太阳能热发电技术综述及其在我国适用性分析

王鼎，时雨，胡婧婷，刘宸，袁野

（1.国网吉林省电力有限公司电力科学研究院，吉林长春 130000；2.国网吉林省电力有限公司电力经济技术研究院，吉林长春 130000）

太阳能热发电技术综述及其在我国适用性分析

王鼎1，时雨2，胡婧婷1，刘宸1，袁野1

（1.国网吉林省电力有限公司电力科学研究院，吉林长春 130000；2.国网吉林省电力有限公司电力经济技术研究院，吉林长春 130000）

太阳能热发电技术是开发利用太阳能源的重要手段，对未来我国调整能源产业结构、改善环境质量、实现可持续发展战略起到举足轻重的作用。通过对比分析所有类型太阳能热发电技术的原理、技术特点、经济适用性及发展现状，参考近四十年来国内外太阳能热发电工程的重要参数，结合我国不同地区光照、人口密度等实际情况，对太阳能热发电技术在我国的适用性进行深入研究。最后对太阳能热发电技术在我国未来的发展方向提出有益建议。

太阳能热发电（STPG）；光电转换；清洁能源

随着化石能源可采年限的不断减少以及CO2排放对环境的负面影响，未来世界对新能源的开发利用刻不容缓。新能源发电技术中，太阳能发电技术（solar power generation，SPG）由于其简便、可靠、取之不尽用之不竭的优点，成为世界公认最有发展希望的新能源之一。除光伏发电技术外，近年来以西班牙和美国为主的各国学者对太阳能热发电技术（solar thermal power generation，STPG）的研究也逐渐增多。图1展示了STPG的分类。

图1 太阳能热发电技术（STPG）分类Fig.1 Classifications of solar thermal power generation（STPG）

STPG尚处于发展与推广阶段，其中以聚光太阳能热发电技术（concentrating solar power，CSP）最为成熟。CSP自2010年以来在全世界得到飞速发展，截止2015年底，世界装机容量已达4 900 MW，成为太阳能利用一个新的发展方向。本文全面总结了世界上现有的各类STPG，参考其过去近四十年的研究建设经验，详细分析其特点、经济性及发展现状，并结

合我国不同地区的实际情况，讨论STPG成为我国新能源发展途径的可能性，最后对STPG未来在我国的发展方向提出有益建议。

1 间接太阳能热发电技术（ISTPG）

1.1 聚光太阳能发电技术（CSP）

1.1.1 塔式太阳能发电技术（SCR）

塔式太阳能发电技术（solar central receiver，SCR）的集热系统由反射器和能量塔组成，如图2所示。反射器由多个呈扇形分布在能量塔下的反射镜组成，每个反射镜各自追踪阳光，将阳光焦聚600～1 000倍反射至塔顶接收器，产生800～1 000℃的高温[1]6；能量塔矗立于反射器扇形圆心部位，接收器位于塔顶，用于接收并储存热能；热能供入朗肯循环系统发电。SCR中使用的朗肯循环系统与火力发电中的朗肯循环系统相同。

图2 基于朗肯循环的塔式太阳能发电技术（SCR）原理Fig.2 Principle of solar central receiver（SCR）based on Rankine cycle

图3 基于布雷顿循环的塔式太阳能发电技术（SCR）原理Fig.3 Principle of solar central receiver（SCR）based on Brayton cycle

为SCR光电转换效率在8%～10%[1]2，单位投资成本为2～3.5万元/kW且随发电站总容量增加而降低，占地面积约60～70 m2/kW[3]；装机容量占CSP的10.6%。我国现有北京延庆1 MW SCR发电站投产，以及青海德令哈50 MW SCR发电站和敦煌10 MW SCR发电站正在施工建设。

1.1.2 槽式太阳能（SPT）和线性菲涅尔反射器（LFR）发电技术

槽式太阳能发电技术（solar parabolic trough，SPT）和线性菲涅尔反射器发电技术（linear fresnel reflector，LFR）同样基于朗肯循环或布雷顿循环，但聚光设备不同。图4为SPT基本原理，其使用抛物线弧度的槽式镜面反射器将阳光焦聚到呈南北向的阳光焦聚线上；管型接收器置于阳光焦聚线，用于收集热能并送入朗肯循环系统，最终产生电能。槽式集热器可将分散的阳光焦聚70～100倍，产生350～550℃的温度[1]3。SPT是目前最为成熟的CSP，其光电转换效率为10%～15%，单位投资成本为1.5～3.1万元/kW，占地面积为21～38 m2/kW[4]；装机容量占现有CSP的88.5%。我国现有位于青海德令哈和鄂尔多斯的两座50 MW SPT发电站正在建设。

