太阳能光热电站系统在中国城市应用的可行性研究.docx
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太阳能光热电站系统在中国城市应用的可行性研究
CENICOMTM太阳能电站系统在中国应用的可行性研究
中国电力顾问（集团）公司
CENICOM太阳能有限责任公司
目录
摘要1
1.中国太阳能发电市场研究3
1.1中国太阳能资源分布3
1.2中国可能发展太阳能发电的地区6
2.世界太阳能发电技术的发展和状况7
2.1光伏发电（SPV）7
2.2光热发电（CSP）8
2.2.1塔式系统8
2.2.2槽式系统9
2.2.3盘式系统10
2.2.4太阳池10
2.2.5太阳能热气流系统11
2.3几种光热技术的比较11
2.4太阳能热发电技术的前景13
3.CENICOMTM的特点15
3.1概述15
3.2CENICOMTM简介16
3.3运用CENICOMTM的理由20
3.4CENICOMTM发电站的放大风险20
3.5CENICOMTM的运用业绩21
4.案例研究23
4.1案例1A：
运用CENICOMTM单簇的西藏拉萨调峰电站23
4.2在拉萨的1个CENICOMTM和1个太阳能电池阵列的性能比较分析31
4.3案例2a：
3个CENICOMTM向在北京的住宅区供热/制冷32
4.4同平板式集热器的比较37
4.5案例2b：
在中国北京的楼房，利用1-CENICOMTM作为紧急备用电源38
4.6初步投资估算43
摘要
该项研究介绍了中国境内可利用的太阳能资源，同时指出了国内那些日照充足，太阳能资源可利用的地区。
这些地区主要是在西北，东北，和西部。
北方其它一些地区阳光也比较充足。
该研究还对那些利用太阳能发电的方法进行了比较。
有些电厂使用线性聚焦槽发电，再经由天然气进一步扩大。
随着时间的推移，这些方法逐渐显示其商业价值，但是近来天然气价格日益上涨，它们的应用前景也许会不乐观。
太阳能电池因为其简单从而得到了广泛的运用。
当使用太阳能电池的各个方面都被考虑的时，实际上它是把太阳能直接转化为电能，这意味对于那些小系统来说，将不得不使用那些会损耗的电池。
而对大系统来说，就必须使用电网来储存电能。
这种发电的形式是比较零散的，通常这意味着电网得随时待用，当太阳被云、雾遮住以及刚刚升起时，就得用传统的方式发电。
这会减少太阳能发电带来的效益。
风力发电系统和Stirling发电机系统来说也存在着这样的问题。
回顾太阳能碟式系统，包括CENICOMTM和使用Stirling发电机单碟。
CENICOMTM系统提供了热量存储装置从而可以连续发电，这样该系统既可以在独立电网中使用，也能用于并网电网中。
与其它型式的太阳能发电系统相比，CENICOMTM每千瓦的价格是相当诱人的。
CENICOMTM太阳能发电系统的效率也是较高的。
CENICOMTM系统使用直径三米的反射镜子来聚焦太阳能。
在收集面积为650平方米的旋转平台上，总共有88个聚焦镜。
聚焦镜都被连接在一起倾斜起来直接面向太阳。
太阳方位角跟踪器通过旋转平台来完成，同时太阳高度角跟踪也及时让倾斜的镜子直面太阳。
该系统精确的聚焦和封闭的碟形空间能让作为能量传送介质的空气拥有更高的温度。
在最终把热能转化为电能的时候，温度越高就意味着能量贮存密度越大，这是我们非常期望得到的。
空气的温度被控制在1100°C。
热空气通过管道被送到贮存罐，在此热量转移到固体惰性材料里储存起来。
这样就使得能量的收集与发电分开。
基于此，系统既可以单独使用也可以并网使用。
在单独使用中，贮存系统可以提供一周每天24小时的用电量。
在并网运用时，可以在电网最需要电能的时候供电。
在没有阳光而又出现电量峰值的傍晚和夜间的时候，该系统特别有利。
贮存罐的大小可以根据运用情况来确定。
