太阳能热发电应用前景与技术发展趋势分析

曾乐才

（上海电气集团股份有限公司 中央研究院，上海200070）

太阳能热发电应用前景广阔。本文阐述了太阳能热发电的特点，介绍了国内外的太阳能利用动态及太阳能热发电的利用前景，分析了太阳能热发电技术的发展趋势。

1 太阳能热发电及主要特点

1.1 太阳能热发电主要形式

太阳能利用的基本方式有2种：① 光伏发电；② 太阳热利用。按照温度区分，太阳能利用可分为中低温利用和高温利用。其中，中低温利用主要包括太阳能热水器、太阳能建筑、太阳能制冷供暖、太阳能海水淡化、太阳能工农业供热系统等；而高温利用主要包括太阳能热发电、太阳能热化学制燃料、太阳能煤制油等［1］如图1所示。

图1 太阳能利用的基本方式

太阳能热发电是将太阳能转换为热能，通过热－功转换过程发电的系统。除了与常规火力发电类似的热—功转换系统外，太阳能热发电首先还有一个光—热转化的过程。太阳能热发电站一般由聚光集热系统、储热系统和热—功—电转换系统组成。太阳能热发电主要技术有3种：太阳能抛物面槽式发电、太阳能塔式发电、太阳能碟式－斯特林发电。将槽式抛物面线性离散化，槽式发电可转变为线性菲涅耳式发电，如图2所示。

图2 太阳能热发电主要形式

1.2 太阳能热发电主要特点

太阳能热发电的一个主要优势是电力品质好，可担当基础电力负荷。太阳能热发电可以采用相对经济的储热系统（见图3），实现如下功能：① 容量缓冲；② 电力输出可控性；③ 电力输出平稳；④ 提高年利用率，增加满负荷发电时数；⑤ 提高太阳能热发电站的有效性，降低发电成本。研究显示，一座带有储热系统的太阳能热发电站，年利用率可以由无储热的25%提高到65%以上；因此，储热技术是太阳能热发电与光伏发电等其他可再生能源发电竞争的一个关键要素。利用长时间储热系统，太阳能热发电可以在未来满足基础负荷电力场的需求。

图3 太阳能热发电储热作用示意图

2 太阳能热发电应用前景与动态

2.1 太阳能热发电可开发前景

影响太阳能热发电可开发量的主要因素包括太阳法向直射辐射（Direct Normol Imidiance，DNI）、地形、土地资源、水资源和建设地区电网基础设施等，其中DNI值与地形被认定为是太阳能热发电宏观经济开发量评估的决定因素。DNI是在给定位置测量表面垂直于太阳光线时，太阳辐照在时间上的累积，适宜建设太阳能热发电站的理想地区的DNI应大于1 800kW·h／（m2·a）。不同太阳能热发电形式对地形要求不尽相同。槽式和线性菲涅尔发电要求地面坡度在3%以下；塔式每台定日镜都是单独的“个体”，对坡度要求较为宽松，可以适合5%～7%以下的地面坡度；碟式单机规模较小，对坡度的要求更低。若土地坡度要求分别按小于3%和5%估算，则全球太阳能热发电经济可开发装机容量约为791TW和988TW，可开发的发电量约为1 977PW·h／a（2 472PW·h／a）。远大于目前全球实际用电需求（2011年全球发电量为22.17PW·h），其中，中国太阳能热发电经济可开发量约为35.71TW。按测算，360km×360km的沙漠（全球沙漠的0.31%）可装机10 000GW，年发电25 000TW·h，可满足全球至2050年50%的用电需求。按可输送距离3 000km计算，全球绝大部分人口的电力需求可以通过发展太阳能热发电得到满足［2］，如图4所示。

图4 全球太阳能热发电应用前景示意图

太阳能热发电站需要在蒸汽轮机循环的冷端进行制冷（碟式／斯特林发电除外），可以采用水冷技术，塔式、槽式发电用水量分别为2.27、3.02m3／MW·h（碟式用水较少约0.075 7m3／（MW·h）），但全球绝大多数太阳能丰富地区都面临水资源缺乏的问题，因此水资源是太阳能热发电发展的主要制约因素。如果采用空冷技术，太阳能热发电站的用水量会大幅降低，约为0.299m3／（MW·h），但同时也将导致投资成本上升7%～9%以及发电量减少约5%。

2.2 全球太阳能热发电站建设情况

至2011年7月，全球已投入运行的太阳能热发电站（包括示范电站）为42座（见表1），装机容量1 394.3MW。其中，西班牙境内共有21座太阳能热发电站，约占总装机容量的61.1%；美国境内共有17座太阳能热发电站，约占总装机容量的36.5%。另外，德国、以色列、意大利和埃及境内分别有一座太阳能热发电站。

