中國科學(xué)院太陽能熱利用及光伏系統(tǒng)重點實驗室 ■ 杜鳳麗

一 引言

聚光太陽能熱發(fā)電(以下簡稱太陽能熱發(fā)電)是通過聚光器將太陽光反射聚集在吸熱部件上，經(jīng)由傳熱介質(zhì)將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能，然后通過熱力循環(huán)做功實現(xiàn)發(fā)電的技術(shù)形式。聚光太陽能熱發(fā)電可以采用郎肯循環(huán)，也可使用效率更高的布雷頓循環(huán)或斯特林循環(huán)。在原理上，聚光太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)與傳統(tǒng)的化石燃料電站類似，兩者最大的區(qū)別在于輸入的能源不同，前者采用的是太陽能。

太陽能具有間歇性及輸入不穩(wěn)定的特點，因此利用太陽能進(jìn)行發(fā)電存在電力輸出波動大的問題。與目前的光伏發(fā)電技術(shù)不同，太陽能熱發(fā)電可以帶有儲熱系統(tǒng)，將白天多余的熱量儲存起來，當(dāng)太陽輻照不好時，釋放儲存的熱能，保持汽輪機(jī)持續(xù)運行，從而保證輸出電力的穩(wěn)定性，并增加全負(fù)荷發(fā)電時數(shù)。此外，太陽能熱發(fā)電站還可以利用化石燃料進(jìn)行補燃，實現(xiàn)在夜間或連續(xù)陰雨天時的持續(xù)發(fā)電。

太陽能熱發(fā)電目前在國外已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化發(fā)展的階段。然而，與傳統(tǒng)的化石燃料電站相比，太陽能熱發(fā)電的發(fā)電成本(LEC)仍然很高。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，太陽能熱發(fā)電的成本為0.19～0.25$/kWh[1]。相對較高的發(fā)電成本在一定程度上影響了太陽能熱發(fā)電大規(guī)模化的進(jìn)程，因此降低發(fā)電成本是推進(jìn)太陽能熱發(fā)電發(fā)展的首要任務(wù)。

二 降低太陽能熱發(fā)電成本的途徑

發(fā)電成本是影響太陽能熱發(fā)電發(fā)展的最關(guān)鍵因素。國際能源署(IEA)曾公布一種計算可再生能源系統(tǒng)發(fā)電成本的簡化公式[2]，詳見式(1)。

式中：Kinvest為電站總投資；KOM為年運行管理費用；Kfuel為年燃料費用；Enet為年凈發(fā)電量。crf=，其中：kd為實際利率；n為電站壽命；kinsurance為年保險費。

從式(1)可以看出，發(fā)電成本與電站的初始投資、貸款利率、年運行維護(hù)費用以及年凈發(fā)電量等密切相關(guān)。其中，初始投資和電站年凈發(fā)電量(年發(fā)電量－用電量)是關(guān)鍵。降低太陽能熱發(fā)電站的初始投資，提高太陽能熱發(fā)電站的年凈發(fā)電量是降低太陽能熱發(fā)電成本的有效途徑。

太陽能熱發(fā)電站的初始投資成本主要包括太陽能部件(太陽能鏡場、太陽能吸熱器、蓄熱系統(tǒng))以及常規(guī)熱力循環(huán)部件(蒸汽發(fā)生、發(fā)電模塊)的費用。降低初始投資的成本可通過降低各種部件的成本來實現(xiàn)。太陽能熱發(fā)電站的年發(fā)電量與系統(tǒng)年均效率、投射在鏡場上的年太陽直射輻照量相關(guān)，在相同的太陽輻照量下，系統(tǒng)年均效率越高，則電站的年發(fā)電量就越多。

經(jīng)過初步測算發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)效率每提高1%，相當(dāng)于初投資降低5%～7%。因此，提高系統(tǒng)效率是降低發(fā)電成本的重要途徑。太陽能熱發(fā)電的發(fā)電成本、初投資和系統(tǒng)效率的關(guān)系如圖1所示。

太陽能熱發(fā)電的系統(tǒng)效率，即光電轉(zhuǎn)換效率取決于集熱效率和熱機(jī)效率兩個參數(shù)。這兩者又與聚光比和吸熱器的工作溫度密切相關(guān)。當(dāng)聚光比一定時，隨著吸熱器工作溫度升高，集熱效率會下降，而汽輪機(jī)的效率提高，系統(tǒng)效率曲線會出現(xiàn)一個“馬鞍點”(圖2)。因此單純提高吸熱器的工作溫度，并不一定能提高系統(tǒng)效率，反而可能會降低光電轉(zhuǎn)換效率。只有聚光比與吸熱器的溫度協(xié)同提高，才是降低發(fā)電成本的有效途徑[3]。

三 太陽能熱發(fā)電的技術(shù)發(fā)展路線圖

太陽能熱發(fā)電的技術(shù)進(jìn)步主要反映在發(fā)電成本上，太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的光電轉(zhuǎn)換效率是影響發(fā)電成本最重要的因素。從熱力學(xué)的角度，發(fā)電工質(zhì)的參數(shù)(溫度、壓力)會對系統(tǒng)效率產(chǎn)生重要影響。而發(fā)電工質(zhì)參數(shù)與聚光、光熱轉(zhuǎn)換、儲熱過程中的材料、熱學(xué)和力學(xué)等問題密切相關(guān)?；谝陨峡紤]，以系統(tǒng)年平均發(fā)電效率為引領(lǐng)，以發(fā)電工質(zhì)的溫度和換熱介質(zhì)種類為主線，將太陽能熱發(fā)電技術(shù)分為四代，如圖3所示。

