太阳能光热发电技术现状和发展趋势杜保志

太阳能光热发电技术现状和发展趋势杜保志

杜保志

（中钢设备有限公司北京100080）

摘要：在能源与环境问题日趋严峻的今天，很多国家都对再生能源发电技术进行了研究和实践，其中太阳能发电是新能源利用的一种有效方式，发电技术也取得了一些成果。太阳能发电包括太阳能光伏发电和太阳能光热发电。目前，太阳能光伏发电技术日趋成熟，达到了商业使用所要求的能级。其优点是设备简单易行，但也有着电能难以储存，太阳光不稳定对电网产生冲击的缺点；而太阳能光热发电可与储热系统结合，从而实现连续发电，并且稳定性高，兼容性强，便于调节。随着人类对清洁能源的需求，太阳能光热发电技术将会得到更加深入的发展。

关键词：太阳能；光热发电；CPS；现状；发展趋势

引言

太阳能光热发电，也叫聚焦型太阳能热发电（ConcentratingSolarPower，简称CSP），通过大量反射镜以聚焦的方式将太阳能直射光聚集起来，加热储热介质，通过换热装置提供蒸汽，结合传统汽轮发电机的工艺，从而达到发电的目的。采用太阳能光热发电技术，避免了昂贵的硅晶光电转换工艺，可以大大降低太阳能发电的成本。而且，这种形式的太阳能利用还有一个其他形式的太阳能转换所无法比拟的优势，即太阳能所产生的热量可以储存在巨大的容器中，在太阳落山后几个小时仍然能够带动汽轮发电。此外，光热发电设备生产过程绿色环保，光热发电产业链中基本不会出现光伏电池板生产过程中的高耗能、高污染等问题，这也是其他发电方式不可比拟的优势。因此，太阳能光热发电是战略性的可再生能源技术，是未来重要的清洁替代能源。

1太阳能发电技术现状

太阳能发电技术主要包括太阳能光伏发电和太阳能光热发电两种，光伏发电的原理是当太阳光照射到太阳能电池上时，电池吸收光能，产生光生伏打效应，在电池的两端出现异号电荷积累。若引出电极并接上负载，便有功率输出。光热发电在我国发展时间较短，在太阳能聚光方法及设备、高温传热储热、电站设计等集成以及控制方面，已经取得实质性进展，但商业化业绩较小。但太阳能光热发电与光伏发电相比具有以下优点：

1.1太阳能光热发电输出电力稳定，电力具有可调节性，易于并网

目前太阳能光热发电系统可以通过增加储热单元或通过补燃或与常规火电联合运行改善出力特性。而光伏发电受日光照射强度影响较大，上网后给电网带来较大压力，其发电形式独特，和传统电厂合并难度大。

通过白天储热，晚间再用热量释放发电，这样可以实现连续发电，保证电流稳定，避免了光伏发电难以解决的入网调峰问题。

1.2太阳能光热发电无污染

光热发电是清洁生产过程，基本采用物理手段进行光电能量转换，对环境危害极小。而光伏发电，太阳能电池在生产过程中对环境的损耗较大，是高能耗、高污染的生产过程。

2太阳能光热技术现状及应用

根据聚光方式的不同，光热发电技术主要分为：塔式、槽式、碟式和线性菲涅尔。其中目前应用较为广泛为槽式、碟式和塔式三种典型的太阳能光热发电方式。

三种系统目前只有槽式线聚焦系统实现了商业化，其他两种处在示范阶段，有实现商业化的可能和前景。三种系统均可单独使用太阳能运行，安装成燃料混合（如与天然气、生物质气等）互补系统是其突出的优点。

就几种形式的太阳热发电系统相比较而言，槽式热发电系统是最成熟，也是达到商业化发展的技术，塔式热发电系统的成熟度目前不如抛物面槽式热发电系统，而配以斯特林发电机的抛物面盘式热发电系统虽然有比较优良的性能指标，但目前主要还是用于边远地区的小型独立供电，大规模应用成熟度则稍逊一筹。应该指出，槽式、塔式和盘式太阳能光热发电技术同样受到世界各国的重视，并正在积极开展工作。

2.1槽式聚光发电系统

槽式聚光是利用抛物线的光学原理，聚集太阳辐射能。抛物线纵向延伸形成的平面称为抛物面，它能将平行于自身轴线的太阳辐射汇聚到一条线（带）上，提高能量密度，易于利用。在这条太阳辐射汇集带上布置有集热管，用来吸收太阳能，并将其转化为热能。目前的集热管一般为真空式玻璃集热管。集热管由外部的玻璃管和内部的西热管构成，两管之间空隙抽真空阻止热量损失。吸热管有不锈钢制成，内部有工质流动，在不锈钢管的表面涂有黑色的吸热薄膜，薄膜对太阳光有较高的吸率，同时在红外波普段有较低的发射率，这样就能够有效地吸收太阳能。槽式太阳能聚光系统的聚光比为20到80，以油为导热流体的聚热，温度最高为300到400℃，以混合硝酸盐为导热流体最高能使集热温度达到550℃，后者对于提高发电效率而言更具有优势，但是总的发电效率还是较低。

