太阳能光伏发电与光热发电孰优孰劣.docx

分析太阳能光伏发电与光热发电的优劣在全球能源危机、环境污染和气候变暖的大背景下，太阳能光热发电和光 伏发电作为太阳能利用的主要方式，其发展前景备受业界关注，由此也引发了 两者孰优孰劣的争论。目录1 .太阳能光伏和光热发电原理及其优缺点比较11.1. 光伏发电11.2. 光热发电21.3. 优缺点比较2.光热发电与传统光伏发电有什么区别?32 . “熔盐塔式”光热发电原理4.太阳能光伏和光热电站发展现状91. 1.光伏装机规模和发展速度远高于光热94. 2.光伏发电经济性比光热更优104. 3.光伏技术比光热更为成熟105.太阳能光伏和光热电站发展前景115.1. 从未来发展看，两者都有较大的发展潜力，但近中期光伏电站发展规模会更大“115. 2.从发展方式看，两者是协同互补关系，而非替代关系115. 3.从应用领域看，光伏和光热应用领域各有侧重，主战场并不重合12.太阳能光伏和光热发电原理及其优缺点比较1.1. 光伏发电光伏发电是利用光生伏特效应，吸收入射的太阳光，产生电子-空穴对，在 半导体P-N结内建电场的作用下，电子、空穴分别向正负两个电极运动，以此 形成电流。它由组件阵列、逆变器、控制器等组成。根据所使用的电池组件类 型不同，乂可分为晶硅电池、薄膜电池、聚光电池等。光伏发电的主要特点在于可作为分布式电源，安装在负荷中心，无需远距 离输送，就地发电就地使用。同时，可模块化安装，规模大小随意，可安装于 屋顶和墙面，不占地，光伏出力与白天用电高峰相重合，既可享受峰值电价也第1页共12页光热电站装机量仅为lOMWo2.光伏发电经济性比光热更优在光伏电站方面，光伏装机成本呈明显下降趋势。目前，我国大型光伏电 站的投资成本在8-9元/瓦左右。就运营成本而言，美国光伏电站年运营成本 约为17-26美元/千瓦，我国大约为24元/千瓦。就度电成本而言，根据国际 可再生能源署的数据，美国光伏发电成本目前约为0.08美元/kWh。我国光伏 发电系统投资成本降至8元/瓦以下，度电成本降至0.6-0.9元/kWh。在光热电站方面，根据美国劳伦兹实验室对2013-2014年建设的6个光热 电站统计数据，2013年建设的装机规模为250MW且带有6小时储能装置的 槽式光热电站装机成本为6.67美元/瓦，2014年建设的两个不带储能的 250MW槽式光热电站装机成本分别为5.1美元/瓦和6.16美元/瓦，2014年建 设的370MW塔式发电装机成本为6.01美元/瓦。我国光热电站较少，根据黄 河上游水电公司开展前期工作的塔式发电可研报告看，装机成本约为22元/ 瓦。度电成本方面，美国近期建设的太阳能热发电度电成本约为0.19美元/千 瓦时。2015年11月，在我国1000MW太阳能光热发电示范招标项目中，投 标的109个业主报价也大多在1.18-1.24元/千瓦时区间。根据美国SunShot计划，到2020年，光热和光伏的造价将分别降至3.6 美元/瓦和1美元/瓦，光伏依然对光热发电保持有优势。4. 3.光伏技术比光热更为成熟在光伏发电方面，晶体硅、薄膜和聚光电池等三种电池技术已经成功实现 商业化，生产成本近十年降幅达到90%,电池转换率也以每年0.5个百分点的 速度提升。在这三种电池中，晶体硅电池技术最为成熟，产业化配套最为完 善，市场参与者也最多，并且其可靠性已经通过多年验证，发电成本也降至较 低水平，未来仍将是市场主流。薄膜电池如CIGS、CdTe虽然发展潜力较大， 但受制于其原材料特性（如毒性或稀缺性等）和市场参与者逐年减少，未来的重 点将集中在一些细分市场。聚光电池受制于气候环境，导致双轴跟踪的运营成 本较高，特别是在晶体硅电池转换效率逐年提升、成本逐年下降的情况下，其 在主流市场就更难与晶体硅竞争。总体而言，随着分布式发电的发展，光伏市 场门槛将会更低，市场参与者也会更多，能够更加有效地促进光伏技术在更大第10页共12页范围内的创新和应用。