曾樂才

（上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院，上海200070）

太陽能熱發(fā)電應(yīng)用前景廣闊。本文闡述了太陽能熱發(fā)電的特點(diǎn)，介紹了國內(nèi)外的太陽能利用動態(tài)及太陽能熱發(fā)電的利用前景，分析了太陽能熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展趨勢。

1 太陽能熱發(fā)電及主要特點(diǎn)

1.1 太陽能熱發(fā)電主要形式

太陽能利用的基本方式有2種：① 光伏發(fā)電；② 太陽熱利用。按照溫度區(qū)分，太陽能利用可分為中低溫利用和高溫利用。其中，中低溫利用主要包括太陽能熱水器、太陽能建筑、太陽能制冷供暖、太陽能海水淡化、太陽能工農(nóng)業(yè)供熱系統(tǒng)等；而高溫利用主要包括太陽能熱發(fā)電、太陽能熱化學(xué)制燃料、太陽能煤制油等［1］如圖1所示。

圖1 太陽能利用的基本方式

太陽能熱發(fā)電是將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能，通過熱－功轉(zhuǎn)換過程發(fā)電的系統(tǒng)。除了與常規(guī)火力發(fā)電類似的熱—功轉(zhuǎn)換系統(tǒng)外，太陽能熱發(fā)電首先還有一個光—熱轉(zhuǎn)化的過程。太陽能熱發(fā)電站一般由聚光集熱系統(tǒng)、儲熱系統(tǒng)和熱—功—電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)組成。太陽能熱發(fā)電主要技術(shù)有3種：太陽能拋物面槽式發(fā)電、太陽能塔式發(fā)電、太陽能碟式－斯特林發(fā)電。將槽式拋物面線性離散化，槽式發(fā)電可轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性菲涅耳式發(fā)電，如圖2所示。

圖2 太陽能熱發(fā)電主要形式

1.2 太陽能熱發(fā)電主要特點(diǎn)

太陽能熱發(fā)電的一個主要優(yōu)勢是電力品質(zhì)好，可擔(dān)當(dāng)基礎(chǔ)電力負(fù)荷。太陽能熱發(fā)電可以采用相對經(jīng)濟(jì)的儲熱系統(tǒng)（見圖3），實(shí)現(xiàn)如下功能：① 容量緩沖；② 電力輸出可控性；③ 電力輸出平穩(wěn)；④ 提高年利用率，增加滿負(fù)荷發(fā)電時數(shù)；⑤ 提高太陽能熱發(fā)電站的有效性，降低發(fā)電成本。研究顯示，一座帶有儲熱系統(tǒng)的太陽能熱發(fā)電站，年利用率可以由無儲熱的25%提高到65%以上；因此，儲熱技術(shù)是太陽能熱發(fā)電與光伏發(fā)電等其他可再生能源發(fā)電競爭的一個關(guān)鍵要素。利用長時間儲熱系統(tǒng)，太陽能熱發(fā)電可以在未來滿足基礎(chǔ)負(fù)荷電力場的需求。

圖3 太陽能熱發(fā)電儲熱作用示意圖

2 太陽能熱發(fā)電應(yīng)用前景與動態(tài)

2.1 太陽能熱發(fā)電可開發(fā)前景

影響太陽能熱發(fā)電可開發(fā)量的主要因素包括太陽法向直射輻射（Direct Normol Imidiance，DNI）、地形、土地資源、水資源和建設(shè)地區(qū)電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施等，其中DNI值與地形被認(rèn)定為是太陽能熱發(fā)電宏觀經(jīng)濟(jì)開發(fā)量評估的決定因素。DNI是在給定位置測量表面垂直于太陽光線時，太陽輻照在時間上的累積，適宜建設(shè)太陽能熱發(fā)電站的理想地區(qū)的DNI應(yīng)大于1 800kW·h／（m2·a）。不同太陽能熱發(fā)電形式對地形要求不盡相同。槽式和線性菲涅爾發(fā)電要求地面坡度在3%以下；塔式每臺定日鏡都是單獨(dú)的“個體”，對坡度要求較為寬松，可以適合5%～7%以下的地面坡度；碟式單機(jī)規(guī)模較小，對坡度的要求更低。若土地坡度要求分別按小于3%和5%估算，則全球太陽能熱發(fā)電經(jīng)濟(jì)可開發(fā)裝機(jī)容量約為791TW和988TW，可開發(fā)的發(fā)電量約為1 977PW·h／a（2 472PW·h／a）。遠(yuǎn)大于目前全球?qū)嶋H用電需求（2011年全球發(fā)電量為22.17PW·h），其中，中國太陽能熱發(fā)電經(jīng)濟(jì)可開發(fā)量約為35.71TW。按測算，360km×360km的沙漠（全球沙漠的0.31%）可裝機(jī)10 000GW，年發(fā)電25 000TW·h，可滿足全球至2050年50%的用電需求。按可輸送距離3 000km計算，全球絕大部分人口的電力需求可以通過發(fā)展太陽能熱發(fā)電得到滿足［2］，如圖4所示。

