太阳能光热发电与光伏发电对比分析

传统的火力发电是通过燃烧，把化石中储存的能量，转化为热能，再转化为电能。而太阳能光热发电那么是通过数量众多的反射镜，将太阳的直射光聚焦采集，通过加热水或者其他工作介质，将太阳能转化为热能，然后利用与传统的热力循环一样的过程，即形成高温高压的水蒸气推动汽轮机发电机组工作，最终将热能转化成为电能，典型太阳能光热发电热力循环系统原理如下图。太阳能光热发电热力循环系统原理图

正是通过这样的环节，太阳能光热发电技术和传统火力发电技术顺利地集成在一起。由于火力发电技术早已非常成熟，从而降低了太阳能光热发电整体技术开发的风险。

中国产业信息网发布的《2023-2023年中国太阳能热利用市场专项研究及投资战略咨询报告》指出：太阳能发电技术主要包括太阳能光伏发电和太阳能光热发电两种，光伏发电的原理是当太阳光照射到太阳能电池上时，电池吸收光能，产生光生伏打效应，在电池的两端出现异号电荷积累。假设引出电极并接上负载，便有功率输出。光伏发电是目前太阳能发电产业的主流技术，较为成熟，国家已明确其上网电价〔不同地区在0.9~1元/度范围变化〕，发电本钱也下降至0.7元/度左右；光热发电在我国开展时间较短，在太阳能聚光方法及设备、高温传热储热、电站设计等集成以及控制方面，已经取得实质性进展，但商业化业绩较小，上网电价政策尚未落实，发电本钱也较高，约为0.9元/度左右。但太阳能光热发电与光伏发电相比具有以下优点：

1〕太阳能光热发电输出电力稳定，电力具有可调节性，易于并网

目前太阳能光热发电系统可以通过增加储热单元或通过补燃或与常规火电联合运行改善出力特性。而光伏发电受日光照射强度影响较大，上网后给电网带来较大压力，其发电形式独特，和传统电厂合并难度大。−通过储热改善光热发电出力特性〔槽式和塔式光热发电〕。白天将多余热量储存，晚间再用储存的热量释放发电，这样可以实现光热发电连续供电，保证电流稳定，防止了光伏发电与风力发电难以解决的入网调峰问题。根据不同储热模式，可不同程度提高电站利用小时数和发电量，提高电站调节性能。−通过补燃或与常规火电联合运行改善光热发电出力特性。太阳能热发电站可利用化石燃料补燃或与常规火电联合运行，使其可以在晚上或连续阴天时持续发电，甚至可以以稳定出力承当基荷运行，从而使年发电利用得到7000小时左右。

2〕太阳能光热发电无污染

光热发电是清洁生产过程，根本采用物理手段进行光电能量转换，对环境危害极小，太阳能光热发电站全生命周期的CO2排放仅为13~19g/kWh。而光伏发电技术存在致命弱点为太阳能电池在生产过程中对环境的损耗较大，是高能耗、高污染的生产过程。业内专家认为，太阳能电池在生命周期所能节约的能源与生产太阳能电池本身所要消耗的资源相比，并不经济。光伏和光热发电比照

光伏光热发电原理利用太阳光中的可见光形成光电子。使用半导体吸附并形成电流，从而实现发电的过程。利用太阳光中的热能转化为动能，并使用汽轮机进一步转化为电能实现发电的过程。可利用太阳能资源60%30%发电本钱0.7元/度0.9元/度上网电价0.9~1元/度无储能系统使用电池进行电能储存，使用寿命短、损耗大通过一些介质如熔融盐、水等材料进行热储存，使用寿命长、损耗小每年发电小时数〔小时〕1800~2200储能：5000不储能：2000上下与传统电厂合并不能能输出电力特性不可改变可改变，调节生产过程清洁度高污染清洁转化效率10~20%15~30%占地面积〔m2/MW〕25~3035~40适用范围适合小规模、分布式发电由于其与火力发电有着共性，同样适合集中式大规模发电全球技术水平技术成熟应用技术已相对成熟全球产业化水平产业化程度很高产业化初步形成国内产业化水平产业化程度很高未形成产业化优势技术和产业已相对成熟储热本钱低且效率高，年发电小时数长，与其他发电可有效契合，是是最有条件逐步替代火电、担当根底电力负荷的新能源劣势生产过程中存在污染，且稳定性不高对地理条件要求高资料来源：中国产业信息网整理

根据聚光方式的不同，光热发电技术主要分为：塔式、槽式、碟式和线性菲涅尔。其共同点是利用不同技术加热工质，再驱动汽轮机发电，也可以在热能转成电能的环节上采用斯特林发动机。槽式和塔式光热电站目前均已实现了大规模商业化运行，而碟式及线性菲涅尔式那么分别处于系统示范阶段。其中目前应用较为广泛的三种光热发电系统比拟见下表。三种光热发电系统比拟

槽式碟式塔式发电规模〔MW〕30~1501~5030~400运行温度〔℃〕320~400750230~1200系统平均效率〔%〕1525~3020~35商业化状态已商业化完成示范阶段已商业化已建单机最大容量280MW100KW133MW技术风险低高中等能量储存可以电池可以，如熔盐多燃料设计可以可以可以本钱〔$/W)4.0~2.712.6~1.34.4~2.5本钱〔$/W)不考虑热量的存储4.0~1.312.6~1.12.4~0.9占地规模大小中等应用可并网发电，中温段、高温段加热小容量分散发电、遥远地区独立系统供电可并网发电，高温段加热缺点使用油作为传热介质，限制了运行温度，最高400℃，只能产生中等品质的蒸汽可靠性需要加强，预计大规模生产本钱目标尚未到达性能、初期投资和商业化运行程度不够资料来源：中国产业信息网整理