在工程运用中，CENICOMTM可以使用一个或多个模块、或者一个或多个由36个CENICOMTM模块构成的簇
传热介质是空气。
相比较塔式系统采用熔盐和槽式系统采用矿物油，采用空气更安全和更廉价。
使用空气同样可以达到很高的温度。
槽式系统需要使用天然气来提升蒸汽温度以满足汽轮机的效率，塔式系统需要使用化石燃料来加热熔盐以防止其凝固，而CENICOMTM系统真正作到不需要辅助燃料。
CENICOMTM发电是通过蒸汽轮发电机完成的。
蒸汽轮发电机已经在发电厂可靠地应用了许多年。
蒸汽轮发电机的容量可灵活地根据CENICOMTM电厂的规模来选配。
这在中国是非常有利的。
其它的盘式集热系统只用单反射镜给放置在其聚焦点的Stirling引擎供热。
而Stirling引擎目前仍在研究阶段，目前可利用的引擎存在可靠性问题。
对于使用该设备直接并网，引擎需要外部设备来启动，以便在太阳能较少时驱动引擎，科学家们已经提出了启动问题之一的同步化问题。
CENICOMTM系统用于收集太阳能的占地面积比其它的系统相比要小的多。
原因是该系统拥有很高的发电效率。
高温产生的效率使得此系统可以与其它太阳能加热装置相媲美。
CENICOMTM系统放置于基座或者建筑物房顶上。
当该系统的基座放在地面时，其7.34米以下有93%的空间可以利用。
尽管设计的太阳能电池组（PV）最高效率非常接近CENICOMTM系统的效率，但是它的平均效率还是比CENICOMTM系统要低。
这是因为PV的效率忽略了那部分被中途截取的大量的太阳光。
这也就是说在一平方米吸收的自然光的所得最高效率是1KW,而当有大气削弱自然光时，它的效率要低，每平方米只有300w，而此种情况在像CENICOMTM的盘式聚焦系统中就不会出现。
在一年之中，最强阳光能够直射在PV阵列上的只有为数不多的时间，在大多数时间里它获得的太阳能都比较少。
这是由于PV阵列是固定的，很多时候无法直面太阳。
与其它已投入使用的太阳能发电系统相比，CENICOMTM系统的工程投资和电价都比较低。
所有的反射镜和系统的其它部分都可以在中国制造。
发电设备可以在中国采购，工程设计、设备采购、安装和调试可以由中国工程公司承担，我们可以对培训运行人员和维护人员提供帮助。
CENICOMTM计划继续对系统进行精简，以使系统可以达到最优化的配置。
有些方面的设计已经确定。
其中之一就是空气传送，包括管道材料，膨胀接头，旋转接头以及为跟踪太阳用的旋转接头。
另外是与汽机厂合作，采用小而高效的汽轮机以用于采用小型簇的电厂。
该研究包含两个案例：
案例一：
案例一是建在西藏拉萨的一个6MW的调峰电厂。
配一个簇（cluster）的系统设计为调峰电厂，可以将收集的太阳能存储在贮存罐中，在尖峰负荷时发电供电。
由于收集系统和发电系统的不匹配性，所以称它为启动系统。
为了与发电系统相匹配，随后该启动系统又增加了另外两个簇。
只有当能连续发电至少4小时此系统才运行。
这是经过每一小时分析后发现4个小时是较好的。
因为CENICOMTM使用热能存储，所以该间隔的调整范围是很宽广的。
它的年能力系数是0.2546。
工程投资136,020,732元人民币。
值得注意的是CENICOMTM的一个簇（cluster）与6MW发电厂的匹配并不最适宜的。
第二个方案是同样的6MW调峰电厂，但使用三个CENICOMTM簇来收集太阳能。
它每天运行的最短时间是8小时。
很多天它是24小时运行。
如果贮存的能量不能保证运行8小时，那么系统就不运行，只收集能量。
工程投资291,042,196元人民币。
完成该案例后，我们发现拉萨是仅次于撒哈拉沙漠的全世界日照最多的地区。
考虑到太阳光系数的调整，该案例电厂的年能力系数为0.746。
使用适用于西藏的贷款利率和特别所得税，以及清洁发展机制（CDM）和优惠电价，案例1B的电价是0.634元/kWh。
