国际太阳能资源及太阳能热发电趋势

2011-1-3 12:44:00    来源：光伏太阳能网    作者：     浏览：380 次     

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摘要：介绍了国际太阳辐射能量的资源分布情况，论述了3种聚焦式太阳能热发电形式并说明3种热发电形式的特点和应用范围。阐明了国外太阳能热发电的蓬勃发展趋势，列出了近年已投产和即将建设的太阳能热发电机组目录。 　　太阳能热发电形式有多种，以光学聚焦方式将太阳辐射能转换为高温热能，驱动汽轮发电机组发电是常用的形式。主要发电方式有太阳能塔式、槽式和碟式发电系统。近些年，国际上太阳能热发电发展很快，技术研发和产品开发方面进步飞速，投产运行的太阳能热电站也不在少数，其中，以西班牙和美国的综合发展最为迅速。 　　一、国际太阳能资源分布 　　根据国际太阳能热利用区域分类，全世界太阳能辐射强度和日照时间最佳的区域包括北非、中东地区、美国西南部和墨西哥、南欧、澳大利亚、南非、南美洲东、西海岸和中国西部地区等。根据德国航空航天技术中心（DLR）的推荐，不同地区太阳能热发电技术和经济潜能数据及其技术潜能基于太阳年幅照量测量值大于6480MJ/m2，经济潜能基于太阳年幅照量测量值大于7200MJ/m2。 　　北非地区是世界太阳能辐照最强烈的地区之一。摩洛哥、阿尔及利亚、突尼斯、利比亚和埃及太阳能热发电潜能很大。阿尔及利亚的太阳年幅照总量9720MJ/m2，技术开发量每年约169440TW·h。摩洛哥的太阳年幅照总量9360MJ/m2，技术开发量每年约20151TW·h。埃及的太阳年幅照总量10080MJ/m2，技术开发量每年约73656TW·h。太阳年幅照总量大于8280MJ/m2的国家还有突尼斯、利比亚等国。阿尔及利亚有2381.7km2的陆地区域，其沿海地区太阳年幅照总量为6120MJ/m2，高地和撒哈拉地区太阳年幅照总量为6840～9540MJ/m2，全国总土地的82%适用于太阳能热发电站的建设。 　　南欧的太阳年幅照总量超过7200MJ/m2，这些国家包括葡萄牙、西班牙、意大利、希腊和土耳其等。西班牙太阳年幅照总量为8100MJ/m2，技术开发量每年约1646TW·h。意大利太阳年幅照总量为7200MJ/m2，技术开发量每年约88TW·h。希腊太阳年幅照总量为6840MJ/m2，技术开发量每年约44TW·h。葡萄牙太阳年幅照总量为7560MJ/m2，技术开发量每年约436TW·h。土耳其的技术开发量每年约400TW·h。西班牙的南方地区是最适合于建设太阳能能热发电站地区之一，该国也是太阳能热发电技术水平最高、太阳能热发电站建设最多的国家之一。 　　中东几乎所有地区的太阳能辐射能量都非常高，以色列、约旦和沙特阿拉伯等国的太阳年幅照总量8640MJ/m2。阿联酋的太阳年幅照总量为7920MJ/m2，技术开发量每年约2708TW·h。以色列的太阳年幅照总量为8640MJ/m2，技术开发量每年约318TW·h。伊朗的太阳年幅照总量为7920MJ/m2，技术开发量每年约20PW·h。约旦的太阳年幅照总量约9720MJ/m2，技术开发量每年约6434TW·h。以色列的总陆地区域是20330km2；Negev沙漠覆盖了全国土地的一半，也是太阳能利用的最佳地区之一，以色列的太阳能热利用技术处于世界最高水平之列。我国第1座70kW太阳能塔式热发电站就是利用以色列技术建设的。 　　美国也是世界太阳能资源最丰富的地区之一，根据美国239个观测站1961—1990年30年的统计数据，全国一类地区太阳年幅照总量为9198～10512MJ/m2，一类地区包括亚利桑那和新墨西哥州的全部，加利福尼亚、内华达、犹他、科罗拉多和得克莎斯州的南部，占总面积的9.36%。二类地区太阳年幅照总量为7884～9198MJ/m2，除了包括一类地区所列州的其余部分外，还包括犹他、怀俄明、堪萨斯、俄克拉荷马、佛罗里达、佐治亚和南卡罗来纳州等，占总面积的35.67%。三类地区太阳年幅照总量为6570～7884MJ/m2，包括美国北部和东部大部分地区，占总面积的41.81%。四类地区太阳年幅照总量为5256～6570MJ/m2，包括阿拉斯加州大部地区，占总面积的9.94%。五类地区太阳年幅照总量为3942～5256MJ/m2，仅包括阿拉斯加州最北端的少部地区，占总面积的3.22%。美国的外岛如夏威夷等均属于二类地区。美国的西南部地区全年平均温度较高，有一定的水源，冬季没有严寒，虽属丘陵山地区，但地势平坦的区域也很多，只要避开大风地区，是非常好的太阳能热发电地区。 　　澳大利亚的太阳能资源也很丰富。全国一类地区太阳年幅照总量7621～8672MJ/m2，主要在澳大利亚北部地区，占总面积的54.18%。