太阳能热发电系统介绍及站址选择

中机华信诚电力工程有限公司 ■ 宋红 张庆宝

0 引言

随着全球化石能源日渐枯竭、环保问题日益严峻，人类对清洁的可再生能源的重视程度越来越高。太阳能热发电是清洁、无污染的绿色能源，而且带储热功能的太阳能热发电站能够使吸收能量和发电过程解耦，根据用电负荷和电网调度要求发电，且发电量稳定，能很好地解决风力发电和光伏发电存在的波动性和不确定性的问题，因此越来越受到重视。太阳能热发电站还能替代传统火力发电，作为基础能源，起到削峰填谷、调峰调频的作用。

为了推动太阳能热发电技术的产业化应用，2016年，国家能源局公布确定了第一批太阳能热发电示范项目。首批示范项目共计20个，总装机容量达到134.9万kW。随着国家政策的支持和太阳能热发电特有的技术优势，太阳能热发电在未来一个时期内必将快速发展[1-2]。

本文对目前已经商业化的太阳能热发电系统进行了介绍和对比，并讨论了带储热的太阳能热发电系统站址选择应该注意的问题。

1 太阳能热发电系统

太阳能热发电系统是将太阳能转换为热能，通过热-功转换过程发电的系统[3]。目前已经商业化应用的太阳能热发电系统，按聚光形式可分为4类，分别是：塔式太阳能热发电系统、槽式太阳能热发电系统、菲涅尔式太阳能热发电系统和碟式太阳能热发电系统[4]。

1.1 塔式太阳能热发电系统

塔式太阳能热发电系统的基本形式是利用独立跟踪太阳的定日镜组，将太阳光反射、聚集到固定在塔顶的吸热器上，加热吸热器中的导热介质，然后直接或通过热交换器产生过热蒸汽或高温气体，驱动汽轮发电机组或燃气轮机发电机组发电，从而将太阳能转化为电能。塔式太阳能热发电系统的示意图如图1所示[5]。在国家能源局公布的首批示范项目中，首航节能敦煌100MW太阳能热发电站即为塔式太阳能热发电项目。

图1 塔式太阳能热发电系统示意图

塔式太阳能热发电系统为点聚焦，聚光倍数一般为300～1000倍。单块定日镜面积的取值范围较广，一般在1.2～120 m2之间，定日镜的面积大、小各有优缺点，主要取决于电站规模和设计者的关注点。塔式太阳能热发电系统的塔高范围是50 ～200 m，电站规模越大，塔的高度越高。塔式太阳能热发电系统的传热介质一般为熔盐或水，储热介质一般为熔盐；其中，传热介质为熔盐的系统的运行温度一般低于570 ℃。

除了传统的塔式太阳能热发电系统，在国家能源局确定的首批太阳能热发电示范项目中，玉门鑫能 50MW太阳能热发电项目属于二次反射塔式太阳能热发电系统。

二次反射塔式太阳能热发电系统与传统的塔式太阳能热发电系统的区别在于该系统吸热器放置在地面上，定日镜场反射的太阳光先聚集到定日镜场中央的二次反射镜上，经过再次反射后，再聚集到吸热器上。二次反射塔式太阳能热发电系统的吸热器像一口大锅，其结构与传统的管屏式吸热器也不相同。该吸热器最大的优点是可以避免熔盐在吸热器中的冻堵和复杂的控制问题。二次反射塔式太阳能热发电系统的示意图如图2所示。

图2 二次反射塔式太阳能热发电系统示意图

1.2 槽式太阳能热发电系统

槽式太阳能热发电系统的基本形式是利用槽式抛物面反射镜，将太阳光反射、聚集到位于抛物面焦点所在直线的集热管上，加热集热管中的导热介质，然后直接或通过热交换器产生过热蒸汽，驱动汽轮发电机组发电，从而将太阳能转化为电能。槽式抛物面反射镜与集热管位置相对固定，沿着同一个旋转轴随着太阳位置的变化而旋转追踪太阳。槽式太阳能热发电系统示意图如图3所示[6]。