表1 全球已投运太阳能热电站

目前国际经验显示，建设一座50MW无储热或一座30MW带6h储热的太阳能热发电站（槽式或塔式）需要占地约1平方公里。

在西班牙建成的50MW无储热槽式电站，（DNI为2 100kW·h／（m2·a）），总投资2.543亿欧元，单位投资成本为5 086欧元／kW，如表2所示。国内50MW无储热槽式电站总投资约需10亿人民币，单位投资成本为20 257元／kW，相当于2 250.8欧元／kW。但目前国内还没有实际的槽式太阳能热发电工程，槽式电站还不具备商业化生产能力，聚光场建设费用占比较高（约为62%）。

表2 西班牙50MW槽式电站投资项目成本

2.3 太阳能利用的国内外动态

美国能 源 部 （U.S.Department of Energy Office，DOE）将聚焦式太阳能（Concen－trated Solar Power，CSP）定作基础负荷电站。根据美国政府的新能源战略，到2012年确保10%的电力来自可再生能源，2025年达到25%，太阳能热发电将成为增长最快的可再生能源。美国加州规划到2030年，加州太阳能热发电占可再生能源的40%，为光伏发电的400%，目前，在加州能源局处于审批公示阶段中的CSP装机容量已达24GW。

欧洲计划投资4 000亿欧元在非洲撒哈拉大沙漠建造世界最大的太阳能热发电厂项目［3］；2009年10月30日，欧洲沙漠CSP行动计划合资公司在慕尼黑正式成立，计划3年内出台可行的具体项目方案，10年后正式开始供电，2050年向欧洲提供15%的用电。参与项目的跨国公司有德国最大银行德意志银行、国际电子巨头西门子公司等。环地中海可再生能源电力均架如图5所示。

中国“863”项目“十一五”重点支持1MW塔式太阳能热发电示范工程建设，青海与西藏已分别批准立项，在格尔木、拉萨分别建设100MW和50MW塔式热发电站。在国家科技部引导下成立了太阳能光热产业技术创新战略联盟，见图6所示。

图5 环地中海可再生能源电力构架图

图6 中国太阳能光热产业技术创新战略联盟

2.4 全球热发电装机增长预测

全球太阳能热发电在经历了20世纪90年代的停滞期，2007年之后重新进入加速发展阶段（见图7）。预计到2014年，全球装机将接近15GW［4］。

图7 全球太阳能热发电装机预测

通过规模建设、技术改进、降本增效，太阳能热发电成本将大幅度降低，预计到2020年成本将下降35%～50%，2012—2025年热电成本总体趋势预测如图8所示。

图8 太阳能热发电降本趋势

约至2020年，全球太阳能热发电有望进入大规模应用时代。全球太阳能发展趋势如图9所示。

图9 全球太阳能热发电发展阶段

3 太阳能热发电技术发展趋势

3.1 高参数、高效率

系统效率与集热温度密切相关，如图10所示。通过增大聚光比，提升集热温度，可以有效提高系统效率；因此，太阳能热发电技术总体朝高参数、高效率方向发展。

图10 太阳能热发电系统效率与集热温度

3.2 塔式将成为主流技术

在已运行的太阳能热发电站中，抛物面槽式技术是应用最多的技术形式，约占总装机容量的87.9%（见图11）。美国SEGS是世界首座槽式太阳能热发电站，建于20世纪80年代，已持续盈利运行至今。槽式太阳能热发电技术被证明是目前世界上最成熟的太阳能热发电技术，投资风险系数相对较小。

图11 太阳能热发电电站技术形式

截至2011年7月，国外正在建设中的太阳能热发电站的装机容量约为2.747GW，槽式和塔式两种技术形式的应用比例已开始拉近，分别为49.2%和42.5%，主要原因是塔式系统的聚光比高于槽式系统，故塔式系统可以进行更高温度的运行，从而产出更高的系统效率以及更多的电力。

国家“863”项目“1MW塔式太阳能热发电示范工程”重点推进塔式太阳能热发电关键技术的研发，建立实验系统与平台，探索大规模、低成本商业化电站的技术途径。“973”项目（2010—2014年）重点支持高效规模化太阳能热发电的基础研究。

塔式太阳能热发电电站如图12所示。

图12 塔式太阳能热发电电站

塔式系统主要从以下方向进行改进［5］。

（1）镜场。包括更改设计，明显减少材料；使用，非钢基支架、可靠的定日镜无线供电和通讯方法，先进的自调控制系统、闭环跟踪，优化定日镜曲面，低轮廓定日镜，减少风载，光学改进二次聚光，污染自动检测和反射率评估，驱动塔或地面安装基座，减少场地分级和整地，增加产量。

（2）吸热器。包括能稳定工作长循环寿命的高温材料；设计腔体吸热器及其他能在高温有效集热方案中，如颗粒、光柱向下、体积式、模块化，模拟吸热器在部分受载状态下的模型，吸热器采用石英窗覆盖，以塔为容器集成储热系统，设计模块化、轻质的塔，可快速组合与安装。

（3）储热系统。包括具有更好的热稳定性和更高储能密度的高温储能方案，如新型无机液态材料、固体颗粒材料、相变材料、热化学方法；能增加现有液态材料（60%NaNO3／40%KNO3熔盐）储能容量的添加剂；可在更高温度工作的非硝酸盐，轻质、紧凑储热系统，可集成在塔内或塔上。

