利用一个燃气或者燃油锅炉来弥补太阳能供应的不足。虽然这类互补系统可以改善太阳能的利用效率,但是直接利用高品位的化石燃料来满足太阳能波动带来的低品位能量需求,使得化石燃料利用不尽合理,太阳能的净发电效率不超过10%。为了解决早期互补系统存在的不足,科研人员提出了太阳能/化石燃料复合热发电系统。该系统中化石燃料不仅仅作为系统的辅助输入,而是在没有太阳能输入的情况下,依靠化石燃料单独高效地运行系统,太阳能净发电效率超过了20%。进入90年代后,这类复合系统得到了广泛的关注和研究。 

  上述太阳能热发电系统所需的高温均需要采用大聚光比的抛物碟式或塔式太阳能集热器来实现。国际上关于太阳能热发电研究的有关数据表明,抛物碟式集热器太阳能发电价格约为5.35/kWh,而较低聚光比的抛物槽式集热器发电电价仅为1/kWh。可见,采用抛物槽式集热方式可以大幅度降低成本。如果将太阳能热发电的温度降低到300℃以下,则低成本的抛物槽式太阳能集热器就可以实现。 

  燃煤火电是我国经济发展的重要支柱,同时也是节能减排的主战场。煤炭在我国能源结构中所占比例超过70%,而燃煤火电机组的发电量占我国总发电量的81.8%。随着我国电力装机容量快速增长,到2010年,电力装机总量将超过9亿千瓦。300MW及以上的火电机组占我国火电总装机的比重为67.11%,其中300MW600MW机组是我国当前燃煤发电的主力机型。我国政府曾在2009年哥本哈根大会前作出承诺,到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放相比2005年下降40~45%。作为每年消耗全国煤炭总消耗量50%以上的火力发电厂,节能任务意义重大。 

  火力发电行业的节能措施主要分为两类:一是结构节能,即通过建设高效率、大容量的机组逐步替代原来效率低下的中小机组;二是新能源替代,通过采用某些先进的技术对现有机组进行新能源替代。目前,我国新建的高参数、大容量火电机组的效率已接近或达到国际先进水平,通过进一步提高参数、增大容量来提高机组效率的途径会受到材料等技术瓶颈的制约,因此大机组“内部”进一步节能降耗的潜力在逐渐变小。我国目前火电方面的节能减排问题主要存在于300MW以下的中小火电站。关闭部分火电站只是解决目前火电站节能减排的一种权宜之计。太阳能这一可再生能源是理想的替代能源之一,如果我们能够把太阳能产生的热量引入常规燃煤电厂,即采用太阳能与化石燃料一体化发电,必将为火电厂的技术节能开辟一种新的途径。 

  值得注意的是,我国西部地区是我国主要的煤炭产区和电源供应区,拥有众多不同容量和等级的燃煤发电机组,而这一地区海拔和光照资源普遍较好。以宁夏石嘴山地区为例,年太阳辐照小时数高达3100小时。截至2009年初,宁夏电网统调总装机容量达到940万千瓦,其中火电机组35台,容量714.2万千瓦,占总装机容量89.84%,这为太阳能与燃煤电站互补结合提供了有利条件。 

  从近中期看,聚集300℃以下的中低温太阳能替代部分或全部火电站的回热系统的蒸汽抽汽,来加热锅炉给水,一方面可以使汽轮机增容、节约煤耗,另一方面,中低温太阳能集热器的造价较低,与高压、高参数的汽轮机技术相结合,既能避免重复建设,又能使太阳能热发电很快发展到单台容量几十万千瓦的规模,同时,单位发电装置成本将大幅度下降,远低于单一太阳能热发电装置和光伏发电装置的成本。因此,太阳能与火电机组互补发电技术在我国具有广泛的市场,能够满足近中期大规模开发利用太阳能、实现大幅度节能减排的重大需求。 

  基于以上背景,中科院工程热物理研究所启动了《太阳能与燃煤互补发电技术研究》项目,本项目主要研究槽式太阳能集热与燃煤机组构成的新型互补发电系统,利用中低温太阳能集热替代汽轮机抽汽加热锅炉给水,借助大功率汽轮机实现中低温太阳能高效热发电。通过太阳能与煤的资源互补、太阳能集热系统与给水加热系统之间的能量品位对口和梯级利用,实现高效率、低成本和规模化的太阳能热发电。项目重点围绕“多能源互补的能的综合梯级利用”和“太阳能集热与热力循环协同优化”两个科学问题,开展大规模低成本槽式太阳能集热技术、互补发电系统设计技术和太阳能与燃煤互补发电系统运行调控技术研究,并进行200kW太阳能加热燃煤电站锅炉给水中试装置的研发和实验,将掌握槽式太阳能与燃煤互补发电的系统集成技术,为太阳能与100MW燃煤互补发电系统示范工程提供技术方案。作为中科院知识创新工程重要方向项目,本项目将开拓新型太阳能与燃煤互补发电系统,提高中科院在太阳能热发电方向的国际竞争力。 

  项目研究预计将使新型太阳能与燃煤互补发电系统的发电装置成本大幅度下降,约12000/kW,远低于单一太阳能热发电装置成本(20000~80000/kW)和光伏发电装置成本(一般为30000~50000/kW)。更新改造后的太阳能发电成本约估为0.85/kWh,优于目前光伏发电成本。 

  总体而言,槽式太阳能和燃煤电站结合互补,通过太阳能替代汽轮机抽汽、加热锅炉给水,具有以下显著优势:突破槽式太阳能集热器高温集热管的材料、工艺的限制,实现中低温太阳能高效热发电;提出中低温集热、无蓄能、高效发电为特点的太阳能热发电,大幅度降低太阳能热发电成本,使之具备工业化推广条件。开展对槽式太阳能和燃煤电站结合互补的研究,有利于形成我国中低温太阳能与燃煤互补发电的自主技术,引领国际中低温太阳能与化石燃料互补发电新方向,为推进我国大规模太阳能热发电提供科技支撑。 

 
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