國內太陽能熱發電技術發展與應用現狀

武漢凱迪電力工程有限公司 ■ 趙志華 劉劍軍

一 引言

太陽能熱發電是利用聚光器將太陽輻射能匯聚，生成高密度的能量，通過熱功循環來發電的技術[1]。我國太陽能熱發電技術的研究開發工作始于70年代末，一些高等院校和科研所等單位和機構，對太陽能熱發電技術做了不少應用性基礎實驗研究，并在天津建造了一套功率為1kW的塔式太陽能熱發電模擬實驗裝置，在上海建造了一套功率為1kW的平板式低沸點工質太陽能熱發電模擬實驗裝置[2、3]。

二 太陽能熱發電技術概況

目前主流的太陽能熱發電技術主要有4種方式：塔式、槽式、碟式和線性菲涅爾式[4]，這4種太陽能光熱發電技術各有優缺點。

塔式太陽能聚光比高、運行溫度高、熱轉換效率高，但其跟蹤系統復雜、一次性投入大，隨著技術的改進，可能會大幅度降低成本，并且能夠實現大規模地應用，所以是今后的發展方向。槽式技術較為成熟，系統相對簡單，是第一個進入商業化生產的熱發電方式，但其工作溫度較低，光熱轉換效率低，參數受到限制。碟式光熱轉換效率高，單機可標準化生產、既可作分布式系統單獨供電，也可并網發電，但發電成本較高、單機規模很難做大。線性菲涅爾式結構簡單、發電成本低、具有較好的抗風性能，但工作效率偏低、且由于發展歷史較短，技術尚未完全成熟，目前處于示范工程研究階段。

各聚光熱發電系統的技術比較見表1。

三 我國太陽能熱發電應用典型示范電站

近年來，我國積極探索太陽能熱發電技術，建立了一批示范電站。在塔式方面建設的示范電站有：

2010年中科院電工所、皇明太陽能和華電集團聯合開發在北京八達嶺建成的1MW塔式太陽能熱電站，該項目于2012年8月成功發電，采用皇明太陽能的定日場，主要用于試驗研發，是國際上第一臺成功運行的直接生產過熱蒸汽的光熱電站。

2012年青海省德令哈50MW塔式太陽能發電站項目一期發電裝機容量10MW，分兩個5MW的聚光鏡場，各對應一個集熱塔，塔總高約92m。第一臺塔于2012年8月投運，第二臺塔2012年12月投運，見圖1。

表1 各聚光熱發電系統的技術比較

該項目采用多塔模塊化的方式，旨在實現模塊化分期建設，多塔運行，并得以推廣應用。定日鏡采用小平面鏡(2m2)的模塊化塔式太陽能熱發電技術路線，水工質直接生成飽和蒸汽技術與中高溫儲熱技術相結合。一期總占地面積約40萬m2。系統流程為通過定日鏡場聚光到集熱器，集熱器內導熱介質為水工質，加熱成飽和蒸汽，蒸汽參數為：9.8MPa、310℃，產汽量22.5t/h；兩集熱器出口蒸汽共同接入到燃氣鍋爐內，進行過熱，鍋爐出力45t/h，過熱蒸汽參數：8.83 MPa、510℃，再進入汽輪發電機發電。

項目系統效率：鏡場光學峰值效率69%，集熱器峰值效率88%，汽輪機峰值效率40%。年峰值效率24%，實測平均效率達15.7%。一期工程總投資2.1億元，其中太陽島成本占50%。

該電站鏡場主要采用小平面鏡多塔運行方案，實現規模化、標準化生產，提高了抗風性能，減少每單元實施技術難度，降低了制造難度和成本。但控制系統相當復雜，每面鏡子均設有一個控制執行機構，兩個鏡場約30000面鏡子，根據太陽運轉規律開環控制，在聚光方面通過相機塔和塔下方的BCS板光斑對比來校正和補償反射鏡的聚光定位。

該項目采用國內中控自主知識產權，并實現了全部裝備的國產化與產業化，具有技術先進、性能可靠、效率高、建設周期短等特點；項目的實施為國內塔式太陽能規模化發展提供了重要的示范作用，模塊化設計可根據電站裝機總需求和地理環境靈活配置不同規模的鏡場模塊，達到經濟最優；積累了工程推廣應用的經驗，為下一步機組大型化、標準化、儲熱技術和降低成本方面的研發奠定了堅實的基礎。

國內槽式示范電站主要有：

國電青松吐魯番180kW槽式太陽能熱發電站，2010年6月并網，總投資1500萬元。中廣核在青海德令哈50MW槽式太陽能光熱發電項目2012年動工，占地246公頃，總投資25億人民幣，年發電2億kWh，實現太陽能24h全天候發電，電源穩定程度接近火電。

碟式太陽能示范電站有：

中科院電工所于2006年建立的1kW碟式斯特林太陽能熱發電系統。在直射輻射強度大于450W/ m2的條件下，系統成功完成可穩定連續的輸出線電壓為100V左右的三相交流電的測試，成為國內第一個可以連續發電的碟式斯特林太陽能熱發電系統。