图4 槽式太阳能发电技术（SPT）原理Fig.4 Principle of solar parabolic trough（SPT）

LFR基本原理如图5所示。该技术使用数个反射角不同的平面反射镜将阳光焦聚至阳光焦聚线，线上放置接收器收集热能并供入朗肯循环系统。LFR光电转换效率为9%～11%，单位投资成本为1.5～3.1万元/kW，占地面积为14～23 m2/kW[5]；装机容量占CSP的1%左右。

1.1.3 碟式太阳能发电技术（SDE）

菲式八宝冰则是一种把甜豆、果冻等一同掺在有炼乳的碎冰里食用的菲律宾甜点。在加禄语里Halo-Halo有“把东西混在一起”的意思。还有蒜香牛肉饭、肉蔬面、椰奶芋头叶、菲式酸汤等，也是区别于许多东南亚菜的菲式风味，值得一试。

碟式太阳能发电技术（solar dish engine，SDE）基于斯特林循环，基本原理如图6所示。由图6（a）可知，SDE使用旋转抛物面反射器将分散的阳光焦聚于一点，为斯特林发电机提供热能。图6（b）为斯特

林发电机详图，该发电机由2部分组成：斯特林热机和线性往复发电机。位于图6（b）右侧的是斯特林热机，它由气缸、热核、活塞和置换塞组成。气缸中封装惰性气体介质，分为膨胀区和压缩区；热核由热交换器、冷交换器和蓄热器组成，用于吸收太阳热能并形成温度梯度；活塞用于控制气缸内气体的压缩和膨胀；置换塞可将气体压入膨胀区或压缩区，以控制气体的升温和降温。活塞和置换塞分别用弹簧固定在气缸上，且活塞的机械谐振在相位上落后置换塞90°。斯特林热机工作时，气体介质与活塞、置换塞及热核的相互作用使气体在气缸内完成“等体积升温-等温膨张-等体积冷却-等温压缩”的斯特林循环，使活塞和置换塞形成有相位差的正弦往复振动，将热能转换为机械能。图6（b）左侧为线性往复发电机，其动子受活塞或置换塞驱动做正弦往复运动，从而形成正弦变化的磁场发电，完成机械能到电能的转换。

图5 线性菲涅尔反射器发电技术（LFR）原理Fig.5 Principle of linear Fresnel reflector（LFR）

图6 碟式太阳能发电技术（SDE）原理Fig.6 Principle of solar dish engine（SDE）

除斯特林发电机外，欧洲科学家近年来还提出一种新型的热声热机，如图7所示。热声热机由热核和气体介质传导管组成。其中，热核用于吸收太阳热能并形成一个线性温度梯度，作用与斯特林热机中热核相同；气体介质传导管中封装高压惰性气体，用于传导气体振动产生的声波并形成回路。由于热声效应，当气体分子在热核中受热时会产生正弦声波，进而由于热胀冷缩效应产生正弦气压波，驱动活塞做正弦往复运动，将热能转换为机械能。活塞驱动线性往复发电机发电，将机械能转换为电能。相较于斯特林发电机，热声发电机由于其移动部件少，具有稳定、可靠、高效率和低成本等优势。

图7 热声发电机原理Fig.7 Principle of thermo-acoustic generator

SDE光电转换效率为16%～18%，单位成本为0.4～1.1万元/kW[1]3，单位占地面积为50～60 m2/kW[6-7]；装机容量不到100 MW，主要位于西班牙、美国和印度。我国现有1台宁夏石嘴山SDE示范机组及鄂尔多斯1 MW SDE发电站投运，此外还与以色列Helio Focus有限公司签订内蒙古200 MW SDE发电项目协议。

1.2 非聚光太阳能发电技术（NCSP）

1.2.1 烟囱式太阳能发电技术（SUT）

烟囱式太阳能发电技术（solar updraft tower，SUT）基于温室效应和烟囱效应，如图8所示。集热棚即为温室效应棚，其末端开放，可由空气自由进入；烟囱竖立于集热棚圆心，顶端为空气出口；涡轮发电机置于烟囱内部。集热棚受阳光照射时触发温室效应，其中空气被加热升温。由于烟囱效应，热空气从集热棚上升到烟囱顶部，从空气出口排出，并带动涡轮发电机发电。此时集热棚和烟囱中气压降低，周边空气从集热棚末端吸入，再次加热并从烟囱排出，形成持续稳定的气流。SUT结构中，集热棚