圖4 全球太陽能熱發(fā)電應(yīng)用前景示意圖

太陽能熱發(fā)電站需要在蒸汽輪機(jī)循環(huán)的冷端進(jìn)行制冷（碟式／斯特林發(fā)電除外），可以采用水冷技術(shù)，塔式、槽式發(fā)電用水量分別為2.27、3.02m3／MW·h（碟式用水較少約0.075 7m3／（MW·h）），但全球絕大多數(shù)太陽能豐富地區(qū)都面臨水資源缺乏的問題，因此水資源是太陽能熱發(fā)電發(fā)展的主要制約因素。如果采用空冷技術(shù)，太陽能熱發(fā)電站的用水量會大幅降低，約為0.299m3／（MW·h），但同時也將導(dǎo)致投資成本上升7%～9%以及發(fā)電量減少約5%。

2.2 全球太陽能熱發(fā)電站建設(shè)情況

至2011年7月，全球已投入運(yùn)行的太陽能熱發(fā)電站（包括示范電站）為42座（見表1），裝機(jī)容量1 394.3MW。其中，西班牙境內(nèi)共有21座太陽能熱發(fā)電站，約占總裝機(jī)容量的61.1%；美國境內(nèi)共有17座太陽能熱發(fā)電站，約占總裝機(jī)容量的36.5%。另外，德國、以色列、意大利和埃及境內(nèi)分別有一座太陽能熱發(fā)電站。

表1 全球已投運(yùn)太陽能熱電站

目前國際經(jīng)驗(yàn)顯示，建設(shè)一座50MW無儲熱或一座30MW帶6h儲熱的太陽能熱發(fā)電站（槽式或塔式）需要占地約1平方公里。

在西班牙建成的50MW無儲熱槽式電站，（DNI為2 100kW·h／（m2·a）），總投資2.543億歐元，單位投資成本為5 086歐元／kW，如表2所示。國內(nèi)50MW無儲熱槽式電站總投資約需10億人民幣，單位投資成本為20 257元／kW，相當(dāng)于2 250.8歐元／kW。但目前國內(nèi)還沒有實(shí)際的槽式太陽能熱發(fā)電工程，槽式電站還不具備商業(yè)化生產(chǎn)能力，聚光場建設(shè)費(fèi)用占比較高（約為62%）。

表2 西班牙50MW槽式電站投資項(xiàng)目成本

2.3 太陽能利用的國內(nèi)外動態(tài)

美國能 源 部 （U.S.Department of Energy Office，DOE）將聚焦式太陽能（Concen－trated Solar Power，CSP）定作基礎(chǔ)負(fù)荷電站。根據(jù)美國政府的新能源戰(zhàn)略，到2012年確保10%的電力來自可再生能源，2025年達(dá)到25%，太陽能熱發(fā)電將成為增長最快的可再生能源。美國加州規(guī)劃到2030年，加州太陽能熱發(fā)電占可再生能源的40%，為光伏發(fā)電的400%，目前，在加州能源局處于審批公示階段中的CSP裝機(jī)容量已達(dá)24GW。

歐洲計劃投資4 000億歐元在非洲撒哈拉大沙漠建造世界最大的太陽能熱發(fā)電廠項(xiàng)目［3］；2009年10月30日，歐洲沙漠CSP行動計劃合資公司在慕尼黑正式成立，計劃3年內(nèi)出臺可行的具體項(xiàng)目方案，10年后正式開始供電，2050年向歐洲提供15%的用電。參與項(xiàng)目的跨國公司有德國最大銀行德意志銀行、國際電子巨頭西門子公司等。環(huán)地中?？稍偕茉措娏苋鐖D5所示。

中國“863”項(xiàng)目“十一五”重點(diǎn)支持1MW塔式太陽能熱發(fā)電示范工程建設(shè)，青海與西藏已分別批準(zhǔn)立項(xiàng)，在格爾木、拉薩分別建設(shè)100MW和50MW塔式熱發(fā)電站。在國家科技部引導(dǎo)下成立了太陽能光熱產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，見圖6所示。

圖5 環(huán)地中?？稍偕茉措娏?gòu)架圖

圖6 中國太陽能光熱產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟

2.4 全球熱發(fā)電裝機(jī)增長預(yù)測

全球太陽能熱發(fā)電在經(jīng)歷了20世紀(jì)90年代的停滯期，2007年之后重新進(jìn)入加速發(fā)展階段（見圖7）。預(yù)計到2014年，全球裝機(jī)將接近15GW［4］。