从20世纪八十年代开始，世界上很多国家都开展了槽式太阳能聚光发电系统的研究和建设。目前，美国、以色列、澳大利亚、德国等国家是太阳能利用大国，也是槽式太阳能热发电技术强国。

2.2碟式太阳能发电系统

碟式太阳能热动力发电系统的采用碟式聚光这种形式，碟式聚光系统的太阳辐射反射面布置成碟（盘）形，聚光比可以达到3000以上，因此能在焦点处产生很高的温度，比其它两种热发电方式的聚光温度都要高，运行温度能够达到750-1500℃，因此它可以达到最高的热机效率。碟式太阳能发电系统的热电转化装置主要采用斯特林机作为原动机。和槽式太阳能发电系统一样，也需要有储能装置、蓄电池和补充能源。

与槽式太阳能聚光发电方式相比，碟式斯特林光热发电技术的最大优势即效率高，但其未能获得商业化应用的最大障碍则是成本比较高，所以还没用投入到商业应用，暂时处在示范实施阶段。国外已有多座碟式太阳能热发电站或示范系统建成并成功运行。美国、西班牙、德国等国家分别建立了从9~25kW的发电系统并且成功运行。

总的来说碟式集热发电方式还处在初期阶段，但是因为其效率较高，所以很多国家都比较重视，积极开展相应的研究活动。

2.3塔式太阳能发电系统

塔式太阳能发电系统由定日镜群、接收器、蓄热装置、主控系统和发电系统5个部分组成。在地面上布置大量的定日镜，一种自动跟踪太阳的球面镜群。在这一群定日镜中的适当位置建立一座高塔，高塔顶上安装接收器。各定日镜均使太阳光聚集成点状，集中射到热接收器上，使接收器的传热介质达到高温，并通过管道传到地面上的蒸汽发生器，产生高温蒸汽，由蒸汽驱动汽轮发电机组发电。

接受器是塔式太阳能发电系统的重要组成部分，根据采用的导热介质的不同，目前可以分为外部受光型和空腔型。

外部受光型接受器的一些技术类似于太阳能集热管，但是它的工作温度非常高，体积也很庞大，这种接收器可四周受光，多用在大型太阳能系统中，其缺点是热管直接暴露而产生热量散失。能否像普通集热器那样加上玻璃外套，事实上很困难，因为接收器体积太大。

空腔型即腔体式接收器，用耐高温材料制成的空腔，空腔一面开口装有透光好、耐高温的石英玻璃，腔内壁有金属网以增大吸热与交换面积。封闭的内腔似绝对黑体，吸热性能很好，会聚的阳光透过石英玻璃窗口能在腔内产生很高温度，传热的工作介质（一般用高压空气）通过腔内被加热成1000多度的高温气体输出。由于腔体有保温层，故热损失小，空气价格又便宜，但空气热容量小、导热系数低，如何高效传热是主要的技术问题。腔体式接收器多是只有一面开窗的，故接受阳光的角度是有限的，一般不超过120度。

资料来源：中国产业信息网整理

3太阳能光热发电产业发展趋势

在全球可再生能源蓬勃发展的当下，随着光伏和风电装机容量不断提升、发电成本不断下降，以及蓄电池价格的持续削减，为了保持光热发电竞争力，充分发挥其储能和调峰优势，光热开发商们开始日益注重电站的性能改善、标准化以及通过大规模部署以降低发电成本。国际可再生能源机构（IRENA）预测，至2025年，槽式光热发电技术将下降至90美元/MWh，塔式光热发电技术的成本将下降至80美元/MWh。到2050年CSP能够占8％～11.8％，这意味着到2050年CSP装机容量将达到830GW，每年新增4lGW。IRENA还指出，尽管光热发电现在还处于初级发展阶段，当前的发电成本要比化石能源高，但是随着技术不断进步和相关组件成本的不断降低，未来光热发电技术将非常有竞争力，特别是在融资成本较低的情况下。

尽管我国太阳能光热发电起步相对较晚，但从目前的形势来看，随着太阳能光热发电示范项目和标杆上网电价重磅出台，我国光热发电已经开启新的历史转折。

根据国家能源局《太阳能利用“十三五”发展规划（征求意见稿）》，“十三五”光热装机规模到2020年完成10GW。按当前光热电站建设每瓦30元的造价水平，短期1GW示范项目对应300亿元投资市场规模，而到2020年的10GW目标对应的总市场容量接近3000亿元，考虑造价成本的降低因素，空间也可超千亿元，我国光热发电已经开启新的历史转折。

按照国际能源署预测，中国光热发电市场到2030年将达到29GW装机，到2040年翻至88GW装机，到2050年将达到118GW装机，成为全球继美国、中东、印度、非洲之后的第四大市场。以此推算，未来中国光热市场有望撬动一万亿级资金。确信在我国政府和企业的共同努力下，太阳能光热发电产业必将在我国能源利用中发挥越来越重要的作用，未来发展前景广阔。

结语

总得来说太阳能热发电技术将会向着低成本、大规模的方向快速发展。将在人类未来的能源结构中占有举足轻重的地位。

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