作者簡(jiǎn)介：Juergen Peterseim博士2003年獲得工程學(xué)位，在熱量回收、生物質(zhì)能、多燃料混合電站和光熱發(fā)電領(lǐng)域具有多年工作經(jīng)驗(yàn)。2014年在悉尼科技大學(xué)獲得博士學(xué)位，主要研究方向?yàn)楣鉄岚l(fā)電混合電站技術(shù)。

光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)一直以來在尋求提升其市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，并為此作出了多方面的努力，包括提升系統(tǒng)組件裝備的產(chǎn)品性能和效率，降低其成本，拉低其寄生性消耗，提高系統(tǒng)運(yùn)作效率等。

在過去幾年內(nèi)，通過上述一系列的嘗試和努力，光熱發(fā)電的成本和技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)力已有明顯提升，但在其他可再生能源成本以更快的速度下跌的背景下，光熱發(fā)電需要更快地提升其競(jìng)爭(zhēng)力的路徑。

提高蒸汽參數(shù)是提升以蒸汽朗肯循環(huán)為理論基礎(chǔ)的蒸汽系統(tǒng)發(fā)電經(jīng)濟(jì)性和系統(tǒng)循環(huán)效率的可行選擇。目前大多數(shù)的發(fā)電廠為亞臨界發(fā)電系統(tǒng)，蒸汽參數(shù)約在565攝氏度和160bar左右。但超臨界發(fā)電廠正逐漸走向主流，一般定義超臨界發(fā)電是可以達(dá)到620攝氏度和280bar的高運(yùn)行蒸汽參數(shù)的系統(tǒng)。

光熱發(fā)電和傳統(tǒng)火電的原理類似。那么，將超臨界發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于光熱發(fā)電領(lǐng)域是否可行呢?

全球首個(gè)超臨界火電廠建于1950年代晚期，發(fā)展至今，該項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)日趨成熟。但將其應(yīng)用于光熱發(fā)電領(lǐng)域還存在一些障礙，如汽輪機(jī)規(guī)模太小無法匹配超臨界發(fā)電(一般的超臨界汽輪發(fā)電機(jī)的規(guī)模都在250MW以上，而光熱發(fā)電的單機(jī)裝機(jī)規(guī)模還不宜如此之大)、光熱發(fā)電的集熱溫度難以實(shí)現(xiàn)600攝氏度以上的超臨界蒸汽溫度(主要是由于工質(zhì)的溫度上限低于600攝氏度)等。

但超臨界發(fā)電確實(shí)是可以顯著提高光熱發(fā)電的系統(tǒng)效率，降低其發(fā)電成本的方案，是值得推進(jìn)研究的一個(gè)重點(diǎn)方向。

澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織CSIRO是對(duì)超臨界光熱發(fā)電技術(shù)進(jìn)行較多研發(fā)的一個(gè)機(jī)構(gòu)。其在一個(gè)小型的示范系統(tǒng)上進(jìn)行了塔式超臨界發(fā)電的試驗(yàn)示范，蒸汽參數(shù)接近達(dá)到超臨界狀態(tài)，但要達(dá)到可以商業(yè)化的250MW的超臨界最低裝機(jī)規(guī)模要求，仍有很長(zhǎng)距離要走。

如果要將這樣一個(gè)超臨界光熱電站配置儲(chǔ)熱系統(tǒng)，需要儲(chǔ)熱工質(zhì)的溫度更進(jìn)一步地提升，而不是目前常見的工作溫度550攝氏度上限的熔鹽產(chǎn)品。雖然有研究表明有的熔鹽產(chǎn)品可以達(dá)到700攝氏度的運(yùn)行溫度，但這種產(chǎn)品尚未進(jìn)行規(guī)?；虡I(yè)化的應(yīng)用，其可行性尚不確定。

槽式和菲涅爾技術(shù)的聚光比較低，實(shí)現(xiàn)超臨界蒸汽狀態(tài)的可行性不大，碟式技術(shù)不適宜采用水作工質(zhì)且單機(jī)規(guī)模過小。因此，最易實(shí)現(xiàn)超臨界發(fā)電的首推塔式技術(shù)。

為了證明超臨界塔式光熱發(fā)電技術(shù)的商業(yè)化可行性，產(chǎn)業(yè)界需要首先認(rèn)識(shí)到超臨界可以給光熱發(fā)電帶來的影響，以一個(gè)裝機(jī)250MW、帶7小時(shí)熔鹽儲(chǔ)熱和一套蒸汽再熱器的、配置空冷系統(tǒng)的塔式光熱電站為例，我們經(jīng)分析后可以得出以下分析結(jié)果：