圖7 全球太陽能熱發(fā)電裝機(jī)預(yù)測

通過規(guī)模建設(shè)、技術(shù)改進(jìn)、降本增效，太陽能熱發(fā)電成本將大幅度降低，預(yù)計到2020年成本將下降35%～50%，2012—2025年熱電成本總體趨勢預(yù)測如圖8所示。

圖8 太陽能熱發(fā)電降本趨勢

約至2020年，全球太陽能熱發(fā)電有望進(jìn)入大規(guī)模應(yīng)用時代。全球太陽能發(fā)展趨勢如圖9所示。

圖9 全球太陽能熱發(fā)電發(fā)展階段

3 太陽能熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢

3.1 高參數(shù)、高效率

系統(tǒng)效率與集熱溫度密切相關(guān)，如圖10所示。通過增大聚光比，提升集熱溫度，可以有效提高系統(tǒng)效率；因此，太陽能熱發(fā)電技術(shù)總體朝高參數(shù)、高效率方向發(fā)展。

圖10 太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)效率與集熱溫度

3.2 塔式將成為主流技術(shù)

在已運(yùn)行的太陽能熱發(fā)電站中，拋物面槽式技術(shù)是應(yīng)用最多的技術(shù)形式，約占總裝機(jī)容量的87.9%（見圖11）。美國SEGS是世界首座槽式太陽能熱發(fā)電站，建于20世紀(jì)80年代，已持續(xù)盈利運(yùn)行至今。槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)被證明是目前世界上最成熟的太陽能熱發(fā)電技術(shù)，投資風(fēng)險系數(shù)相對較小。

圖11 太陽能熱發(fā)電電站技術(shù)形式

截至2011年7月，國外正在建設(shè)中的太陽能熱發(fā)電站的裝機(jī)容量約為2.747GW，槽式和塔式兩種技術(shù)形式的應(yīng)用比例已開始拉近，分別為49.2%和42.5%，主要原因是塔式系統(tǒng)的聚光比高于槽式系統(tǒng)，故塔式系統(tǒng)可以進(jìn)行更高溫度的運(yùn)行，從而產(chǎn)出更高的系統(tǒng)效率以及更多的電力。

國家“863”項(xiàng)目“1MW塔式太陽能熱發(fā)電示范工程”重點(diǎn)推進(jìn)塔式太陽能熱發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)，建立實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與平臺，探索大規(guī)模、低成本商業(yè)化電站的技術(shù)途徑。“973”項(xiàng)目（2010—2014年）重點(diǎn)支持高效規(guī)?；柲軣岚l(fā)電的基礎(chǔ)研究。

塔式太陽能熱發(fā)電電站如圖12所示。

圖12 塔式太陽能熱發(fā)電電站

塔式系統(tǒng)主要從以下方向進(jìn)行改進(jìn)［5］。

（1）鏡場。包括更改設(shè)計，明顯減少材料；使用，非鋼基支架、可靠的定日鏡無線供電和通訊方法，先進(jìn)的自調(diào)控制系統(tǒng)、閉環(huán)跟蹤，優(yōu)化定日鏡曲面，低輪廓定日鏡，減少風(fēng)載，光學(xué)改進(jìn)二次聚光，污染自動檢測和反射率評估，驅(qū)動塔或地面安裝基座，減少場地分級和整地，增加產(chǎn)量。

（2）吸熱器。包括能穩(wěn)定工作長循環(huán)壽命的高溫材料；設(shè)計腔體吸熱器及其他能在高溫有效集熱方案中，如顆粒、光柱向下、體積式、模塊化，模擬吸熱器在部分受載狀態(tài)下的模型，吸熱器采用石英窗覆蓋，以塔為容器集成儲熱系統(tǒng)，設(shè)計模塊化、輕質(zhì)的塔，可快速組合與安裝。

（3）儲熱系統(tǒng)。包括具有更好的熱穩(wěn)定性和更高儲能密度的高溫儲能方案，如新型無機(jī)液態(tài)材料、固體顆粒材料、相變材料、熱化學(xué)方法；能增加現(xiàn)有液態(tài)材料（60%NaNO3／40%KNO3熔鹽）儲能容量的添加劑；可在更高溫度工作的非硝酸鹽，輕質(zhì)、緊湊儲熱系統(tǒng)，可集成在塔內(nèi)或塔上。

（4）發(fā)電與電廠平衡。包括先進(jìn)的非超臨界蒸汽動力循環(huán)，如超臨界CO2或空氣布雷頓；工業(yè)微型渦輪機(jī)可降低尺寸和成本；高效聯(lián)合循環(huán)發(fā)電；開發(fā)高溫?fù)Q熱器、高溫耐腐蝕硬件；高效吸收制冷系統(tǒng)冷卻透平壓氣機(jī)進(jìn)口；模塊化電廠設(shè)計；非電力應(yīng)用，如太陽能燃料、海水淡化、熱電聯(lián)產(chǎn)、提高原油采收率。