在光热发电方面，槽式系统在目前商业化中技术最为成熟，国外已建成的 光热电站主要是槽式发电，但由于槽式系统的抗风性能差，美国已经商业运营 的光热电站主要建立在加州沙漠地区，风沙很小，而我国阳光富足的地方往往 多风、大风，要想开展电站建设，就必须加强槽式系统的抗风性，成本必然会 有所增加。带有储能装置的槽式发电由于其HTF最高温度限制了其发电效率的 提升，度电成本几乎没有下降空间，而塔式和碟式则由于技术尚未成熟，也遭 遇较高的融资门槛。止匕外，由于光热发电投资较大、风险高，致使市场参与者 较少，这也将极大地限制光热技术的发展。5.太阳能光伏和光热电站发展前景5.1. 从未来发展看，两者都有较大的发展潜力，但近中期光伏 电站发展规模会更大在2030年以前，由于光伏装机成本和度电成本均低于光热发电，且光伏 出力与白天用电高峰和峰值电价曲线相吻合，在光伏渗透率较低情况下，光伏 装机规模将远大于光热。在2030年后，光伏装机由于渗透率高，且基本能满 足白天的用电需求，发展速度会放缓；光热则会充分利用其储热优势，能满足 日落后的用电高峰，从而得到较快发展。根据美国Sunshot计划，到2030 年，美国太阳能累计装机将达到330GW。其中，光伏装机为302GW,光热装 机为28GW,光伏是光热的11倍。到2050年，光热装机将达到83GW,光伏 则为632GW,光伏下降是光热的8倍。5. 2.从发展方式看，两者是协同互补关系，而非替代关系光热和光伏发电都面临火电等传统能源的竞争，承载着代替化石能源的使 命，只有光伏和光热更好地协同互补，才能完成这项任务，满足用电需求。同 时，由于大型风电、光伏和光热电站等可再生能源主要建设在沙漠、戈壁滩等 地区，需要远距离输送，但风电、光伏等利用小时数低，单独远距离传输经济 性差，为提高输送电网的利用率，不得不通过火电打捆等方式输送。如果光热 电站成熟之后，则完全可以通过储热方式替代火电，解决电网利用率低问题， 同时也可解决可再生能源发电不稳定的问题。第11页共12页5. 3.从应用领域看，光伏和光热应用领域各有侧重，主战场并不重合光伏发电优势在于分布式。在负荷中心建设方面，结合储能等产业发展， 可实现就地发电就地使用。同时，光伏也可作为移动电源，充分满足消费市场 需求，这是光热电站难以企及的。光热发电优势在于规模化，适合在条件适宜 地区建设大型光热电站，然后远距离输送。在这些地区，也可适当发展大型光 伏电站，将光伏光热打捆送出，实现可再生能源最大限度的消纳。第12页共12页可为电网削峰。1.2.光热发电光热发电，也叫聚焦型太阳能热发电，即通过大量反射镜以聚焦方式将太 阳能直射光聚集起来，加热工质并产生高温高压蒸汽，以此驱动汽轮机发电。 它是将光能转变为热能后，通过传统的热力循环做功发电，从而将热能转化为 电能的技术。光热发电是利用发射镜等聚光系统将太阳能聚集起来，加热某种工质，然 后经过换热交换器产生高温高压的过热蒸汽，驱动汽轮机并带动发电机发电。 它由聚光子系统、集热子系统、发电子系统、蓄热子系统和换热子系统五部分 组成。根据聚光子系统的不同，太阳能热发电又分为槽式发电、塔式发电、碟 式发电等。光热发电的特点是，先将太阳能转化为热能再进行发电，一定程度上可以 平抑日照波动，对电网相对友好，同时热能可以有效储存且具有一定的经济 性，热源可与火电等热电厂互补，提高发电小时数和调峰，并提供可供调度的 电力。简单来说，光热发电就是利用太阳光的热量来发电。因此，在我国日照充沛的青藏高原及新疆、甘肃、内蒙古等地区，均具备 建设万千万瓦级光热发电项目的资源条件。在我国2030年前碳达峰行动方 案的通知中也明确指出，积极发展太阳能光热发电，推动建立光热发电与光 伏发电、风电互补调节的风光热综合可再生能源发电基地。