在光熱發(fā)電的四種技術(shù)路線中，碟式熱發(fā)電是天生的模塊化技術(shù)類型。但對于塔式、碟式或菲涅爾式熱發(fā)電來說，對其進行小規(guī)模模塊化的研發(fā)也一直存在。本文探討的是對非碟式光熱發(fā)電技術(shù)的模塊化改進和應(yīng)用。
小規(guī)模的模塊化光熱發(fā)電技術(shù)雖然存在諸多優(yōu)點，但也存在一些業(yè)內(nèi)所關(guān)注的問題，主要是其規(guī)模經(jīng)濟效益不太明顯，相對大規(guī)模光熱電站，效率也較低等。而西班牙PSA光熱發(fā)電研究中心總監(jiān)EduardoZarza博士認(rèn)為，用二氧化碳來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的導(dǎo)熱油作為工作介質(zhì)將大大提高小規(guī)模光熱發(fā)電站的效率。就此相關(guān)的可推動光熱發(fā)電成本削減的技術(shù)革新方面的一些問題，他接受了記者的采訪。
記者：請介紹一下PSA在二氧化碳作為工作介質(zhì)的光熱發(fā)電技術(shù)研究方面的情況？
Zarza：我們主要關(guān)注的是小規(guī)模的光熱發(fā)電技術(shù)應(yīng)用如何通過改變傳熱介質(zhì)來提高效率。利用二氧化碳，我們可以建立一個高效的布雷頓循環(huán)，在這種循環(huán)下，一個5MW的電站的效率可以與一個50MW的采用導(dǎo)熱油作傳熱流體的傳統(tǒng)電站的效率相當(dāng)。利用二氧化碳我們可以實現(xiàn)最高500攝氏度的工作溫度，熱電轉(zhuǎn)換效率可達到40%，這是其最大的一個優(yōu)點。布雷頓循環(huán)的需求應(yīng)用參數(shù)已經(jīng)確定，我們此前的可行性研究結(jié)果也十分令人鼓舞。我們目前需要在商業(yè)化應(yīng)用層面上進行布雷頓循環(huán)的相關(guān)組件和產(chǎn)品的研發(fā)。如果我們用傳統(tǒng)的導(dǎo)熱油來建設(shè)一個5MW的小型光熱電站，其最大效率不會超過30%。而利用二氧化碳和創(chuàng)新性的布雷頓循環(huán)，我們可以實現(xiàn)更高的效率，滿足小規(guī)模電站的市場需求。
記者：這種技術(shù)只能應(yīng)用于小規(guī)模模塊化的光熱電站中嗎？
Zarza：是的。利用二氧化碳作為傳熱介質(zhì)的主要問題是在管路中有較高的壓力損失，如果我們建設(shè)大規(guī)模的光場，可能有50到100公里長的管道，其壓力損失將是難以估量的。這意味著二氧化碳僅僅適合應(yīng)用于小規(guī)模的光熱電站。在理論研究中，我們發(fā)現(xiàn)在2MW~5MW之間的光熱電站的熱量中央接收器上耦合一個新的二氧化碳布雷頓循環(huán)可以產(chǎn)生高效的熱量利用，但目前我們緊緊在槽式電站上進行了實驗性研究。
記者：利用二氧化碳作為工作介質(zhì)對一個光熱電站的成本可能產(chǎn)生什么影響？
Zarza：對一個小于10MW的光熱電站來說，我認(rèn)為采用二氧化碳作為循環(huán)介質(zhì)可以導(dǎo)致CAPEX成本略微升高，但其效率將大幅升高，最終的結(jié)果是發(fā)電成本降低。對于維護成本，則與一般的使用導(dǎo)熱油的電站相差無幾。其主要的優(yōu)勢在于高效。
記者：目前是否有已運行的光熱電站采用二氧化碳作為傳熱介質(zhì)？
Zarza：目前還沒有商業(yè)化的此種類型的光熱電站投運，但已經(jīng)有一些小規(guī)模的試驗項目。在PSA，我們有一個熱輸出功率400KW的測試設(shè)施。我們已經(jīng)在槽式發(fā)電系統(tǒng)上測試了這一技術(shù)并實現(xiàn)了510攝氏度的工作溫度，這一溫度要高于一般的槽式電站，也高出采用壓縮空氣作為介質(zhì)的發(fā)電系統(tǒng)。我們已經(jīng)證明二氧化碳可以被應(yīng)用于槽式電站中并在500攝氏度的溫度下進行高效運轉(zhuǎn)，采用我們設(shè)計的新型布雷頓循環(huán)，可以獲得40%的熱電轉(zhuǎn)換效率。