图3 槽式太阳能热发电系统示意图

槽式太阳能热发电系统为线聚焦，聚光倍数一般为50～80倍。反射镜的开口宽度范围为5.1～7.5 m，开口越大，聚光倍数越高，集热效果越好，因此，电站设计者不断开发更大开口尺寸的反射镜。但是随着开口的增大，对驱动太阳能集热器(包括吸热管、反射镜和支架)的电机的要求也越来越高。槽式太阳能热发电系统的传热介质一般为导热油或水，储热介质一般为熔盐；其中，传热介质为导热油的系统的运行温度一般低于400 ℃。

槽式太阳能热发电系统是目前国际上商业化运行最多的太阳能热发电系统。在国家能源局确定的首批示范项目中，中广核德令哈50MW太阳能热发电项目就属于槽式太阳能热发电系统。

1.3 菲涅尔式太阳能热发电系统

菲涅尔式太阳能热发电系统的原理与槽式太阳能热发电系统相近，其基本形式是利用菲涅尔式反射镜(见图4[7])，将太阳光反射、聚集到集热管上，加热集热管中的导热介质，然后直接或通过热交换器产生过热蒸汽，驱动汽轮发电机组发电，从而将太阳能转化为电能。为了增加反射光的利用率，在吸热管上方通常增加二次反射镜。超出吸热管边界的反射光，被二次反射镜再次反射后，入射到吸热管上。

图4 菲涅尔式反射镜聚光器示意图[7]

菲涅尔式太阳能热发电系统也是线聚焦，聚光倍数一般为50～80倍。该系统的传热介质一般为水、导热油或熔盐，储热介质一般为熔盐或混凝土。

由于传统的菲涅尔式太阳能热发电系统的效率与塔式和槽式系统相比较低，因此国外商业化运行的菲涅尔式太阳能热发电系统很少。目前在国内，北京兆阳光热技术有限公司改进了菲涅尔式太阳能热发电系统的集热场，使其聚光倍数可以达到130～200倍，并结合低成本的混凝土储热技术建设了太阳能热发电站。虽然改进后的系统的效率仍相对较低，但由于系统可靠、成本更低，因而也有很好的商业前景。该改进型菲涅尔式太阳能热发电系统的传热工质为水，系统示意图如图5所示[8]。华强兆阳张家口一号15MWe太阳能热发电站工程已经建成，并已实现连续发电60 h。

图5 改进型菲涅尔太阳能热发电系统示意图

1.4 碟式太阳能热发电系统

碟式太阳能热发电系统是利用抛物面碟式聚光器将太阳能聚集到焦点处的发电机上，通过斯特林发动机循环发电的系统。碟式太阳能热发电系统由碟式聚光器、太阳光接收器、斯特林发动机和发电机组成，系统示意图如图6所示[9]。

图6 碟式太阳能热发电系统示意图

碟式太阳能热发电系统是通过斯特林发动机驱动发电机发电，与汽轮机驱动发电机发电的塔式、槽式和菲涅尔式太阳能热发电系统有明显不同。碟式太阳能热发电系统的优点有：1)集热温度高，最高可达1000 ℃；2)光电转换效率高，最高可达30%；3)运行时基本不需要水，适应性较强；4)可单台发电，也可多台组成碟式太阳能热发电场；5)适合于分布式，应用灵活；6)基于模块化构造，如果部分部件损坏，仅一部分的发电能力受到影响，而不会影响整个电站的运行。该系统的缺点是：1)由于该系统能量转化过程未解耦，导致目前的碟式太阳能热发电系统发电过程不能储热；2)发电成本较高。