菲涅爾太陽能示范電站主要為小型試驗項目：

皇明太陽能公司在山東德州廠房頂部建設的2.5MW線性菲涅爾聚光技術的示范工程，聚光面積27000m2，輸出溫度320℃，2010年底完成建設。

南京工業大學的菲涅爾試驗裝置采用東莞中能陽光科技有限公司的線性菲涅爾聚光系統及跟蹤機構，聚光面積435m2，集熱器內吸熱介質為導熱油，使用溫度200℃左右，產生飽和蒸汽，用于體育館制冷、供熱系統，2012年11月成功投入運行。

四 國內主要設備生產現狀

1 國內的主要光熱發電集成商現狀

浙江中控太陽能技術有限公司為國內最早從事塔式太陽能熱發電技術研究的企業之一。該公司在杭州設有試驗基地，在青海德令哈建設總裝機容量50MW，其鏡場多次經歷沙塵暴和低溫考驗。另外，皇明太陽能公司為較好的塔式光場集成商，是中科院電工所的北京延慶1MW塔式電站光場總承包商，提供設計、供貨、調試，已完成投運。

槽式熱發電系統集成商較好的有北京中海陽、常州龍騰、康達機電等公司，均可提供光場整體技術集成和供貨。幾家公司均有相應的小單元槽式樣機，有專門的實驗基地和正規專業的研發團隊。

菲涅爾光熱發電方面有東莞中南能源科技有限公司在南京中業大學的菲涅爾示范項目。蘭州大成科技股份有限公司在蘭州建有槽式與菲涅爾串聯運行示范裝置，發電功率為200kW，該公司是國家綠色鍍膜技術與裝備工程技術研究中心。皇明太陽能公司也在其德州中國太陽谷廠房頂上建設有2.5MW菲涅爾示范太陽能發電站。

2 國內的主要光熱關鍵設備的制造商概況

(1)在集熱管方面有青島奧凱利、天瑞星、匯銀公司、常州龍騰、皇明太陽能，這幾家為國內集熱管技術較好的供貨商。據了解，奧凱利槽式系統集熱管在新疆國電180kW的槽式試驗裝置有一年的運行經驗，運行效果較好； 南京工業大學菲涅爾示范裝置用的集熱管也為奧凱利產品。皇明公司生產的高溫集熱鍍膜鋼管向德國諾瓦蒂公司供應鍍膜鋼管用于其在西班牙建立的世界上第一個商業菲涅爾式太陽能熱發電示范站，已成功運行兩年且實現并網發電。

(2)聚光反射鏡供貨商在國內應用最多的是浙江大明、臺玻，這兩個廠家均有出口業績，并有國外引進的成熟的生產線。蘭州大成、武漢圣普、北京中海洋也有用于光熱發電反射鏡的產品。在反射鏡規格和參數方面，關鍵技術為鍍膜，槽式反射鏡的規格基本上均為標準化尺寸，拋物面開口尺寸為5770mm。 塔式和菲涅爾反射鏡尺寸還沒有標準化，因各家技術特點，鏡面大小選擇不同。

(3)導熱油換熱、熔鹽儲熱技術方面：目前國內光熱示范電站沒有采用熔鹽儲熱的。我國熔鹽儲熱技術還在研發階段，中科院電工所、北京工業大學均在熔鹽儲熱方面做了大量的研究。目前國內槽式電站多數采用導熱油換熱，陶氏生產的導熱油在全球光熱電站項目中應用較多，陶氏合成有機導熱油最高使用溫度400℃。國內的廠家導熱油供貨商也有幾十家，例如無錫曉揚、山東恒利、北京燕山等，高溫合成油最高溫度標牌是300℃以上，但據了解，一般性能較差，運行溫度基本在300℃以下。

五 熱發電技術未來發展和研究方向

聚光太陽能熱發電在未來的研發和應用中，將朝著“高參數、大容量、連續發電、低成本”[5]方向發展。目前，我國聚光型太陽能發電還處在示范項目建設階段，沒有連續穩定運行的示范電廠，國內生產的集熱管、聚光反射鏡、導熱油、熔鹽還沒有經過項目的連續長期運行檢驗。

未來幾年的發展要在提高聚光比、提高運行溫度和提高熱電轉換效率方面攻克難關，在高反射率反射鏡、高精度跟蹤控制系統、高傳熱、太陽能熱電轉換等核心技術和關鍵設備方面加大研發力度；建設大型聚光熱發電項目示范工程、增大發電規模，加大國產化設備力度，旨在向攤薄投資成本和單位發電成本目標發展。同時因高溫熔鹽具有導熱系數大、熱穩定性和化學穩定性好、質量傳遞速度快、溫度極限高等優點，是光熱發電連續運行的發展需求，所以蓄熱技術的研究和攻關將是光熱發電商業化運行的重點研究范疇。

[1] 李和平.加快太陽能熱發電關鍵技術的研究和開發[J].高科技與產業化.2008(11): 27.

[2] 郝雷, 顧寶霞, 王樹茂, 等.太陽能熱發電的研究現狀與前景展望[J].陽光能源.2009(3): 40.

[3] 許繼剛, 王正.太陽能熱發電技術的發展現狀[J].2009年全國發電廠熱工自動化年會論文

[4] 王澤凱.太陽能光熱發電技術應用與發展[J].玻璃.2012(6): 30.

[5] 杜鳳麗.太陽能熱發電發展現狀及趨勢[J] .新材料產業.2012(7):8.