欧盟太阳能热发电战略研究议程2025
2014-06-03   来源:中科院  浏览次数:

  欧洲太阳能热发电协会(ESTELA)发布了首个战略研究议程,设定了到2025年欧洲太阳能热发电优先研究的问题,以期实现三大目标:提高效率与降低成本、增强可调度性和提高环境效应。战略研究议程讨论了四种主要的太阳能热发电技术:抛物槽式、塔式、线性菲涅尔式和碟式斯特林系统,还包括相关的交叉问题,如蓄热、混合发电和标准化等。

  目前,全球太阳能热发电装机容量已达2GW,还有3GW在建中。大部分电站建在西班牙和美国,其他地区也在考虑发展热发电,北非、印度、中国和南非等已启动了新的项目。到2015年太阳能热发电装机量有望达到10GW。

  欧盟成员国在2010年制定的国家可再生能源行动计划中设定了到2020年太阳能热发电装机总计要超过7GW,其中仅西班牙装机目标就超过5GW。由于经济危机影响,目前欧洲各国的补贴形势不太明朗,国家层面正在采取新的措施来协调可再生能源项目的投资计划。考虑到各国政策和电站参数,目前太阳能热发电的固定上网电价在0.3欧元/kWh左右。同时,太阳能热发电产业还创造了许多新的就业机会。如在西班牙,2008~2010年间相关工作岗位数量翻了一番多。

  一、标准化

  太阳能热发电的技术标准对加速降低成本至关重要。太阳能聚光器的EN12975标准已是ISO9806标准的一部分,目前正在修订。太阳能热发电标准工作组已于2011年成立,2012~2013年有望发布新的指导方针。但仍需加强在以下领域建立通用标准框架:资格、认证、测试程序、组件和系统耐久性试验、调试程序、模拟结果和太阳能场建模等。

  二、目标1:提高效率,降低发电、运行与维护成本

  为满足目标1战略研究议程列出了四种热发电技术的优先研究主题,交叉问题也共同列出,如表1所示。

  表1欧洲太阳能热发电技术优先研究主题

  技术种类

  研发主题

  抛物槽式

  集热器

  -规模化效应

  -更好的集热器设计和制造

  -更好的太阳能场控制

  -自主驱动单元和本机控制(无线)

  吸热管

  -选择性涂层更好的优化稳定性

  -真空管设计,无焊接或无较低的透氢

  传热流体

  -利用压缩气体(CO2、N2、空气等)

  -直接蒸汽发电

  -熔盐+辅助加热

  塔式

  吸热器

  -先进高温吸热器(直接吸收)

  -新工程化材料(陶瓷管)

  传热流体

  -用于超临界蒸汽循环的熔盐

  -空气和CO2作为主要流体

  -直接过热蒸汽

  -粒子吸热器系统

  定日镜场

  -多重小塔式配置

  -可靠的无线定日镜控制系统

  -优化的定日镜场

  -改进驱动机制

  -自主驱动单元和本机控制(无线)

  新的转化循环和系统

  -布雷顿循环

  -联合循环和超临界蒸汽循环

  -与生物质混合发电

  -二级聚光器

  线性菲涅尔式

  控制和设计

  -更好的跟踪选项

  -塔式技术与菲涅尔技术的混合

  吸热器

  -真空管式吸热器

  -新一代非真空管式吸热器

  反光镜

  -二级聚光

  -弧形支持表面薄膜

  传热流体

  -过热直接蒸汽发电

  -仅用熔盐

  -非真空吸热器中的加压CO2或空气

  碟式

  燃气轮机

  -与天然气或生物气混合发电

  -碟式系统与压缩空气储能结合

  吸热器

  -应对更低热惰性的回热器

  系统部件

  -与汽车制造行业协同

  -改进跟踪系统

  斯特林发动机

  -联动式发动机(更低的组件错误率、更低的H2泄露、大规模生产)

  -自由活塞式发动机(线性发电机更好的控制与设计)

  可调度性

  -机电式存储和蓄热

  -吸热器中的替代能源来源(生物质)

  交叉问题

  反射镜

  -轻反射表面

  -防污涂层

  -高反射率

  传热流体

  -低熔点混合物

  -加压气体

  -带有高压吸热管的直接蒸汽发电

  -高工作温度

  其他

  -具有更好光学特性的选择性涂层吸热器

  -新存储概念

  -改进控制、预测和运行工具

  三、目标2:增强可调度性

  可调度性是增强太阳能热发电技术竞争力的重要特性,能够灵活响应电网需求是关键。尽管许多电站已建设了蓄热系统,但仍需要开展更多的工作。

  (一)综合系统

  通过水预热方法或锅炉蒸汽/水循环能够实现将太阳热能集成到大型蒸汽厂。需要设计合适的锅炉以应对温度差异。如果锅炉集成已完成,还需要改进其设计与控制系统。

  将太阳热能与燃气轮机或联合循环电站集成也是选择之一。与燃气轮机相结合时,在高温太阳能集热器中可将空气温度加热到高温,从而产生高转化效率。提高处理过渡相的能力需要改进设计控制系统。

  将太阳热能与生物质集成更适用于小规模设施,可以作为全可再生能源电站。

  (二)蓄热

  不同传热流体,采用不同的设计:

  热油:用具有良好温度分层的单个蓄热罐替代双罐配置可极大简化蓄热。还可以通过换热器和蓄热材料的固态分离来优化单罐设计。

  熔盐:太阳能场和蓄热循环之间不需要交换器。需要研发具有低凝点和避免腐蚀问题的新熔盐混合物。

  蒸汽:在发电模块之前不需要交换器。需要调研用于饱和蒸汽的固态/液态相变材料。

  气体:超高温应用可行。挑战是如何设计高效传热系统和蓄热材料选择。

  一般而言,需要改进热量积蓄与释放策略以最大化蓄热能力。还需要调研热化学储能系统概念。

  (三)改进预测

  良好的预测能力对于可靠估计给定地点电站的成本非常重要。可以设想许多解决方案,如详细预报超短期气象情况,开发电力预测系统软件监管电力生产,改进地面太阳直射辐射(DNI)测量方法,利用气象卫星结果,改进用于DNI预测的数值天气预报模型,分析太阳能与风能资源之间的年际变化情况和时间与空间关联。

  四、目标3:提高环境效应

  传热流体因其对环境的潜在影响而成为实现本目标的关注点,合成油的污染是最令人担忧的影响之一。不同流体的环境和经济特性研究如图1所示。

  (摘编自先进能源科技动态监测快报)

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