截至2020年底， 我国已有10座并网发电的1万千瓦规模以上光热电站，总装机538兆瓦，总 装机容量位居全球第四。1. 3.优缺点比较光热发电投资成本远高于光伏电站。目前我国建设的大型光伏电站单位造 价约为8000元/千瓦，光热约为22000元/千瓦，美国的光伏电站则为2400- 3000美元/千瓦，光热约为5100-6200美元/千瓦，光热造价基本上是光伏的 2-3倍。此外，光热电站对规模的敏感度较高，只有在规模足够大的前提下， 才能有效实现经济效益。同时，其整体投资门槛较高，百兆瓦电站投资需要近 5亿美元。正是由于光热电站的投资大、风险高，即使达到平价上网水平，与第2页共12页 光伏电站相比，其投资者还是非常少，这在客观上也会相应延缓其成本下降。 光热电站对建设条件要求较高，光伏的安装弹性则相对较大。太阳能热发电主 要安装在太阳能直接辐射(DNI)较好的地方，沙漠地区是最好的选择，但这些 地方往往较为偏远，电力需求较弱，需要为其建设输电通道将电力送出，这不 仅会增加成本，并且也只能享受发电侧电价。同时，由于光热电站属于跟踪系 统，对当地气候条件要求也比较高。光伏电站则可同时利用直射光和散射光， 安装区域选择较大，比如可安装在负荷中心、屋顶或工业厂房上，享受用户侧 电价。因此，相对于光热电站，它以发电侧电价出售会更具竞争力。光热电站需要大量的土地和水，对环保的要求也较高。根据美国现在光热 电站的建设情况，每MW大概需要40-50亩土地，几乎是光伏电站的两倍，并 且要求土地十分平坦。在用水方面，虽然光伏和光热都需要水对组件或镜面清 洗，但光热电站还需要额外的水用于冷却，耗水量约为29-3.2升/kwh,几乎 是天然气发电的4倍。虽然现在也在开发干法冷却技术，比如，用空气冷却可 以解决水的问题，但一方面是技术尚未成熟，另一方面可能降低发电量，并增 加大约3%-8%的发电成本。此外，由于光热电站占用空间较大，会对当地的 野生动物、生物多样性等造成影响，也容易引发环保争端。2.光热发电与传统光伏发电有什么区别？光热发电系统是利用太阳光的热量进行发电。在发电的同时，可以将多余 的热能储存在储能容器中，在晚间或阴雨天时释放，能保证24小时连续稳定 发电。光伏发电则是利用太阳能电池板吸收太阳光中的可见光形成光电子，产 生电流发电，但这种发电方式易受天气影响，电力输出波动性大，易对电网产 生冲击。与光伏发电相比，光热发电在连续发电、储能容量、储能成本、稳定性、 安全性、环保性及寿命等方面具有优势。目前，主流的光热发电系统有槽式、菲涅尔式、塔式、碟式光热系统。其 中，塔式光热发电系统效率高、规模大。第3页共12页塔式太阳能热发电系统示意图来自太阳的能量，真正的“清洁绿色能源”光热发电系统在运行过程中，不产生任何有害物质或气体，且系统设备制 造过程对环境无害。据测算，塔式光热电站全生命周期度电碳排放仅为15.3克 二氧化碳/千瓦时，约为火电的1/50、光伏发电的1/6,因此光热发电被称为 真正“清洁绿色能源”。不只是对环境无污染，建设光热电站也是治理荒漠化的新途径。光热电站 建设后，大面积的镜场能有效阻挡风沙；阳光被定日镜反射，现场土地水份蒸 发量会随之减少；定日镜清洗用水再利用，可以大幅提升土壤湿度。这些都能 为植物生长提供必要水分，有利于荒漠植被恢复。3 . “熔盐塔式”光热发电原理由中国中化旗下蓝星北化机参建的中控德令哈50兆瓦熔盐塔式光热发电 项目，属国家首批光热发电示范项目之一，也是国内首先运行并网发电的光热 项目。该核心设备冷/热熔盐储罐及其耐温基础是由蓝星北化机设计、制造、 安装的。第4页共12页白天：光热发电设备将大面积的阳光汇聚到塔顶的吸热器中，同时一，熔盐泵也将 低温熔盐罐里290摄氏度的液态低温熔盐源源不断地送至吸热器，熔盐吸热后 温度升高至约565摄氏度，再通过管道被运到地面的热熔盐贮罐。