情景1：目前的亞臨界蒸汽朗肯循環(huán)發(fā)電站的蒸汽溫度為545攝氏度，壓力165bar。光熱電站目前已經(jīng)可以達(dá)到這種亞臨界狀態(tài)，類似的這種250MW級(jí)的電站已經(jīng)在規(guī)劃建設(shè)中。

情景2：塔式集熱系統(tǒng)將蒸汽加熱至280bar和545攝氏度的過熱蒸汽，再采用天然氣加熱至620攝氏度達(dá)到超臨界狀態(tài)，這種方案在今天也可以被應(yīng)用，如阿聯(lián)酋的Shams1項(xiàng)目中就采用了類似的方案，但前提是項(xiàng)目所在地的天然氣資源足夠廉價(jià)。

情景3：采用運(yùn)行溫度更高的新型熔鹽介質(zhì)，直接利用聚光集熱場(chǎng)將蒸汽過熱達(dá)到超臨界狀態(tài)。這種方案囿于不具有可商業(yè)化應(yīng)用的成熟的熔鹽產(chǎn)品，尚無部署。有待可在700攝氏度下穩(wěn)定運(yùn)行的低成本熔鹽產(chǎn)品出現(xiàn)后予以應(yīng)用。

情景2中提到的超臨界光熱發(fā)電廠建設(shè)方案可以達(dá)到凈系統(tǒng)循環(huán)效率43.9%的發(fā)電效率，情景3提到的方案則可以實(shí)現(xiàn)44.2%的效率，情景1提到的亞臨界發(fā)電方案的效率可達(dá)到41.3%。由此可見，超臨界發(fā)電可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)發(fā)電效率的大幅提升，帶來度電成本上的削減。

采用上述不同的超臨界方案，光場(chǎng)建設(shè)面積也會(huì)有所不同，如下圖所示，情景1需要配備“黃色”的光場(chǎng)，情景2需要配備“藍(lán)色”的光場(chǎng)，情景3需要配備“綠色”的光場(chǎng)。

需要解釋的是，雖然情景2和情景3兩種方案帶來的蒸汽參數(shù)是一樣的，兩者的系統(tǒng)效率卻不同，這是因?yàn)榍榫?配置了燃?xì)廨o助加熱系統(tǒng)，可能帶來額外的熱量損失，因此造成系統(tǒng)效率低于情景3的直接過熱方案。而如果將情景3的蒸汽溫度過熱至700攝氏度、350bar的更高溫度區(qū)間上，則可以提高系統(tǒng)效率至約45.6%。

假設(shè)上述案例電站在2025年建成，以目前的光熱發(fā)電成本下降速度，屆時(shí)采用情景2方案的電站可以實(shí)現(xiàn)最低430萬美元/MWe的投資成本(以一定價(jià)格的天然氣計(jì)算)，情景3和情景1分別可以實(shí)現(xiàn)470萬美元/MWe和490萬美元/MWe的投資成本。采用情景2方案的電站的度電投資成本因受制于燃?xì)鈨r(jià)格的影響，其可能存在較大波動(dòng)。

50MW甚至100MW級(jí)的超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組還沒有得到實(shí)際應(yīng)用，要建設(shè)這種較小規(guī)模級(jí)的超臨界光熱電站，可以采用與燃煤電站互補(bǔ)的方案。圖示的塔式光熱燃煤混合發(fā)電項(xiàng)目為一個(gè)規(guī)模為100MWe的塔式電站，帶5小時(shí)儲(chǔ)熱系統(tǒng)，與一個(gè)2GWe的燃煤電站進(jìn)行互補(bǔ)發(fā)電。這種發(fā)電方式不僅可以降低成本，還能削減投資風(fēng)險(xiǎn)。其發(fā)電系統(tǒng)可以與燃煤發(fā)電共用。

提高蒸汽參數(shù)使其達(dá)到超臨界狀態(tài)可以提高系統(tǒng)效率并降低LCEO，這是一條值得繼續(xù)深入探索研究的可行之道，雖然目前其還受制于工質(zhì)的工作溫度，以及規(guī)模上的限制。超臨界發(fā)電在燃煤發(fā)電領(lǐng)域目前已經(jīng)有成熟的工程經(jīng)驗(yàn)，并正在向超超臨界火電擴(kuò)張，在突破一些硬性的障礙和瓶頸后，這些經(jīng)驗(yàn)也可以被復(fù)制并很好地應(yīng)用于光熱發(fā)電系統(tǒng)，提高光熱發(fā)電的競(jìng)爭(zhēng)力。