要输出与一个簇相同的电能，PV太阳能电池阵列系统需要61854平方米的收集区，而CENICOMTM系统仅仅需要23412平方米。
它还没有考虑安装或装设平台的288,809,152元人民币投资，是同等CENICOMTM系统投资的2.91倍。
PV系统没有热储存系统，所以无法夜间的尖峰负荷。
CENICOMTM系统有25年的寿命而PV太阳能电池阵列系统的寿命很短。
案例二：
此案例是针对在屋顶上放置3个CENICOMTM模块，可以给多少住户提供能量。
重点是制热与制冷。
给定的年工作方式是制热、制冷和发电。
当太阳光最弱的时候，季节性的热负荷是最高的。
该案例研究表明，在冬季可利用太阳能制热的空间总量是合适的。
然而在夏季，CENICOMTM系统可很容易提供制冷所需的能量。
此外，在一年之中另外的时间，可利用多余的能量发电向电网供电。
在该案例中，从经济性考虑，如果加热量和制冷量能够合理的分配，那么发电费用就是0.8元人民币/kWh。
其中制热成本是0.21元人民币/kWh。
这可与在冬季同样的日照强度条件下，使用太阳能平板热水器的制热成本0.28元人民币/kWh形成鲜明的对比。
单一的CENICOMTM系统同样是研究的一部分。
此系统在尖峰负荷时段发电向电网供电。
该系统也设有储热装置，可以作为发电系统的紧急备用。
系统一年发电314,000kWh，在五月、六月、七月、八月、九月（夏季奥林匹克月）按比率算它一年可以发电370,000kWh。
该系统投资费是3,270,000元人民币。
而一年发同样的电，PV系统的投资将会是8,825,000元人民币。
结论：
CENICOMTM系统是一个无污染，高峰值，平均效率高的系统，它提供了储存装置从而能够把太阳能收集和发电这两个过程分开。
这使得系统运用非常的方便，既可以运用于地方电网，也可运用于区域电网。
较低的投资使得该系统在中国阳光充足的地区能够加以应用。
提高发电率则系统的成本就会降低，参看附录B中的敏感性分析。
在相当短的时间内系统就可以制造和安装。
1.中国太阳能发电市场研究
1.1中国太阳能资源分布
我国幅员广大，有着十分丰富的太阳能资源。
据估算，我国陆地表面每年接受的太阳辐射能约为50x1018kJ，全国各地太阳年辐射总量达335～837kJ／cm2·a，中值为586kJ／cm2·a。
从全国太阳年辐射总量的分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳辐射总量很大。
尤其是青藏高原地区最大，那里平均海拔高度在4000m以上，大气层薄而清洁，透明度好，纬度低，日照时间长。
例如被人们称为“日光城”的拉萨市，1961年至1970年的平均值，年平均日照时间为3005.7h，相对日照为68％，年平均晴天为108.5天，阴天为98.8天，年平均云量为4.8，太阳总辐射为816kJ／cm2·a，比全国其它省区和同纬度的地区都高。
在西部地区，一万平方公里的荒漠面积可提供5.5个三峡电站的电力。
我国太阳能资源是风力资源的1400倍，是水力资源的3300倍。
我国太阳能资源分布的主要特点有：
太阳能的高值中心和低值中心都处在北纬22°～35°这一带，青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心；太阳年辐射总量，西部地区高于东部地区，而且除西藏和新疆两个自治区外，基本上是南部低于北部；由于南方多数地区云雾雨多，在北纬30°～40°地区，太阳能的分布情况与一般的太阳能随纬度而变化的规律相反，太阳能不是随着纬度的增加而减少，而是随着纬度的增加而增长。
我国的太阳能资源分布如下图：
颜色
辐射等级
年辐射量（MJ/m2）
日辐射量（KWh/m2）
红
最好
≥6680
≥5.1
桔红
好
5850－6680
4.5–5.1
黄
一般l
5000－5850
3.8–4.5
浅蓝
较差
4200－5000
3.2–3.8