2 不同太阳能热发电系统的对比

不同太阳能热发电系统的特性对比详情如表1所示[9]。

从表1中的数据可知：

1)各类型的太阳能热发电系统对光照资源的要求都很高，这是因为太阳能热发电系统只能利用太阳辐射中的法向直接辐射(DNI)，散射辐射毫无用处。因此，太阳辐射中散射占比较大的区域不适合建设太阳能热发电系统。

表1 不同太阳能热发电系统特性对比表

2)塔式和碟式太阳能热发电系统是点聚焦，聚光比较大，运行温度更高。槽式和菲涅尔式太阳能热发电系统是线聚焦，聚光比较小，运行温度较低。

3)塔式、槽式和菲涅尔式太阳能热发电系统的动力循环模式是朗肯循环(或布雷顿循环)，采用的机组是蒸汽轮机(或燃气轮机)；而碟式太阳能热发电系统的动力循环模式是斯特林循环，采用的机组是斯特林机。这是碟式太阳能热发电系统与其他太阳能热发电系统最大的区别。

4)关于系统转换效率，碟式太阳能热发电系统最高，塔式太阳能热发电系统次之，菲涅尔式太阳能热发电系统最低。

5)各类型的太阳能热发电系统都已经商业化或正在商业化。国外已经建成的太阳能热发电站中，槽式系统最多；国内首批20个太阳能热发电示范项目中，塔式系统最多；低成本混凝土储热技术结合改进型菲涅尔式太阳能热发电系统，最具商业开发潜力。

3 站址选择

太阳能热发电站的站址选择需考虑多种因素，下文主要从太阳能资源、气象条件、土地资源、水资源、天然气资源、电力接入条件、对外交通运输条件等方面对太阳能热发电站的站址选择进行论述。

由于碟式太阳能热发电系统在发电原理上与其他类型的太阳能热发电系统不同，目前已公布的商业化应用中，该系统不具有储能特性，且国家能源局公布确定的第一批20个太阳能热发电示范项目中无碟式太阳能热发电系统，所以，下文关于站址选择的论述将不涉及此系统。

3.1 太阳能资源

与光伏发电系统利用太阳全辐射不同，太阳能热发电系统只能利用太阳辐射中的DNI，而太阳辐射中的散射辐射则不能被太阳能热发电系统利用。因此，DNI是太阳能热发电站站址选择首先要考虑的事项，DNI值的大小直接决定着项目的可行性和经济性。根据相关报道[5]，年累计太阳DNI值与太阳能热发电站站址选择的关系如表2所示。

表2 年累计太阳DNI值与站址选择的关系

按照国家能源局2015年发布的《关于组织太阳能热发电示范项目建设的通知》中的要求，申报示范项目的场址年累计DNI值不应低于1600 kWh/(m2·a)。根据经济测算，太阳能热发电系统的平准化度电成本(LCOE)与DNI值成反比，每m2的DNI值提高100，系统LCOE将减少4.5%。因此，DNI值高的地区自然是太阳能热发电站选址的首要考虑因素。

3.2 气象条件

气象条件也是影响站址选择的重要因素。气象条件包括环境温度、风速、云量(片云)等，而这些是影响太阳能热发电站有效发电时数、发电效率及设备运行可靠性的重要指标。

1)环境温度低时，其与系统运行时的温差大，这对汽轮机的风冷冷凝机组降低能耗是有利的。但是，若环境温度过低(特别是冬季)，会增加吸热器的热量损失，降低吸热器的转换效率，进而降低整个发电系统的转换效率。此外，为避免熔盐冻堵或导热油冷凝，需要对管道等传热系统进行保温和辅助加热，温度过低会增加辅助加热系统的能量消耗，增加厂用电率，减小上网电量。

2)风速对太阳能热发电系统的影响有两个方面：一方面，为了保证太阳能热发电系统在大风时的运行精度和稳定性，需要对定日镜或聚光器的支架进行加固，如此就增加了材料用量，提高了系统成本。另一方面，吸热器或吸热管表面的热量损失随着风速的增大而增加，造成系统的能量转换效率降低。目前太阳能热发电站聚光器设计的工作风速一般取14 m/s(6级风)，如果超过此风速，即使太阳能资源非常好，也不能被太阳能热发电系统利用。