随后，来自 热熔盐贮罐的高温熔盐通过熔盐泵被送至熔盐蒸汽发生器，熔盐蒸汽发生器产 生大量蒸汽，蒸汽推动汽轮机产生电力，而熔盐温度降低后流回冷熔盐贮罐， 一次循环便完成了，就这样，光能被源源不断地转化为电能，从而实现光热发 电。夜晚：为满足夜间吸热系统停机状态下的电负荷需求，吸热器中熔盐白天的吸热负荷要大于蒸汽发生系统中的放热负荷。这样，多余的热量逐渐在热盐罐中积 累，以用于夜间循环发电，这便是储热过程。“熔盐塔式”光热发电是一种当前全球范围内公认极具潜力的技术路线，第5页共12页 由于采用熔盐作为介质，相比常规槽式导热油光热发电技术，系统工作温度更 高，发电效率也更高。同时，由于工艺流程相对简单，阀门管路易运维，系统 更紧凑，现已建成投运的商业化项目众多，技术成熟。创新技术二次反射塔式熔盐发电由蓝星北化机参建的玉门鑫能50兆瓦熔盐塔式光热发电项目是全球首个 基于二次反射的商业化塔式电站，现已全面投运。其核心设备吸热器、冷/热 熔盐缓冲罐均由蓝星北化机设计、制造、安装。玉门鑫能50兆瓦熔盐塔式光热发电项目二次反射塔式熔盐发电是在常规塔式一次反射聚光基础上进行的创新，在 一次反射塔式聚光系统的焦点处安装所需光学元件，改变一次系统汇聚后光线 的传播方向，将光线反射到地面吸热器。第6页共12页玉门鑫能50兆瓦熔盐塔式光热发电项目二次反射塔式熔盐发电的吸热器位于地面，这一创新使光线传播距离较一 次反射系统增加，但输热管道距离却缩短，年均光学效率相对略微降低，但吸 热器及管道建造成本低。技术研发熔盐储能系统填补国内空白熔盐储能系统是光热发电的关键设备之一，可使电厂不受环境影响持续稳 定输出电力，能克服新能源技术普遍存在的“弃风”“弃光”问题。第7页共12页蓝星北化机依托深耕特种装备领域多年所积累的技术基础，开展熔盐储能 领域核心工艺及关键设备研究开发。针对熔盐储能系统存在的系统复杂、高 温、腐蚀性强、容量大、运行工况异常严苛、国内外无参考标准规范等难题， 开展了基础结构创新、关键设备结构创新、仿真设计计算、实验验证等工作， 最终有效解决相关技术难题，并形成多项专有技术。2015年，该技术成功应用于国内首座商业化光热发电站。在一年时间 内，这套10兆瓦中试装置项目成功投入运营，成为国内首家商业化熔盐储能 电站项目。随着中试装置通过稳定无故障运行一年考核，蓝星北化机又研究开 发出50兆瓦规模电站配套熔盐储能工艺包及装置。第8页共12页2018年底，蓝星北化机研发并建设的50兆瓦光热电站配套熔盐储能系统 顺利并网发电，至今无故障运行。实现GWh级熔盐储能系统的产业化应用，该项目为国家首批示范项目。一年后，蓝星北化机与西班牙公司签订合同，为迪拜950兆瓦光热、光伏 发电项目一期100兆瓦熔盐塔式项目提供储能系统的制造、安装及施工任务。 该项目是世界上规模最大、技术最先进的塔式光热发电项目，也是“一带一 路”的重点工程。这标志着蓝星北化机熔盐储能技术达到国际一流水平，熔盐 储能产品及技术正式进入国际市场。4 .太阳能光伏和光热电站发展现状4.1. 光伏装机规模和发展速度远高于光热在光伏电站方面，截至2014年底，全球光伏累计装机量约为178.4GW, 几乎是光热电站的42倍，近十年市场平均增速在40%以上。光伏电站在全球 呈现出多元化发展态势，欧盟累计装机量约为88GW,占比49.3%；我国约为 28GW,占比15.7%；日本和美国占比分别为12.7%和10.3%。上百个国家都 在不同程度地使用太阳能光伏发电，产业发展呈现全面开花态势。在光热电站方面，截至2014年底，全球光热电站总装机约为4.1GW,主 要集中于西班牙和美国，分别占据全球总装机量的51%和40%.值得关注的 是，西班牙近2.1GW的装机量主要集中于2007年西班牙出台上网电价后，而 美国则是自上世纪80年代安装了 9个共计400MW的光热电站后，一直处于 停滞状态，直到2007年才陆续建设6个共计1217MW的光热电站。目前我国第9页共12页