深蓝
很差
<4200
<3.2
按接受太阳能辐射量的大小，全国大致上可分为五类地区：
一类地区：
全年日照时数为3200～3300小时，辐射量在670～837x104kJ／cm2·a。
相当于225～285kg标准煤燃烧所发出的热量。
主要包括青藏高原、甘肃北部、宁夏北部和新疆南部等地。
这是我国太阳能资源最丰富的地区，与印度和巴基斯坦北部的太阳能资源相当。
特别是西藏，地势高，太阳光的透明度也好，太阳辐射总量最高值达921kJ／cm2·a，仅次于撒哈拉大沙漠，居世界第二位，其中拉萨是世界著名的阳光城。
二类地区：
全年日照时数为3000～3200小时，辐射量在586～670x104kJ／cm2·a，相当于200～225kg标准煤燃烧所发出的热量。
主要包括河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地。
此区为我国太阳能资源较丰富区。
三类地区：
全年日照时数为2200～3000小时，辐射量在502～586x104kJ／cm2·a，相当于170～200kg标准煤燃烧所发出的热量。
主要包括山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、江苏北部和安徽北部等地。
四类地区：
全年日照时数为1400～2200小时，辐射量在419～502x104kJ／cm2·a。
相当于140～170kg标准煤燃烧所发出的热量。
主要是长江中下游、福建、浙江和广东的一部分地区，春夏多阴雨，秋冬季太阳能资源还可以。
五类地区：
全年日照时数约1000～1400小时，辐射量在335～419x104kJ／cm2·a。
相当于115～140kg标准煤燃烧所发出的热量。
主要包括四川、贵州两省。
此区是我国太阳能资源最少的地区。
一、二、三类地区，年日照时数大于2000h，辐射总量高于586kJ／cm2·a，是我国太阳能资源丰富或较丰富的地区，面积较大，约占全国总面积的2／3以上，具有利用太阳能的良好条件。
四、五类地区虽然太阳能资源条件较差，但仍有一定的利用价值。
表1.1-1我国各地区的太阳能资源及分布表
类型
地区
年日照时数（h）
年辐射总量kJ/cm2·a
1
西藏西部、新疆东南部、青海西部、甘肃西部
2800－3300
672－840
2
西藏东南部、新疆南部、青海东部、宁夏南部、甘肃中部、内蒙古、山西北部、河北西北部
3000－3200
586－672
3
新疆北部、甘肃东南部、山西南部、陕西北部、河北东南部、山东、河南、吉林、辽宁、云南、广东南部、福建南部、江苏北部、安徽北部
2200－3000
502－586
4
湖南、广西、江西、浙江、湖北、福建北部、广东北部、陕西南部、江苏南部、安徽南部、黑龙江
1400－2200
420－502
5
四川、贵州
1000－1400
335－420
1.2中国可能发展太阳能发电的地区
适合于发展太阳能发电的地区的条件，主要有：
1.，太阳能资源丰富但缺少化石能源或化石能源价格相对高的地区；2.将太阳能发电与其他可再生能源相结合，例如与水力资源、或与风力资源互补，以增加可调电量；3.地区生态系统脆弱，环境保护任务重，不适宜发展以化石燃料发电的地区；4.地广人稀，电网难以覆盖的地区。
从前述我国太阳能资源的分布可看出，我国太阳能资源丰富或较丰富的一、二、三类地区主要集中在西藏、新疆、内蒙古、青海、宁夏和甘肃，这些地区属于中国的西部地区，经济相对落后，能源短缺，尤其是西藏、青海，生态环境较脆弱，环境保护任务较重，不宜建设常规电站，同时，国家正在实施西部大开发，有一定的政策支持。
因此，这些地区是目前中国最可能发展太阳能发电的地区。
与此同时，也不排除在经济发达地区建设少数示范性的并网太阳能热电站，这些地区技术水平较高，财力支持容易解决，可以较快从示范工程中积累经验。