二类地区太阳年幅照总量6570～7621MJ/m2，包括澳大利亚中部，占全国面积的35.44%。三类地区太阳年幅照总量5389～6570MJ/m2，在澳大利亚南部地区，占全国面积的7.9%。太阳年幅照总量低于6570MJ/m2的四类地区仅占2.48%。澳大利亚中部的广大地区人烟稀少，土地荒漠，适合于大规模的太阳能开发利用，最近，澳大利亚国内也提出了大规模太阳能开发利用的投资计划，以增加可再生能源的利用率。 　　我国的太阳能资源也十分丰富。我国700个气象站点的统计数据，有1961—1990年和1971—2000年2类统计结果。后期的统计显示，全国日照值低的地区辐照度有所降低，范围向东部沿海扩大，辐照值高的地区，辐照值略有提高。从全年太阳辐射总量的分布来看，我国太阳辐照强度最高的地方在青藏高原雅鲁藏布江流域一带，太阳年幅照总量达8820MJ/m2，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。全国一类地区太阳年幅照总量均大于6300MJ/m2，主要在西藏大部，新疆南部，青海、内蒙古、甘肃西部地区，占全国面积的17.4%。二类地区太阳年幅照总量为5040～6300MJ/m2，除东北地区以外的全国西部和西北地区，包括河北、山西、陕西、四川、云南的西北部分，海南岛西南部，占全国面积的42.7%。三类地区太阳年幅照总量为3780～5040MJ/m2，包括东北全部、华中、东部沿海、台湾大部地区等，占全国面积的36.3%。四类地区太阳年幅照总量为3780～5040MJ/m2，包括四川中部、贵州北部、湖南西北部等，占全国面积的3.6%。 　　二、太阳能热发电形式 　　在常规的3种太阳能热发电形式中，碟式系统利用抛物面镜将太阳光聚焦到接收器内，传热工质被加热到750℃左右，驱动发动机进行发电。由于碟式反射镜跟踪太阳运动，克服了塔式系统的余弦损失，又因为碟式系统的聚光比很高，通常为500～2000，聚光表面温度可达到1200～1800℃，因而聚光和光热转换效率提高，系统效率可达30%。碟式系统的不足之处是镜面面积不可能做很大，因此，碟式系统的单机功率一般为1～30kW。 　　槽式系统以线聚焦方式，利用槽式抛物面聚光镜将太阳光聚焦到管状集热器上，加热带有真空玻璃罩的管内工质，工质可以用水或导热油。集热管随着柱状抛物面反射镜一起跟踪太阳。由于结构原因，槽式系统聚光比一般为50～150，其介质温度一般为300～450℃，目前，国外也有介质温度达到550℃的应用。槽式系统可采用并联方式，将加热的介质集中，因此，单机容量可以较大，不足之处是聚光比较低，集热管散热面积大，因而系统总效率较低，技术难点在于高温集热真空管的加工和制造。 　　塔式系统是在地面建立1座集热塔，塔顶安装集热器，集热塔周围安装一定数量的定日镜，定日镜将太阳光聚集到塔顶集热器腔体内，通过加热工质产生高温蒸汽，推动汽轮机组发电，工质可以用水或熔融盐。由于集热塔周围可以安装较多的定日镜，因而其聚光比可以很高。塔式系统聚光比一般为200～1000，当塔式系统聚光比为1000时，集热器受光面中心温度可达1200℃以上。通过光热转换产生蒸汽，推动汽轮发电机组发电。采用塔式系统虽然聚光效率受余弦损失影响，但提高介质温度、增大单机容量大大提高了单机效率，因而整体效率要高于槽式系统。塔式系统的这一优势对太阳能热发电的经济运行和实际应用具有重要意义。 　　因此，太阳能热发电从技术角度可分为2类，一类是发电形式不依赖规模的系统（如碟式太阳能热发电装置），适用于分布式能源系统；另一种是依赖于规模化的热发电系统（如槽式系统、单塔和多塔系统），其介质参数越高，单机容量越大，系统效率就越高，发电成本越低。 　　三、太阳能发展规模动态 　　大规模的太阳能热发电应用始于美国的加州，而新开发地区大部分在南欧、北非和中东地区，这些地区具有丰富的太阳能辐射资源，便宜的土地和电量需求。 目前已经投产和在建的太阳能热发电项目名称、装机容量及技术形式见表1、表2、表3、表4。  　　根据国际太阳能工业联合会的资料，全球太阳能热发电已投入商业运营的有500MW，在建项目1200MW，已经签订PPT购电协议的3200MW。截止到2009年3月，美国太阳能热发电已经投入商业运行的有419MW，全部为槽式太阳能热发电站系统。已列入计划（部分正在建设中）的机组容量6090MW，其中：太阳能塔式发电1845MW，占30.3%；碟式发电2114MW，占34.7%；槽式发电2114MW，占34.7%；其他形式的热发电380MW，占3.6%。 　　从1985年始，美国在加州沙漠地区相继建成了9座太阳能槽式热发电站，总容量达354MW，年发电量近1.1GW·h，电站系统效率为11.5%～13.6%。美国的内华达太阳#1电站是国际上具有代表性的槽式系统，镜场面积35.7