3.3 儲熱技術(shù)將成為研發(fā)熱點(diǎn)

國家“十二五”科技支撐項(xiàng)目（2011—2015年）重點(diǎn)支持太陽能儲熱技術(shù)與規(guī)模化應(yīng)用。

應(yīng)用儲熱技術(shù)的熱發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行如圖13所示。

圖13 儲熱塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)示意圖

儲熱技術(shù)的研發(fā)重點(diǎn)包括［6］如下內(nèi)容。

（1）導(dǎo)熱液。開發(fā)先進(jìn)的機(jī)械與多物理系統(tǒng)的建模能力及高溫穩(wěn)定性和性能測量的新標(biāo)準(zhǔn)，以利于定義電廠集成對傳熱流體（Heat Tnansfer Fluid，HTF）的性能和可靠性要求。開發(fā)單一的傳熱／儲熱流體，最好是輻射特性有所改善。流體類型包括液態(tài)金屬（鈉（Na）、鋁／錫（Al／Sn））、氣體（氮?dú)猓?、納米流體、高溫非硝酸鹽、離子液體或硫。液態(tài)鈉用于核電已有研究，有數(shù)據(jù)可用于CSP。探索表面改性，改進(jìn)液體傳熱。納米流體的結(jié)構(gòu)特性對于理解添加納米顆粒，提高液體性能具有重要性。尋找使用能直接吸收太陽輻射的顆粒。這種系統(tǒng)使用相同顆?？捎糜趦?。開發(fā)熱障涂層以阻止對斯特林機(jī)的氫滲透，評估各種可用于布雷頓系統(tǒng)的導(dǎo)熱液，包括顆粒、空氣、液體或氦。

（2）顯熱儲能。能降低凝固點(diǎn)至環(huán)境溫度附近的熔鹽添加劑。低成本高溫儲熱保護(hù)材料，可能的方法是使用成本較低的墻體材料，開發(fā)能遏制腐蝕性存儲介質(zhì)的保護(hù)涂層。在存儲應(yīng)用未被研究過的材料中進(jìn)行篩選，這些材料包括金屬間化合物、納米流體、天然高溫存儲材料，如熔巖、巖石、沙子、水泥。

（3）相變儲能。研究相變材料（Phase Change Material，PCM）合金。充分研究氯酸鹽、硫酸鹽、碳酸鹽用于高溫存儲，開發(fā)固態(tài)的具有高熱傳導(dǎo)的材料或復(fù)合材料，可與HTF混合的微納米PCM包覆方法，以減少儲能材料在充、放電時的傳熱損失。開發(fā)專門用于蝶／斯特林的PCM，開發(fā)接收器與斯特林發(fā)動機(jī)組件集成所需熱管，以增加系統(tǒng)所需的高傳熱率和功率密度。

（4）熱化學(xué)儲能。固態(tài)反應(yīng)物加上氣態(tài)反應(yīng)物，MO＋CO2＝MCO3；使用SO2，SO3，H2O與其他氣體的反應(yīng)；有液態(tài)反應(yīng)物（S）和液體產(chǎn)品的體系；低于400℃的有機(jī)反應(yīng)，如解聚與聚合的轉(zhuǎn)化；溫度較高的無機(jī)反應(yīng)物，基于硅氧烷化學(xué)［－S（CH3）2O－］n的聚合／解聚反應(yīng)；硫聚合／解聚；涉及熔融金屬和金屬氧化物冶金轉(zhuǎn)換；氣態(tài)反應(yīng)物與液或氣體產(chǎn)品；重整反應(yīng)和逆反應(yīng)；甲烷化使用600℃～700℃催化劑；氣態(tài)反應(yīng)物與氣體產(chǎn)品高水平的化學(xué)過程建模軟件以顯示化學(xué)儲存周期，及熱力學(xué)、動力學(xué)、副產(chǎn)品、余熱回收、分離等。

4 結(jié) 語

全球太陽能熱發(fā)電可開發(fā)量巨大，太陽能熱發(fā)電可以采用相對經(jīng)濟(jì)的儲熱系統(tǒng)，電力品質(zhì)好，可擔(dān)當(dāng)基礎(chǔ)電力負(fù)荷；通過規(guī)模建設(shè)、技術(shù)改進(jìn)、降本增效，太陽能熱發(fā)電成本將有較大幅度降低，預(yù)計至2020年，全球太陽能熱發(fā)電將進(jìn)入大規(guī)模應(yīng)用時代。由于規(guī)模大、效率相對較高，太陽能塔式發(fā)電技術(shù)將快速發(fā)展，有望成為一種光熱發(fā)電的主流技術(shù)，儲熱技術(shù)也將得到廣泛應(yīng)用。

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