以下就可能发展太阳能发电的地区的情况简介如下：
1.西藏地区：
国民经济概况：
2003年全区人口270万，全区面积，是我国人口密度最小的地区。
2003年区内生产总值184.6亿元，人均6837元/年。
电源情况：
水能、太阳能资源丰富，有一定的地热资源，而煤炭、油气等化石资源缺乏，2003年全区煤炭产量只2.2万吨。
本地区电源以水电为主，2003年底装机总量380MW，其中水电296MW，地热电站30.2MW，其余为燃油电站，年用电量为7.11亿kWh，人均用电254.13kWh/年。
全区未通电乡40个，通电率80.95％；未通电村716个，通电率58.68％；未通电户6万户，通电率70.55％。
电力存在主要问题：
电厂设备陈旧，效率低；电网供电半径大，负荷密度低，网络投资大；电网结构薄弱，供电可靠性低；没有形成全区统一电网调供和管理。
2.青海地区：
国民经济概况：
2003年全区人口534万，全区面积，人口密度除东部较大外，其余地区仍是地广人稀。
2003年区内生产总值390.2亿元，人均7307元/年。
电源情况：
2003年全省装机容量4250MW，其中水电发受电量150.16亿kWh，人均用电2812.03kWh/年，但用电中的％主要是高耗能的工业用电（因为水电比例高，电价水平较低），生活用电的水平仍然十分低下。
2003年未通电乡有29个，通电率为93％；未通电村有626个，通电率为84.74％；为通电户有8万户，通电率为88.78％。
3.新疆南部地区：
国民经济概况：
2003年全区人口1934万人，面积，2003年区内生产总值1849.8亿元，人均9565元/年。
全区人口和工业都以北部地区比较发达，南部则有广大的塔克拉玛干大沙漠，地广人稀，有丰富的煤炭资源和石油、天然气资源。
2.世界太阳能发电技术的发展和状况
太阳能发电的方式有多种，主要有通过热过程的“聚热式太阳能热发电（CSP）”，包括塔式发电、抛物面聚光发电、太阳能烟囱发电、热离子发电、热光伏发电、温差发电等，和不通过热过程的“光伏发电（SPV）”、“光感应发电”、“光化学发电”及“光生物发电”等。
但目前真正应用的是两大类：
光伏发电和光热发电。
光伏发电是将太阳能直接转化为电能；光热发电是利用太阳能加热工作介质，工作介质在发电机组中作功由发电机组产生电能。
2.1光伏发电（SPV）
光伏发电是利用“光生伏打效应”，是目前最常用的太阳能发电技术之一。
太阳能光伏发电系统由两大部分组成：
太阳能电池系统和配套系统。
太阳能电池系统由太阳能电池方阵构成，太阳能电池方阵是由光伏组件（太阳能电池组件）串、并联组成的，而光伏组件是由单体太阳能电池串并联、封装后构成的。
配套系统主要包括控制器、逆变器等。
光伏发电系统可分为两大类，独立光伏发电系统和并网光伏发电系统。
独立光伏发电系统是指仅仅依靠太阳能电池供电的系统，或必要时可由其他电源作为补充。
并网光伏发电系统，是指太阳能电池发出的直流电，先经过逆变器变换成交流，再同电网的交流电合起来使用。
光伏发电的关键部件是太阳能电池，太阳能电池的特性也就决定了光伏发电的特点。
主要优点是：
1.结构简单，体积小且轻；2.易安装和运输，建设周期短；3.容易启动，维护简单，4.清洁、安全、无噪音；但缺点也是明显的，能量分散，占地面积大，间歇性大。
2.2光热发电（CSP）
光热发电主要包括五种型式：
塔式发电（powertowersystem）、槽式发电（troughsystem）、盘式发电（dishsystem）、太阳池发电（basinsystem）和热气流发电。
2.2.1塔式系统
塔式太阳能热发电系统也称集中型太阳能热发电系统。
它是利用众多的平面反射镜阵列，将太阳辐射反射到置于高塔顶部的太阳能接收器上，加热工质产生过热蒸汽，驱动汽轮机发电机组发电，从而将太阳能转化为电能。
塔式太阳能热发电站系统主要由4部分构成：