下的土壤可作为天然热储能装置，白天吸收热能并在夜晚释放，保证机组昼夜连续运行。

图8 烟囱式太阳能发电技术（SUT）原理Fig.8 Principle of solar updraft tower（SUT）

SUT光电转换效率在1.5%左右，单位投资成本为2.6～4.5万元/kW，占地面积为140～220 m2/kW[8]；在欧美国家建有一些示范项目，单个发电站容量为50 kW～100 MW，且未来美国、澳大利亚、印度等国均有SUT发电站建设计划。我国现有内蒙古乌海200 kW SUT发电站。

1.2.2 太阳能盐池发电技术（SPPG）

太阳能盐池发电技术（solar pond power generation，SPPG）利用盐池作为太阳热能热收集器，如图9所示。盐池深1～2 m，盐溶液在池中分为3层，形成密度梯度。其中，上对流层为清水，密度1 000 kg/m3，起隔热保温作用；非对流层为不饱和盐溶液，密度1 000～1 200 kg/m3且呈梯度增加，用于形成温度梯度；下对流层为饱和盐溶液，密度1 200 kg/cm3，起储热作用。阳光射入盐池时，盐溶液受密度梯度影响产生温度梯度，并在下对流层储热；下对流层的高温溶液被送入朗肯循环系统发电。

图9 太阳能盐池发电技术（SPPG）原理Fig.9 Principle of solar pond power generation（SPPG）

SPPG光电转换效率不足3%，单位占地面积约为185 m2/kW。SPPG具有可利用散射光发电，可长时间储能以保证机组在夜晚连续运行的优点，但其近年来发展逐渐停滞，主要因为该技术热效率过低，存在盐溶液密度分层困难的技术障碍以及发电站选址要求很高——必须依水源而建且周围土地热导率不宜过高[9]。

2 直接太阳能热发电技术（DSTPG）

DSTPG可分为4种子技术：太阳能热离子发电技术（solar thermionic power generation，STIPG）、太阳能热温差发电技术（solar thermo-electric power generation，STEPG）、太阳能热光伏发电技术（solar thermo-photovoltaic power generation，STPV）和太阳能热磁流体发电技术（solar magnetohydrodynamic power generation，SMPG）。其中，STIPG、STEPG和STPV的发电原理相似：使用与CSP类似的聚光技术焦聚阳光产生热能，之后使特定的热电材料受热产生电子流，将热能转换为DC电能。STIPG的光电转换效率为12%～20%，而STEPG和STPV的光电转换效率能达到2%～5%。SMPG利用太阳热能产生导电性较好的等离子气体，并使其高速通过固定磁场而产生电能，光电转换效率在15%左右。

相较于ISTPG，DSTPG具有稳定可靠、无移动部件、体积小、质量轻及模块化等优点，但其至今仍处于研究阶段，主要存在以下技术难关尚未攻破：输出阻抗普遍偏高，单个热电材料输出电压仅在几伏到十几伏；热电材料能量损失严重，光电转换效率普遍偏低；温差造成发电元件热胀冷缩而导致使用寿命降低；小规模发电经济性较差等。由于DSTPG尚不具备推广条件，此处不作详细讨论。

3 太阳能热发电技术在我国的适用性

目前STPG技术中较为成熟的有SCR、SPT、LFR、SDE和SUT；其余STPG由于存在关键技术难题尚未攻破，还不具备推广条件。本节将对上述5种具备推广条件的STPG技术与PV对比进行详细分析，并讨论其在我国的适用性。

5项STPG技术及PV的各项参数见表1。就光电转换效率和成本而言，SDE最具优势；SCR、SPT和LFR效率低于PV，在成本上也不具有优势，有待进一步优化；SUT效率极低、成本最高，在上述STPG中性价比最低。就技术特点而言，上述5种STPG均具有储能装置；SCR、SPT和LFR 3类基于朗肯循环系统的技术

支持与火力发电联合使用及电热联生，而SDE和SUT并不具备这两项优势；此外，SPT、LFR和SDE为模块化系统，具有生产组装便捷、易于维修、方便扩展等优点。就经济运行容量而言，SCR、SPT、LFR和SUT均适用于建造大容量发电站，且单位投资成本随装机容量增高而降低；而SDE所使用的斯特林循环和线性往复发电机组合适用功率不高，不适合建造大容量发电站。