“十一五”期間(2006～2010年)，我國對以水/油作為集熱系統(tǒng)換熱介質(zhì)的第一代技術(shù)進(jìn)行了研發(fā)示范，建立了1MWe塔式實驗示范電站；對以熔融鹽為傳熱介質(zhì)的第二代技術(shù)，主要進(jìn)行了熔融鹽熱物性等研究，搭建了熔融鹽工質(zhì)系統(tǒng)的實驗平臺，并研制了用于塔式發(fā)電站的100kWt熔融鹽吸熱器；針對第三代技術(shù)，對以碳化硅泡沫陶瓷作為吸熱體的空氣吸熱器進(jìn)行了基礎(chǔ)問題的摸索；針對第四代技術(shù)，分別在北京和銀川建立了20kWt和300kWt的高溫太陽爐聚光集熱系統(tǒng)。

“十二五”期間(2011～2015年)，水和油作為集熱系統(tǒng)換熱介質(zhì)進(jìn)入產(chǎn)業(yè)化推廣階段，以熔融鹽為傳熱介質(zhì)的集熱系統(tǒng)進(jìn)入規(guī)模化示范階段，而以空氣為換熱介質(zhì)的集熱系統(tǒng)從基礎(chǔ)研究進(jìn)入應(yīng)用基礎(chǔ)研究階段，并逐步進(jìn)行中試。

“十三五”期間(2016～2020年)，第一代技術(shù)繼續(xù)大規(guī)模商業(yè)化，第二代技術(shù)開始進(jìn)入市場，發(fā)電效率提高到20%。由于熔融鹽的使用，傳熱介質(zhì)溫度大大提高，超臨界太陽能熱發(fā)電技術(shù)也開始進(jìn)入中試。

“十四五”期間(2021～2025年)，第三代以空氣為傳熱介質(zhì)和發(fā)電工質(zhì)的技術(shù)進(jìn)入市場，系統(tǒng)年發(fā)電效率達(dá)到30%，并且無需耗水。但由于高溫空氣傳輸?shù)脑颍擃愲娬镜娜萘渴艿街萍s，此時第四代以固體顆粒作為傳熱介質(zhì)的吸熱過程進(jìn)入高技術(shù)示范階段。

“十五五”期間(2026～2030年)，第四代太陽能熱發(fā)電技術(shù)進(jìn)入市場，系統(tǒng)年發(fā)電效率達(dá)到35%，并且突破了第三代技術(shù)的系統(tǒng)容量問題，高溫儲熱問題也得到了解決，超臨界太陽能熱發(fā)電站也將出現(xiàn)。

四 結(jié)論

太陽能熱發(fā)電是真正的不影響自然環(huán)境和經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展的綠色能源，太陽能熱發(fā)電站的建設(shè)可以利用貧瘠的荒漠土地進(jìn)行并網(wǎng)發(fā)電，也可獨立于電網(wǎng)運行，建成分布式電源，為偏遠(yuǎn)地區(qū)供電。太陽能熱發(fā)電可采用儲熱系統(tǒng)，或者利用化石燃料補燃，克服了太陽能間歇性、不穩(wěn)定的缺點，因此，太陽能熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。

從根本上來說，相對較高的發(fā)電成本阻礙了太陽能熱發(fā)電大規(guī)模發(fā)展的進(jìn)程。降低太陽能熱發(fā)電的成本主要有兩個途徑：降低初投資和提高系統(tǒng)效率。據(jù)測算，系統(tǒng)效率每提高1%，相當(dāng)于初投資降低5%～6%，因此提高太陽能熱發(fā)電站的系統(tǒng)效率是降低發(fā)電成本的重要途徑。從熱力學(xué)的角度講，發(fā)電工質(zhì)的參數(shù)(溫度、壓力)會對系統(tǒng)效率產(chǎn)生重要影響，而發(fā)電工質(zhì)的參數(shù)與聚光、光熱轉(zhuǎn)換、儲熱過程中的材料、熱學(xué)和力學(xué)等問題密切相關(guān)。通過四代太陽能熱發(fā)電技術(shù)的逐步發(fā)展，太陽能熱發(fā)電技術(shù)在成本上將更具有競爭性。

[1]Hermann Spellmann, Luis Fa朼nas Martinez, Alexander Karnick.The CSP industry: An awakening giant[R].Deutsche Bank, Global Markets Research, Companies, 2009-03-19.

[2]Robert Pitz-Paal, J焤gen Dersch, Barbara Milow.European Concentrated solar thermal road-mapping (ECOSTAR)[R].SES6-CT-2003-502578, 2004.

[3]Wang Zhifeng, Du Fengli.Concentrating solar power strategies in China [J].Journal of the Japan Institute of Energy, 2010, 89(4):331－336.

[4]王志峰, 杜鳳麗.太陽能熱發(fā)電的技術(shù)發(fā)展途徑[A].科技創(chuàng)新促進(jìn)中國能源可持續(xù)發(fā)展——首屆“中國工程院/國家能源局 能源論壇”論文集[C], 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2010:661－665.