太陽能熱發電應用前景與技術發展趨勢分析

曾樂才

（上海電氣集團股份有限公司 中央研究院，上海200070）

太陽能熱發電應用前景廣闊。本文闡述了太陽能熱發電的特點，介紹了國內外的太陽能利用動態及太陽能熱發電的利用前景，分析了太陽能熱發電技術的發展趨勢。

1 太陽能熱發電及主要特點

1.1 太陽能熱發電主要形式

太陽能利用的基本方式有2種：① 光伏發電；② 太陽熱利用。按照溫度區分，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、太陽能工農業供熱系統等；而高溫利用主要包括太陽能熱發電、太陽能熱化學制燃料、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

太陽能熱發電是將太陽能轉換為熱能，通過熱－功轉換過程發電的系統。除了與常規火力發電類似的熱—功轉換系統外，太陽能熱發電首先還有一個光—熱轉化的過程。太陽能熱發電站一般由聚光集熱系統、儲熱系統和熱—功—電轉換系統組成。太陽能熱發電主要技術有3種：太陽能拋物面槽式發電、太陽能塔式發電、太陽能碟式－斯特林發電。將槽式拋物面線性離散化，槽式發電可轉變為線性菲涅耳式發電，如圖2所示。

圖2 太陽能熱發電主要形式

1.2 太陽能熱發電主要特點

太陽能熱發電的一個主要優勢是電力品質好，可擔當基礎電力負荷。太陽能熱發電可以采用相對經濟的儲熱系統（見圖3），實現如下功能：① 容量緩沖；② 電力輸出可控性；③ 電力輸出平穩；④ 提高年利用率，增加滿負荷發電時數；⑤ 提高太陽能熱發電站的有效性，降低發電成本。研究顯示，一座帶有儲熱系統的太陽能熱發電站，年利用率可以由無儲熱的25%提高到65%以上；因此，儲熱技術是太陽能熱發電與光伏發電等其他可再生能源發電競爭的一個關鍵要素。利用長時間儲熱系統，太陽能熱發電可以在未來滿足基礎負荷電力場的需求。

圖3 太陽能熱發電儲熱作用示意圖

2 太陽能熱發電應用前景與動態

2.1 太陽能熱發電可開發前景

影響太陽能熱發電可開發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、水資源和建設地區電網基礎設施等，其中DNI值與地形被認定為是太陽能熱發電宏觀經濟開發量評估的決定因素。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，適宜建設太陽能熱發電站的理想地區的DNI應大于1 800kW·h／（m2·a）。不同太陽能熱發電形式對地形要求不盡相同。槽式和線性菲涅爾發電要求地面坡度在3%以下；塔式每臺定日鏡都是單獨的“個體”，對坡度要求較為寬松，可以適合5%～7%以下的地面坡度；碟式單機規模較小，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，則全球太陽能熱發電經濟可開發裝機容量約為791TW和988TW，可開發的發電量約為1 977PW·h／a（2 472PW·h／a）。遠大于目前全球實際用電需求（2011年全球發電量為22.17PW·h），其中，中國太陽能熱發電經濟可開發量約為35.71TW。按測算，360km×360km的沙漠（全球沙漠的0.31%）可裝機10 000GW，年發電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展太陽能熱發電得到滿足［2］，如圖4所示。

圖4 全球太陽能熱發電應用前景示意圖

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

2.2 全球太陽能熱發電站建設情況

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

表1 全球已投運太陽能熱電站

目前國際經驗顯示，建設一座50MW無儲熱或一座30MW帶6h儲熱的太陽能熱發電站（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，相當于2 250.8歐元／kW。但目前國內還沒有實際的槽式太陽能熱發電工程，槽式電站還不具備商業化生產能力，聚光場建設費用占比較高（約為62%）。

表2 西班牙50MW槽式電站投資項目成本

2.3 太陽能利用的國內外動態

美國能 源 部 （U.S.Department of Energy Office，DOE）將聚焦式太陽能（Concen－trated Solar Power，CSP）定作基礎負荷電站。根據美國政府的新能源戰略，到2012年確保10%的電力來自可再生能源，2025年達到25%，太陽能熱發電將成為增長最快的可再生能源。美國加州規劃到2030年，加州太陽能熱發電占可再生能源的40%，為光伏發電的400%，目前，在加州能源局處于審批公示階段中的CSP裝機容量已達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電廠項目［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年內出臺可行的具體項目方案，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。環地中?？稍偕茉措娏苋鐖D5所示。

中國“863”項目“十一五”重點支持1MW塔式太陽能熱發電示范工程建設，青海與西藏已分別批準立項，在格爾木、拉薩分別建設100MW和50MW塔式熱發電站。在國家科技部引導下成立了太陽能光熱產業技術創新戰略聯盟，見圖6所示。

圖5 環地中海可再生能源電力構架圖

圖6 中國太陽能光熱產業技術創新戰略聯盟

2.4 全球熱發電裝機增長預測

全球太陽能熱發電在經歷了20世紀90年代的停滯期，2007年之后重新進入加速發展階段（見圖7）。預計到2014年，全球裝機將接近15GW［4］。

圖7 全球太陽能熱發電裝機預測

通過規模建設、技術改進、降本增效，太陽能熱發電成本將大幅度降低，預計到2020年成本將下降35%～50%，2012—2025年熱電成本總體趨勢預測如圖8所示。

圖8 太陽能熱發電降本趨勢

約至2020年，全球太陽能熱發電有望進入大規模應用時代。全球太陽能發展趨勢如圖9所示。

圖9 全球太陽能熱發電發展階段

3 太陽能熱發電技術發展趨勢

3.1 高參數、高效率

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

圖10 太陽能熱發電系統效率與集熱溫度

3.2 塔式將成為主流技術

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

圖11 太陽能熱發電電站技術形式

截至2011年7月，國外正在建設中的太陽能熱發電站的裝機容量約為2.747GW，槽式和塔式兩種技術形式的應用比例已開始拉近，分別為49.2%和42.5%，主要原因是塔式系統的聚光比高于槽式系統，故塔式系統可以進行更高溫度的運行，從而產出更高的系統效率以及更多的電力。

