聚光光熱發電系統的研究與展望

梁玉紅

(湖北汽車工業學院電氣與信息工程學院，湖北 十堰 442002)

1 引言

太陽能是取之不盡用之不竭的資源，聚光光熱系統發電(CSP)是目前發展迅速的一種太陽能發電技術。它的基本原理是利用匯聚的太陽能光將熱量接收器的介質(液體或者氣體)加熱到非常高的溫度，然后把這部分熱量轉換為機械能，再從機械能轉化為電能。相對的，傳統晶硅、薄膜太陽能發電和CPV系統發電有較大的區別(圖1)。目前主要有4種CSP技術路線，分別是拋物面槽式、集熱塔式、線性菲涅爾式、拋物面碟式。其中拋物面槽式CSP系統擁有最成熟的技術和最低的單位建設成本，因此是目前在運行的CSP電站中采用最廣泛的技術路線，而這同時也意味著它提高效率或壓縮成本的空間已十分有限。

圖1 聚光光熱CSP發電的能量轉換過程

以融鹽等新型導熱介質替代目前所采用的合成油或許是槽式CSP電站在效率上更上一層樓的唯一方式，但低溫凝結、管道腐蝕等問題，仍然是進行這一技術改造所必須面對的障礙。

目前運行中的商業化大型集熱塔式CSP電站還不多，規模化以后，定日鏡等用量較大的組件將有比較大的成本下降空間;另外，由于管道結構相對槽式系統要簡單得多，對其進行融鹽化導熱介質改造的難度也較低［1～3］。

2 CSP系統分類技術解析與對比

拋物面槽式CSP系統擁有最成熟的技術和最低的建設成本，因此是目前在運行的CSP電站中采用最多的技術路線，而這同時也意味著它提高效率或壓縮成本的空間已十分有限。

以融鹽等新型導熱介質替代目前所采用的合成油或許是槽式CSP電站在效率上更上一層樓的唯一方式，但低溫凝結、管道腐蝕等問題，仍然是進行這一技術改造必須面對的障礙。

目前運行中的商業化大型集熱塔式CSP電站還不多，規模化以后，定日鏡等用量較大的組件將有比較大的成本下降空間;另外，由于管道結構相對槽式系統要簡單得多，對其進行融鹽化導熱介質改造的難度也較低(圖2、圖3)。

圖2 拋物面碟式聚光系統

圖3 拋物面碟式CSP電站

線性菲涅爾的CSP系統結構簡單、且通過直接以匯聚的太陽光加熱水產生蒸汽發電的方式，因此對于小規模系統其建設投資的絕對數額會較小，然后，由于工作效率明顯低于另外3種技術路線，實際折合到單位功率的建設成本則一點也不便宜，甚至是4種技術中最貴的。并且，也很難為該類型系統配置儲熱裝置。

改進光學結構的設計或許是線性菲涅爾CSP系統進一步提升效率的唯一出路;發揮其結構簡單、建造方便的優點，作為分布式電源對一些電力需求不高的偏遠地區進行供電或許是適合該類型CSP電站的市場定位。

從技術的角度看，拋物面碟式CSP系統優勢明顯:高效率和模塊化部署的特點使該技術有足夠的理由被看好，實現大規模生產后，如果零部件供應鏈的配套能夠及時跟上，成本也有明顯的下降空間。

斯特林發動機并非拋物面碟式CSP系統唯一能量轉換方案，目前有些碟式系統開發商也正研究采用微型蒸汽輪機作為熱電轉換單元，同樣能夠發揮碟式系統高聚光效率的優勢。

模塊化部署能力是除碟式系統外的另3種技術路線所不具備的，因此碟式CSP系統是唯一具有“大小通吃”能力的CSP技術，然而由于其本身沒有任何儲熱能力，因此百兆瓦級大型電站的運行效率和經濟性仍有待觀察(表 1)［4～8］。

表1 4種CSP電站類型的技術特點、性能、及成本對比

3 全球CSP系統電站項目發展現狀

CSP裝機規模將迎來爆發式增長，各項技術類型占比格局發生明顯變化，2006年，隨著發達國家對可再生能源使用比例的強制要求和相關激勵性合同電價政策的出臺，CSP在以西班牙和美國為代表的市場開始興起。

目前，全球運行中和建設中的CSP電站已分別超過了800MW和900MW的裝機規模，規劃中的工程(包括已簽合同或開發協議的2013年之前動工項目)則高達 12.5GW(圖 4)。

據統計，至2011年，西班牙投用新設施后，已超過美國成為世界最大的太陽能光熱發電能量生產國。西班牙設置的發電能力已超越了位于榜首位置的美國。加上投用新設施，西班牙現已擁有11套設施在運作，另有 20 套處于建設階段(圖 5)［9～11］。

圖4 至2050年全球CSP電站累計裝機容量預測

圖5 全球GSP電站規模及各種技術類型所占比例

4 結語

從發電成本來看，以平準化電力成本(LCOE)衡量的大型槽式CSP電站發電成本目前處在200～300元/MWh的水平，并主要受電站所在地的直射陽光資源水平的影響。當為CSP電站配置大容量儲熱系統時，雖然儲熱系統本身和為其增加的集熱場面積將明顯抬高電站的單位裝機容量建設成本，但由于發電利用小時數的提高，單位電量發電成本的變化將十分有限。長期來看，隨著CSP電站成本的逐步降低和火電價格的不斷提升，CSP發電的價格優勢將逐漸顯現。

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