全面提高發(fā)電效率&降低成本？來看看塔式光熱電站如何做到

:作為主流的光熱發(fā)電技術(shù)路線之一，塔式光熱發(fā)電近年來備受關(guān)注。相比成熟的槽式技術(shù)，塔式光熱發(fā)電有著更高的熱效率和聚光比，地形要求較低等優(yōu)勢，但也有著風(fēng)險高、技術(shù)成熟度缺乏驗證，控制系統(tǒng)復(fù)雜等不足。

目前國際上常見的塔式技術(shù)以熔鹽為傳儲熱介質(zhì)的熔鹽塔式、和以水工質(zhì)為傳熱介質(zhì)的水工質(zhì)塔式技術(shù)為主，而其中熔鹽塔式有著能夠大規(guī)模儲能的優(yōu)勢而備受青睞。

無論如何，對于業(yè)主來說，穩(wěn)定的發(fā)電量和低風(fēng)險才是他們所追求的。公開資料顯示，美國的Ivanpah電站和CrescentDunes電站都遇到了發(fā)電量不達(dá)預(yù)期的問題，這也是當(dāng)前塔式技術(shù)的一大困難。

塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)原理示意圖

那么，為了降低風(fēng)險，彌補自身不足，塔式光熱發(fā)電未來的發(fā)展和優(yōu)化方向在哪里呢？

一、光場系統(tǒng)

無論哪種技術(shù)的優(yōu)化，其目的都是為了提高發(fā)電量的同時降低發(fā)電成本。

目前來看，光場（定日鏡系統(tǒng)+吸熱器）在光熱發(fā)電中投資占比最高，也是未來成本下降空間最大的一環(huán)。

南非塔式電站成本構(gòu)成明細(xì)，15h儲熱為例（來源：Fichtner，2010）

1、定日鏡的優(yōu)化方向可分為尺寸、形狀、結(jié)構(gòu)、數(shù)量、反射材料等

定日鏡大小目前沒有統(tǒng)一定論，從亮源公司15m2的小定日鏡到SENER公司178m2的大定日鏡都可見于塔式電站中；

多以矩形為主，但也有其他形狀，如哈密項目所用的Helios五邊形定日鏡就是該型定日鏡的首次商業(yè)化運用。

結(jié)構(gòu)方面，定日鏡普遍都呈T型，以鋼結(jié)構(gòu)為支撐玻璃基底的平面鏡，近年也有研究新型軌道式定日鏡，這種反射鏡能夠貼地安裝，降低安裝成本；

而反射材料則可以更輕便的高分子聚合物薄膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)的重型玻璃基底平面鏡，大大降低了驅(qū)動單元的成本，若加入更高反射率薄膜則能夠進(jìn)一步提高反射率。

不同類型的定日鏡采光面積（來源：ThomasTelsnig，2017）

2、定日鏡布局對于光場也至關(guān)重要

定日鏡反射太陽輻射的過程中會有損失，包括余弦損失、陰影和遮擋損失、大氣衰減損失和截斷損失。其中，余弦損失、大氣衰減損失和吸熱器的截斷損失與定日鏡所在的坐標(biāo)位置有關(guān)，陰影和遮擋損失則多見于相鄰定日鏡之間。

定日鏡反射太陽輻射的損失

通常來說，定日鏡整體布局受到吸熱塔高度、定日鏡位置、和吸熱器類型的影響。常見的定日鏡布局有橢圓形、扇形、圓形等。除此之外，還有螺旋布局，放射性布局等。無論哪種布局，最終的目的都是降低用地成本，減少太陽輻射的損失，增加單位面積產(chǎn)能。

以HFLCAL光場優(yōu)化布局軟件為例，定日鏡布局優(yōu)化邏輯為：

3、光場內(nèi)部無線控制系統(tǒng)優(yōu)化

另外，為了削減繁雜的定日鏡通訊和電力線纜，光場內(nèi)部無線控制系統(tǒng)的發(fā)展也值得關(guān)注。美國亮源在以色列的Ashalim塔式電站就采用了自己的無線通訊控制系統(tǒng)，簡化了大量的線纜布局。而為了節(jié)省定日鏡所耗費的電力，也可利用光伏+蓄電池來解決定日鏡自用電。

二、熱力循環(huán)

從熱力循環(huán)模式的優(yōu)化角度來考慮，未來塔式的優(yōu)化方向可能朝向更高溫度、更高效率的新型技術(shù)路線發(fā)展。

根據(jù)美國能源部計劃的第三代太陽能熱發(fā)電技術(shù)路線，為達(dá)到更低的平準(zhǔn)化電力成本LCOE（6美分/度電）和更高的熱力循環(huán)效率（50%以上），最理想化的是采用超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)體系，以取代當(dāng)前傳統(tǒng)的蒸汽朗肯循環(huán)體系。

對于這種循環(huán)，僅需太陽島提供500~800攝氏度的熱源即可，有三種路線可實現(xiàn)：

1、利用新型熔鹽介質(zhì)實現(xiàn)720度以上的溫度，但這對管路、吸熱器等設(shè)備的材料有極大的挑戰(zhàn)。目前對這方面的熔鹽介質(zhì)特性研究還不夠全面，需要考慮在如此高溫下對設(shè)備管路的腐蝕、耐久度、成本等問題。

2、利用固態(tài)顆粒作為傳熱介質(zhì)以實現(xiàn)高溫，目前陶瓷顆粒具有低成本、高吸收率、耐久度高等特點，被視為良好的材料。固態(tài)顆粒能夠提供極高的溫度，以滿足超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)體系需要的熱源溫度。這種方式的挑戰(zhàn)在于如何高效地加熱固態(tài)顆粒，防止管道的腐蝕，以及需要考慮泵閥控制和顆粒輸送等問題。

3、利用來氣體作為熱源來實現(xiàn)。這種模式往往采用間接儲熱，利用氣態(tài)傳熱介質(zhì)加熱相變材料或固態(tài)顆粒進(jìn)行熱能存儲，同時也需要吸熱器能夠承受高溫氣體的壓力。

美國SUNSHOT計劃預(yù)期達(dá)到的CSP成本目標(biāo)（來源：美國能源部Sunshot計劃）

除此之外，電站整體系統(tǒng)設(shè)計、管道的優(yōu)化設(shè)計、傳熱儲熱島的優(yōu)化、汽輪機的高效利用、運行維護方式等措施都能夠進(jìn)一步提高塔式技術(shù)的效率。

相信通過這些舉措，未來塔式光熱電站的可靠性和發(fā)電量將進(jìn)一步提升，達(dá)到更高的熱電轉(zhuǎn)化效率，同時大幅降低成本，加強光熱發(fā)電在未來能源電力系統(tǒng)中的普遍適用性。

原標(biāo)題:全面提高發(fā)電效率&降低成本？來看看塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)如何做到