記者：布雷頓循環(huán)和郎肯循環(huán)相比有何優(yōu)勢？
Zarza：郎肯循環(huán)需要更大的功率才能實現(xiàn)更高的效率，這主要由于小型蒸汽輪機的應(yīng)用限制。而在較低功率的情況下，我們利用布雷頓循環(huán)卻可以達到更高的效率，布雷頓循環(huán)同時是應(yīng)用友好型的技術(shù)，安全可靠，航空發(fā)動機就是基于布雷頓循環(huán)而設(shè)計的。布雷頓循環(huán)發(fā)動機還可以快速啟停，而郎肯循環(huán)需要蒸汽渦輪，泵、冷卻系統(tǒng)、除氧器等等眾多設(shè)備，其啟動需要較長的時間，甚至長達半小時到一個小時。
記者：應(yīng)用郎肯循環(huán)的成本是否更高？或者說其成本取決于電站裝機？
Zarza：其成本相差無幾。
記者：對于光熱電站的效率和成本削減等課題，您還有什么其他方面的研究？
Zarza：提升光熱電站的效率、削減成本有很多方面可以研究。歐洲太陽能熱發(fā)電協(xié)會ESTELA此前發(fā)布了其研究日程，包括了更高效的集熱管、改進型的儲熱系統(tǒng)、新的工作介質(zhì)的研究等方面。PSA、DLR和其他研究機構(gòu)一直以來都在合作推進相關(guān)方面的研究。潛在的可提升方向有很多，但沒有一個單一的技術(shù)方向可以引導(dǎo)整體的系統(tǒng)提升。真正的解決方案在于積累各個方面小的改進，以實現(xiàn)整體性能的提升。槽式集熱管的性能提升可以降低維護成本，直接蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的研究也是降低成本的一個方面，還有采用熔鹽作為傳熱介質(zhì)的技術(shù)方向。
利用熔鹽直接傳熱儲熱減少了一道換熱程序，可以降低系統(tǒng)成本，目前很多廠商都在研究這一技術(shù)。這一技術(shù)的主要障礙在于熔鹽的結(jié)晶點太高（約240攝氏度），以至于在晚間需要謹(jǐn)慎防止熔鹽的凍結(jié)。一旦凝固對光熱電站將是一場災(zāi)難。也有部分公司在研發(fā)低熔點熔鹽以避免這一問題。
還有一些公司在研究提高導(dǎo)熱油的工作溫度，目前槽式電站的導(dǎo)熱油的最高工作溫度在398攝氏度左右，高于這一溫度導(dǎo)熱油將出現(xiàn)降解現(xiàn)象，這將導(dǎo)致導(dǎo)熱油的更換成本升高。導(dǎo)熱油的最大溫度應(yīng)用是一個較大的障礙，對于郎肯循環(huán)來說，只有更高的工作溫度才能實現(xiàn)更高的效率，當(dāng)今的槽式電站都囿于這一溫度而效率低下。
記者：你還意識到其它可以降低光熱發(fā)電成本的途徑嗎？
Zarza：我們應(yīng)設(shè)法找到新的工作介質(zhì)來提升光熱發(fā)電技術(shù)的利用效率，效率和成本是有重大相關(guān)性的，只有更加高效，成本才能更低。任何可以提升效率的研究都可以帶來成本的下降。
還有一個方面是人力成本的下降，在土建和設(shè)備組裝、安裝等方面要降低對人力的需求。如果我們可以開發(fā)出全自動化程序的機械來負擔(dān)這些依靠人力才能完成的工作，也可大大降低光熱電站的建設(shè)成本。目前我們在槽式集熱器制造、組裝、安裝方面的人力成本耗費已經(jīng)比十年之前降低了25%~30%，在生產(chǎn)和組裝方面更加廉價，但現(xiàn)在還存在繼續(xù)下降的空間。
記者：電站裝機規(guī)模影響了對人力的需求嗎？
Zarza：這其中涉及到一個規(guī)模效益。電站裝機越大，相對每KW的投資就越低，相對每KW的人力成本也越低。
記者：你如何看光熱發(fā)電可以實現(xiàn)更低的LCOE？
Zarza：有很多方法可以幫助我們實現(xiàn)更低的LCOE。但最終都要歸結(jié)于三個主要方面：降低CAPEX、提高效率、降低運維成本。上述三個方面的任何改進都將有利于降低LCOE。