（4）发电与电厂平衡。包括先进的非超临界蒸汽动力循环，如超临界CO2或空气布雷顿；工业微型涡轮机可降低尺寸和成本；高效联合循环发电；开发高温换热器、高温耐腐蚀硬件；高效吸收制冷系统冷却透平压气机进口；模块化电厂设计；非电力应用，如太阳能燃料、海水淡化、热电联产、提高原油采收率。

3.3 储热技术将成为研发热点

国家“十二五”科技支撑项目（2011—2015年）重点支持太阳能储热技术与规模化应用。

应用储热技术的热发电系统的运行如图13所示。

图13 储热塔式太阳能热发电系统示意图

储热技术的研发重点包括［6］如下内容。

（1）导热液。开发先进的机械与多物理系统的建模能力及高温稳定性和性能测量的新标准，以利于定义电厂集成对传热流体（Heat Tnansfer Fluid，HTF）的性能和可靠性要求。开发单一的传热／储热流体，最好是辐射特性有所改善。流体类型包括液态金属（钠（Na）、铝／锡（Al／Sn））、气体（氮气）、纳米流体、高温非硝酸盐、离子液体或硫。液态钠用于核电已有研究，有数据可用于CSP。探索表面改性，改进液体传热。纳米流体的结构特性对于理解添加纳米颗粒，提高液体性能具有重要性。寻找使用能直接吸收太阳辐射的颗粒。这种系统使用相同颗粒可用于储热。开发热障涂层以阻止对斯特林机的氢渗透，评估各种可用于布雷顿系统的导热液，包括颗粒、空气、液体或氦。

（2）显热储能。能降低凝固点至环境温度附近的熔盐添加剂。低成本高温储热保护材料，可能的方法是使用成本较低的墙体材料，开发能遏制腐蚀性存储介质的保护涂层。在存储应用未被研究过的材料中进行筛选，这些材料包括金属间化合物、纳米流体、天然高温存储材料，如熔岩、岩石、沙子、水泥。

（3）相变储能。研究相变材料（Phase Change Material，PCM）合金。充分研究氯酸盐、硫酸盐、碳酸盐用于高温存储，开发固态的具有高热传导的材料或复合材料，可与HTF混合的微纳米PCM包覆方法，以减少储能材料在充、放电时的传热损失。开发专门用于蝶／斯特林的PCM，开发接收器与斯特林发动机组件集成所需热管，以增加系统所需的高传热率和功率密度。

（4）热化学储能。固态反应物加上气态反应物，MO＋CO2＝MCO3；使用SO2，SO3，H2O与其他气体的反应；有液态反应物（S）和液体产品的体系；低于400℃的有机反应，如解聚与聚合的转化；温度较高的无机反应物，基于硅氧烷化学［－S（CH3）2O－］n的聚合／解聚反应；硫聚合／解聚；涉及熔融金属和金属氧化物冶金转换；气态反应物与液或气体产品；重整反应和逆反应；甲烷化使用600℃～700℃催化剂；气态反应物与气体产品高水平的化学过程建模软件以显示化学储存周期，及热力学、动力学、副产品、余热回收、分离等。

4 结 语

全球太阳能热发电可开发量巨大，太阳能热发电可以采用相对经济的储热系统，电力品质好，可担当基础电力负荷；通过规模建设、技术改进、降本增效，太阳能热发电成本将有较大幅度降低，预计至2020年，全球太阳能热发电将进入大规模应用时代。由于规模大、效率相对较高，太阳能塔式发电技术将快速发展，有望成为一种光热发电的主流技术，储热技术也将得到广泛应用。

［1］姚志豪.全球太阳能光热发电发展报告［EB／OL］.（2010－08－13）［2012－04－15］.http：／／wenku.baidu.com／view／492a204de518964bcf847ccd.html.

［2］Steinmetz O.Clean Power from Deserts［EB／OL］.（2011－12－09）［2012－04－30］.http：／／www.academyofathens.gr／Documents／solar＿energy＿concentrating＿solar＿power／desertec.pdf.

［3］Deserttec.The Focus Region EU－MEBA ［EB／OL］.（2012－04－30）［2012－04－30］.http：／／www.desertec.org／global－mission／focus－region－eu－mena／.

［4］Atkearney.Solar Thermal Electricity 2025［EB／OL］.（2010－06－01）［2012－04－30］.http：／／www.estelasolar.eu／fileadmin／ESTELAdocs／documents／Cost ＿Roadmap／2010－06－Solar Thermal Electricity 2025－ENG.pdf.

［5］Kolb G J，Ho C K，Mancini T R，et al.SANDIAPower Tower Technology Roadmap and Cost Reduction Plan［EB／OL］.（2011－04－01）［2012－04－30］.http：／／prod.sandia.gov／techlib／access－control.cgi／2011／112419.pdf.

［6］Glatzmaier G.NREL－Summary Report for Concentrating Solar Power Thermal Storage Workshop［EB／OL］.（2011－08－01）［2012－04－30］.http：／／www.nrel.gov／docs／fy11osti／52134.pdf.