聚光装置、集热装置、蓄热装置和汽轮发电装置。
全世界的塔式发电系统见表2.1-1，最主要的是在美国的二座大型示范工程：
“太阳能1号”和“太阳能2号”，容量均为10MW。
“太阳能1号”从1982年到1988年共生产38000MWh电能。
“太阳能2号”为“太阳能1号”的改进型，在1996年投产，采用熔盐作为传热介质和热能贮存，可以在多云天气和晚上连续供电。
“太阳能2号”的成功运行，引起国际上的较大兴趣，特别在西班牙、埃及、摩洛哥和意大利。
已有一座40MW的塔式发电系统，采用热力贮存，可以一天24小时驱动15MW汽轮发电机，正在规划中。
在美国东南部沙漠中，计划建设30～50MW塔式电站。
第一座塔式电站投资在1亿美元左右，电价为15美分/kWh，在考虑规模效应和技术进步后，有可能降到7美分/kWh。
表2.1-1世界塔式发电系统
项目
国家
输出功率（MWe）
传热介质
存储介质
投运时间
SSPS
西班牙
0.5
液态钠
钠
1981
EURELIOS
意大利
1
蒸汽
硝酸盐/水
1981
SUNSHINE
日本
1
蒸汽
硝酸盐/水
1981
SolarOne
美国
10
蒸汽
油/岩石
1982
CESA-1
西班牙
1
蒸汽
硝酸盐
1983
MSEE/CatB
美国
1
熔硝酸盐
硝酸盐
1984
THEMIS
法国
2.5
高效盐
高效盐
1984
SPP-5
俄罗斯
5
蒸汽
水/蒸汽
1986
TSA
西班牙
1
空气
陶制品
1993
SolarTwo
美国
10
熔硝酸盐
硝酸盐
1996
2.2.2槽式系统
槽式太阳能热发电系统亦即槽式抛物面反射镜太阳能热发电系统，也称分散型太阳能热发电系统。
它是将众多的槽型抛物面聚光集热器，经过串并联的排列，从而可以收集较高温度的热能，加热工质，产生过热蒸汽，驱动汽轮发电机组发电。
槽式太阳能热发电站系统主要由4部分组成：
聚光集热装置、辅助能源装置、蓄热装置和汽轮发电装置。
从1985年～1994年间，在美国加州沙漠地区相继建成9座槽式太阳能电站，总容量354MW。
他们都需要25％的天然气能量的补充，以便提升太阳能产生的蒸汽的温度到汽轮机运行所需要的水平。
它的聚能较低，温度和效率较低，例如：
SEGSIX太阳能并网发电系统，当使用燃料汽轮机时，其发电效率为19％，但当使用独立太阳能汽轮机是，其发电效率只有12.9％。
但因其有十多年的运行经验和不断的技术改进，以及运行维护费的降低，从近期看，该系统造价有望降低。
表2.1-2列出美国SEGS1至9的系统特性。
表2.1-2
SEGS电站
投运时间
净功率（MWe）
集热温度（ºC/ºF）
集热器面积（m2）
太阳能发电效率（%）
天然气发电效率（%）
年净发电量
（MWh）
单独的太阳能发电至电网效率
I
1985
13.8
307/585
82,960
31.5
30,100
II
1986
30
316/601
190,338
29.4
37.3
80,500
III&IV
1987
30
349/660
230,300
30.6
37.4
92,780
V
1988
30
349/660
250,500
30.6
37.4
91,820
VI
1989
30
390/734
188,000
37.5
39.5
90,850
VII
1989
30
390/734
194,280
37.5
39.5
92,646
VIII
1990
80
390/734
464,340
37.6
37.6
252,750
IX
1991
80
390/734
483,960
37.6
37.6
256,125
12.9％
2.2.3盘式系统
一种类型的盘式太阳能热发电系统，以单个旋转抛物面集热盘和位于其
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