國家“863”項目“1MW塔式太陽能熱發電示范工程”重點推進塔式太陽能熱發電關鍵技術的研發，建立實驗系統與平臺，探索大規模、低成本商業化電站的技術途徑?！?73”項目（2010—2014年）重點支持高效規模化太陽能熱發電的基礎研究。

塔式太陽能熱發電電站如圖12所示。

圖12 塔式太陽能熱發電電站

塔式系統主要從以下方向進行改進［5］。

（1）鏡場。包括更改設計，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，先進的自調控制系統、閉環跟蹤，優化定日鏡曲面，低輪廓定日鏡，減少風載，光學改進二次聚光，污染自動檢測和反射率評估，驅動塔或地面安裝基座，減少場地分級和整地，增加產量。

（2）吸熱器。包括能穩定工作長循環壽命的高溫材料；設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，設計模塊化、輕質的塔，可快速組合與安裝。

（3）儲熱系統。包括具有更好的熱穩定性和更高儲能密度的高溫儲能方案，如新型無機液態材料、固體顆粒材料、相變材料、熱化學方法；能增加現有液態材料（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、緊湊儲熱系統，可集成在塔內或塔上。

（4）發電與電廠平衡。包括先進的非超臨界蒸汽動力循環，如超臨界CO2或空氣布雷頓；工業微型渦輪機可降低尺寸和成本；高效聯合循環發電；開發高溫換熱器、高溫耐腐蝕硬件；高效吸收制冷系統冷卻透平壓氣機進口；模塊化電廠設計；非電力應用，如太陽能燃料、海水淡化、熱電聯產、提高原油采收率。

3.3 儲熱技術將成為研發熱點

國家“十二五”科技支撐項目（2011—2015年）重點支持太陽能儲熱技術與規?；瘧?。

應用儲熱技術的熱發電系統的運行如圖13所示。

圖13 儲熱塔式太陽能熱發電系統示意圖

儲熱技術的研發重點包括［6］如下內容。

（1）導熱液。開發先進的機械與多物理系統的建模能力及高溫穩定性和性能測量的新標準，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。流體類型包括液態金屬（鈉（Na）、鋁／錫（Al／Sn））、氣體（氮氣）、納米流體、高溫非硝酸鹽、離子液體或硫。液態鈉用于核電已有研究，有數據可用于CSP。探索表面改性，改進液體傳熱。納米流體的結構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。這種系統使用相同顆?？捎糜趦?。開發熱障涂層以阻止對斯特林機的氫滲透，評估各種可用于布雷頓系統的導熱液，包括顆粒、空氣、液體或氦。

（2）顯熱儲能。能降低凝固點至環境溫度附近的熔鹽添加劑。低成本高溫儲熱保護材料，可能的方法是使用成本較低的墻體材料，開發能遏制腐蝕性存儲介質的保護涂層。在存儲應用未被研究過的材料中進行篩選，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，開發固態的具有高熱傳導的材料或復合材料，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。開發專門用于蝶／斯特林的PCM，開發接收器與斯特林發動機組件集成所需熱管，以增加系統所需的高傳熱率和功率密度。

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

4 結 語

全球太陽能熱發電可開發量巨大，太陽能熱發電可以采用相對經濟的儲熱系統，電力品質好，可擔當基礎電力負荷；通過規模建設、技術改進、降本增效，太陽能熱發電成本將有較大幅度降低，預計至2020年，全球太陽能熱發電將進入大規模應用時代。由于規模大、效率相對較高，太陽能塔式發電技術將快速發展，有望成為一種光熱發電的主流技術，儲熱技術也將得到廣泛應用。

［1］姚志豪.全球太陽能光熱發電發展報告［EB／OL］.（2010－08－13）［2012－04－15］.http：／／wenku.baidu.com／view／492a204de518964bcf847ccd.html.

［2］Steinmetz O.Clean Power from Deserts［EB／OL］.（2011－12－09）［2012－04－30］.http：／／www.academyofathens.gr／Documents／solar＿energy＿concentrating＿solar＿power／desertec.pdf.

［3］Deserttec.The Focus Region EU－MEBA ［EB／OL］.（2012－04－30）［2012－04－30］.http：／／www.desertec.org／global－mission／focus－region－eu－mena／.

［4］Atkearney.Solar Thermal Electricity 2025［EB／OL］.（2010－06－01）［2012－04－30］.http：／／www.estelasolar.eu／fileadmin／ESTELAdocs／documents／Cost ＿Roadmap／2010－06－Solar Thermal Electricity 2025－ENG.pdf.

［5］Kolb G J，Ho C K，Mancini T R，et al.SANDIAPower Tower Technology Roadmap and Cost Reduction Plan［EB／OL］.（2011－04－01）［2012－04－30］.http：／／prod.sandia.gov／techlib／access－control.cgi／2011／112419.pdf.

［6］Glatzmaier G.NREL－Summary Report for Concentrating Solar Power Thermal Storage Workshop［EB／OL］.（2011－08－01）［2012－04－30］.http：／／www.nrel.gov／docs／fy11osti／52134.pdf.