1、槽式太阳能热发电槽式太阳能集热系统如下列图所示

在太阳能集热器上利用抛物线式反射板将太阳光聚焦到中心焦点线上。在对日跟踪系统的作用下，阳光会被连续地聚集在焦点线位置的集热管上。在集热管中流动的热流体将热量连续不断地输送到高压蒸汽发生器中，通过换热器进行热量交换，产生热蒸汽。假设产生的蒸汽用于发电或供热，那么热蒸汽做功或放热完成后经过压缩冷凝回流到热蒸汽发生器中，再次被加热成为闭环系统不断循环的热蒸汽；假设生产的蒸汽是用于其它生产工艺并被消耗，那么需补水。同时，通过热交换器后的热介质流体也将返回到集热场中再次被加热。为了在太阳能缺乏时仍能生产蒸汽，可在系统中放置储热罐，存储充裕的能量，在太阳能缺乏时对系统进行补给，从而加大太阳能的利用效率。

2、碟式太阳能热发电

碟式又称盘式，其主要技术特征是采用盘状抛物面聚光集热器，它也是一种点聚焦集热器，其聚光比可以高达数百倍到数千倍，因而可以产生非常高的温度。在其接收器上安装热电转换装置，比方斯特林发动机或朗肯循环热机等，从而将热能直接转换成电能。可以单台使用或多台并联使用，适宜小规模发电，所以比拟适合偏远山区远离电网地区，进行分布式离网供电。碟式太阳能光热发电站示意图

3、菲涅尔式集热发电

菲涅尔式集热系统如图8所示，1990年澳大利亚科学家在总结了槽式和塔式的经验根底上，提出了紧凑线性菲涅尔反射聚光器和蒸汽发生系统的设想，并于2002年由德国FRAUNHOFER设计，比利时索拉门多公司制作了5000m2的菲涅尔〔Fresnel〕太阳能聚光器。相比拟槽式，这套系统的一个关键优势就在于菲涅尔的聚焦比大，可以获得比拟高的温度，每平米镜面所需要的根底和电机很少，系统通过使用标准的平面镜代替需要特殊方法加工的曲面反射镜，让所有的镜子贴近地面，降低风载和钢的使用，从而降低本钱。菲涅尔式太阳能光热发电站根本原理图

4、塔式太阳能热发电

塔式系统如下列图所示，具有规模大、热传递路程短、热损耗小、聚光比和温度较高等特点，是几种光热发电系统中可到达发电本钱最低的一种。它利用众多定日镜形成的定日镜场阵列，将太阳辐射反射到置于高塔顶部的吸热器上，加热吸热工质使其直接产生蒸汽或者换热后再产生蒸汽，以此驱动汽轮机带动发电机组，从而将太阳能转换为电能。整个系统主要由4大根本局部构成：聚光系统、吸热系统、储热系统和发电系统。塔式太阳能光热发电站根本原理图

目前，槽式和塔式光热发电已经实现商业化，菲涅尔和碟式技术所占的份额依旧很少，短期看也没有出现大跨步开展的迹象。世界范围内槽式光热发电系统占比最高，因为塔式光热发电系统的初始投资高、碟式发电系统能量储存困难。但塔式光热发电系统综合效率高，非常适合于大规模、大容量商业化应用，在规划建设的光热电站工程中塔式所占的比例已经超出了槽式技术。我们认为，未来塔式光热发电技术将是光热发电的主要技术流派。四种光热发电技术的装机比例统计〔截至2023年3月份〕类别槽式塔式菲涅尔碟式已建成26.9%0.8%0.6%0.04%在建28.6%7.4%1.8%—方案建设15.9%17.6%0.3%—合计71.4%25.9%2.7%—现阶段被广泛商业化运行的槽式聚光系统多为管桁架式，耗用的钢材多，自重大，本钱高，加之是单轴跟踪，聚光比低，光热转换效率低。而碟式聚光系统虽然具有较高的光学效率和较低的跟踪误差，并采用了高效率的集热器，从而具有较高的热电转换效率等这些优点。但是在增大聚光面积时，增加了支撑架体设计难度，由于抗风等级的要求导致用钢量大幅度提高，造成系统本钱增加。作为线性菲涅尔聚光系统，虽然建设和维护本钱相对来说低廉，但其普遍存在遮挡和阴影问题，造成系统效率低，聚光倍数只有数十倍。导热管路上能量损失问题也是线性菲涅尔集热器上不容无视的问题。相比上述缺乏，秦皇岛瑜阳光能科技的复合碟作为一种新型聚光系统，具有以下优点：〔1〕焦点固定设计〔即系统集热装置固定〕——具有塔式焦点不移动的特点。本创造降低了太阳能聚光系统接收器的设计难度，解决其它系统中普遍存在的管路安装困难的问题。〔2〕高精度双轴跟踪，高倍点聚焦设计——可实现高温利用。〔3〕优化布置反射镜场和接收器形式——解决了线性菲涅耳反射镜式集热系统普遍存在遮挡和阴影问题。〔4〕低矮型设计——抗风效果好，结构简单，耗材量小，安装方便，节约建设本钱。〔5〕集热核心部件石墨柱的应用——采用导热性好，耐腐蚀，化学性质稳定的石墨柱，直插式的方式将集热器与导热储能装置融为一体。秦皇岛东阳科技是专业研发太阳能光热产品的高新技术企业，在2023年依托秦皇岛瑜阳光能科