3)云量(片云)对太阳能热发站发电量的影响非常大，特别是塔式太阳能热发电站。如果频繁的出现片云，为避免吸热器损坏，太阳能热发电站的聚光系统需要频繁的启停，造成启停过程中太阳能资源不能被有效利用，进而影响太阳能热发电站的发电量；同时，系统的频繁启停会降低吸热器的使用寿命。

3.3 土地资源

站址选择时，对土地资源需要从土地性质、土地坡度和土地面积3方面进行考虑。

1)土地性质。在符合土地利用总体规划的前提下，优先使用荒滩、荒漠等难以利用及不适宜农业、生态、工业开发的土地，尽量不占用或少占用耕地。

2)土地坡度。太阳能热发电站对土地的平坦程度要求较高，应选择斜坡较少、尽量平坦的土地。不同类型的太阳能热发电系统对土地的坡度要求也不相同，具体要求如表3所示。这是因为土地坡度过大，超过要求限制时，会大幅增加电站的建设成本。

3)土地面积。太阳能热发电站的占地面积与项目的成本有较大关系，占地面积越大，征地越多，投资成本越高。对于太阳能热发电站而言，在系统转换效率一定的情况下，发电量与接收的太阳DNI值成正比。因此，要想增加发电量就必须增加反射镜的镜面面积，以收集更多的太阳DNI。所以，太阳能热发电站的太阳岛(聚光场)占地面积都非常大。此外，在电站规模相同时，不同类型的太阳能热发电系统的占地面积也不相同，塔式和二次反射塔式太阳能热发电系统的占地面积相对更大，槽式和菲涅尔式太阳能热发电系统的占地面积相对较小。不同类型电站的土地利用率对比情况如表3所示。

表3 土地坡度及土地利用率要求对比表

3.4 水资源

水资源是太阳能热发电站运行时需要消耗的资源。水资源的主要用途有：汽轮机蒸汽循环用水、凝汽器冷却用水、镜面清洗用水等。由于太阳能热发电站运行时耗水量较大，因此，在站址选择时，必须确保站址周围是否有充足、稳定的供水条件。

为了减少太阳能热发电站的用水量，在电站设计时，一般优先选用空冷机组，镜面清洗方式优先选择干洗。

3.5 天然气资源

天然气资源是太阳能热发电站建设和运营时需要消耗的另一种重要资源。天然气的主要用途有：汽轮机启动、冬季供暖、冬季防凝、熔盐初始融化等。因此，站址周围必须具备可靠的天然气供应条件。

3.6 电力接入条件

太阳能热发电站的建设规模一般在50MW以上，因此，电力系统接入的电压等级为110 kV及以上。站址与可接入的升压站(变电站)之间的距离将直接影响项目的投入成本，所以对项目的投资收益有十分重要的影响。

此外，项目建设时的施工电源及后期厂用电的后备电源需要取自10 kV或35 kV电压等级的线路。因此，站址附近要有10 kV、35 kV或以上线路，可供接入。

3.7 对外交通运输条件

对外交通运输条件对太阳能热发电站也非常重要。首先，交通运输条件承担着电站建设期间大量的各种类型的设备材料和人员运输；其次，其承担着系统运行后人员和普通物流的运输。外部运输所经公路等级、路径均需要满足电站建设和运营时对外运输的要求。电站离主干公路的距离、主干公路的等级、主干公路的路径等因素可作为衡量站址交通运输条件的指标[10]。

4 结语

本文介绍了4种已经投入商业化应用或正在商业化应用的太阳能热发电系统，对不同类型的系统进行了对比和总结，并论述、分析了带储热的太阳热发电系统的站址选择的注意事项，可为太阳能热发电项目的开发、设计提供参考。