全面提高發電效率&降低成本?來看看塔式光熱電站如何做到

北極星太陽能光伏網訊:作為主流的光熱發電技術路線之一，塔式光熱發電近年來備受關注。相比成熟的槽式技術，塔式光熱發電有著更高的熱效率和聚光比，地形要求較低等優勢，但也有著風險高、技術成熟度缺乏驗證，控制系統複雜等不足。

目前國際上常見的塔式技術以熔鹽為傳儲熱介質的熔鹽塔式、和以水工質為傳熱介質的水工質塔式技術為主，而其中熔鹽塔式有著能夠大規模儲能的優勢而備受青睞。

無論如何，對於業主來說，穩定的發電量和低風險才是他們所追求的。公開資料顯示，美國的Ivanpah電站和CrescentDunes電站都遇到了發電量不達預期的問題，這也是當前塔式技術的一大困難。

塔式光熱發電系統原理示意圖

那麼，為了降低風險，彌補自身不足，塔式光熱發電未來的發展和優化方向在哪裡呢？

一、光場系統

無論哪種技術的優化，其目的都是為了提高發電量的同時降低發電成本。

目前來看，光場（定日鏡系統+吸熱器）在光熱發電中投資佔比最高，也是未來成本下降空間最大的一環。

南非塔式電站成本構成明細，15h儲熱為例（來源：Fichtner，2010）

1、定日鏡的優化方向可分為尺寸、形狀、結構、數量、反射材料等

定日鏡大小目前沒有統一定論，從亮源公司15m2的小定日鏡到SENER公司178m2的大定日鏡都可見於塔式電站中；

多以矩形為主，但也有其他形狀，如哈密項目所用的Helios五邊形定日鏡就是該型定日鏡的首次商業化運用。

結構方面，定日鏡普遍都呈T型，以鋼結構為支撐玻璃基底的平面鏡，近年也有研究新型軌道式定日鏡，這種反射鏡能夠貼地安裝，降低安裝成本；

而反射材料則可以更輕便的高分子聚合物薄膜代替傳統的重型玻璃基底平面鏡，大大降低了驅動單元的成本，若加入更高反射率薄膜則能夠進一步提高反射率。

不同類型的定日鏡採光面積（來源：ThomasTelsnig，2017）

2、定日鏡布局對於光場也至關重要

定日鏡反射太陽輻射的過程中會有損失，包括餘弦損失、陰影和遮擋損失、大氣衰減損失和截斷損失。其中，餘弦損失、大氣衰減損失和吸熱器的截斷損失與定日鏡所在的坐標位置有關，陰影和遮擋損失則多見於相鄰定日鏡之間。

定日鏡反射太陽輻射的損失

通常來說，定日鏡整體布局受到吸熱塔高度、定日鏡位置、和吸熱器類型的影響。常見的定日鏡布局有橢圓形、扇形、圓形等。除此之外，還有螺旋布局，放射性布局等。無論哪種布局，最終的目的都是降低用地成本，減少太陽輻射的損失，增加單位面積產能。

以HFLCAL光場優化布局軟體為例，定日鏡布局優化邏輯為：

3、光場內部無線控制系統優化

另外，為了削減繁雜的定日鏡通訊和電力線纜，光場內部無線控制系統的發展也值得關注。美國亮源在以色列的Ashalim塔式電站就採用了自己的無線通訊控制系統，簡化了大量的線纜布局。而為了節省定日鏡所耗費的電力，也可利用光伏+蓄電池來解決定日鏡自用電。

二、熱力循環

從熱力循環模式的優化角度來考慮，未來塔式的優化方向可能朝向更高溫度、更高效率的新型技術路線發展。

根據美國能源部計劃的第三代太陽能熱發電技術路線，為達到更低的平準化電力成本LCOE（6美分/度電）和更高的熱力循環效率（50%以上），最理想化的是採用超臨界二氧化碳布雷頓循環體系，以取代當前傳統的蒸汽朗肯循環體系。

對於這種循環，僅需太陽島提供500~800攝氏度的熱源即可，有三種路線可實現：

1、利用新型熔鹽介質實現720度以上的溫度，但這對管路、吸熱器等設備的材料有極大的挑戰。目前對這方面的熔鹽介質特性研究還不夠全面，需要考慮在如此高溫下對設備管路的腐蝕、耐久度、成本等問題。

2、利用固態顆粒作為傳熱介質以實現高溫，目前陶瓷顆粒具有低成本、高吸收率、耐久度高等特點，被視為良好的材料。固態顆粒能夠提供極高的溫度，以滿足超臨界二氧化碳布雷頓循環體系需要的熱源溫度。這種方式的挑戰在於如何高效地加熱固態顆粒，防止管道的腐蝕，以及需要考慮泵閥控制和顆粒輸送等問題。

3、利用來氣體作為熱源來實現。這種模式往往採用間接儲熱，利用氣態傳熱介質加熱相變材料或固態顆粒進行熱能存儲，同時也需要吸熱器能夠承受高溫氣體的壓力。

美國SUNSHOT計劃預期達到的CSP成本目標（來源：美國能源部Sunshot計劃）

除此之外，電站整體系統設計、管道的優化設計、傳熱儲熱島的優化、汽輪機的高效利用、運行維護方式等措施都能夠進一步提高塔式技術的效率。

相信通過這些舉措，未來塔式光熱電站的可靠性和發電量將進一步提升，達到更高的熱電轉化效率，同時大幅降低成本，加強光熱發電在未來能源電力系統中的普遍適用性。

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