要讨论各类SPG对阳光辐射功率密度的要求，需先介绍我国光照情况。依照阳光辐射功率密度，我国可分为3类地区：一类地区辐射最强，功率密度为1 500～2 000 kW·h/m2，主要集中在我国西北地区及华北北部地区，人口密度较低；二类地区辐射中等，功率密度为1 000～2 000 kW·h/m2，主要为我国华北、东北地区及西北、西南少数地区，人口密度属中等水平；三类地区辐射最低，功率密度为1 000～1 600 kW·h/m2，主要集中在华东、中南地区及西南、西北南部少数地区，人口密度较大[10]。从表1中可以看出，SUT即可利用直射光也可利用散射光发电，对阳光辐射要求较低，我国一至三类地区均满足要求；然而，SUT占地面积非常大，只适用于人口稀少的荒芜地区，因此更适合我国一类地区和部分人口密度较低的二类地区。SPT、LFR、SCR和SDE只能利用直射光发电，要求1 500 kW·h/m2以上的阳光辐射功率密度，只有我国一类和部分二类地区满足要求。其中，SPT和LFR占地面积较小，适用于城镇及周边地区；而SCR和SDE占地面积偏大，适用于人烟稀少的地区。

综上所述，在5类基本具备推广条件的STPG技术中，SDE相较于PV各方面优势明显；虽然其占地面积偏大，但若在人烟稀少、地价便宜的地区建设性价比会大大提高，非常具有竞争优势。SCR、SPT和LFR各项参数相较PV和SDE不具优势，但其具有支持与火力发电联合运行、支持电热联生的优点；此外，CSP技术还可配备廉价的热储能装置，比PV更具有运行稳定性，具备进一步发展的希望。SUT各项参数均不及PV和CSP，但也具有可利用散射光发电、阳光辐射要求低、无需附加储能设备、结构简单可靠等优点，有进一步研究价值。因此，CSP和SUT技术可以成为我国未来新能源发展的一个新方向，而其他STPG技术有待进一步研究。

表1 SCR、SPT、LFR、SDE、SUT及PV详细参数Tab.1 Detailed parameters of SCR，SPT，LFR，SDE，SUT and PV

4 结语

详细论述了现有STPG技术的原理、特点、国内外发展现状及在我国的适用性。经分析，STPG技术中，CSP和SUT技术可以成为我国未来新能源发展的一个新方向。其中，SDE优势在于其光电转换效率和投资成本，劣势在于占地面积较大；SCR、SPT和LFR优势在于其支持与火电联合运行、支持电热联生，劣势在于大部分参数不及PV和SDE；SUT优势在于其可利用散射光发电、阳光辐射条件要求低、无需附加储能设备、结构简单可靠，劣势在于效率极低、占地面积极大，各方面有待大幅提高。上述5种STPG技术均适用于我国一类地区，即西北、华北北部地区，同样也有选择性的适用于我国二类地区，即华北、东北地区。

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（编辑 张晓娟）

Review and Applicability Analysis of Solar Thermal Power Generation Technology in China

WANG Ding1，SHI Yu2，HU Jingting1，LIU Chen1，YUAN Ye1
（1.State Grid Jilin Electric Power Research Institute Co.，Ltd.，Changchun 130000，Jilin，China；2.State Grid Jilin Electric Power Economic and Technical Research Institute Co.，Ltd.，Changchun 130000，Jilin，China）

Solar thermal power generation（STPG）technology is an important method of solar energy utilization，playing an essential role in the adjustment of energy industry structure，the improvement of environment quality and the sustainable development of China in the future.This paper presents an indepth investigation in applicability of STPG in China through a comparative study on all sub-categories of STPG，which takes principles，technical characteristics，economic applicability and current development of STPG as well as some important parameters from STPG plants in past forty years in the world and solar power density and population in each district of China into consideration.Based on this research，useful recommendations on future development direction of STPG in China are proposed.

solar thermal power generation（STPG）；photoelectric conversion；clean energy

2016-03-25。

王 鼎（1988—），男，博士，工程师，从事电网仿真、滚动计算、运行方式计算、风电并网设计及新能源方面研究；

时 雨（1988—），女，硕士，工程师，从事电力技术经济及建设方面研究；

胡婧婷（1986—），女，博士，工程师，从事电力行业用油、气分析检验方面研究；

刘 宸（1988—），男，硕士，工程师，从事新一代智能电网及新能源方面研究；

袁 野（1984—），男，硕士，工程师，从事电能质量检测与治理及新能源方面研究。

吉林省科技创新专项资金项目（20160901）。

Jilin Province Special Foundation of Science and Technology Innovation（20160901）.

1674-3814（2016）09-0151-06

TM615

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