太陽能光熱發電技術及國際標準化概述

/機械工業北京電工技術經濟研究所 尹航 盧琛鈺 中國電力企業聯合會 汪毅

中國電力科學研究院 吳福寶 陳志磊 國網電力科學研究院 杜煒

中國科學院電工研究所 李鑫 中國大唐集團新能源股份有限公司 閻秦/

太陽能光熱發電技術及國際標準化概述

/機械工業北京電工技術經濟研究所 尹航 盧琛鈺 中國電力企業聯合會 汪毅

中國電力科學研究院 吳福寶 陳志磊 國網電力科學研究院 杜煒

中國科學院電工研究所 李鑫 中國大唐集團新能源股份有限公司 閻秦/

一、引言

生態環境惡化和能源緊張使世界各國積極開發包括太陽能在內的新能源及可再生能源。太陽能光熱發電是太陽能利用的重要方向，具有電力輸出相對穩定、對電網沖擊較小等優點，配合儲熱更可實現長時間發電。目前，槽式電站已有運行30多年的成功案例，光熱發電的技術成熟度、穩定性和經濟性已得到驗證。

太陽能光熱發電技術經歷了自1991年的長時間停滯之后，近年來得到了很大發展。據統計，截至2013年底，全球太陽能光熱發電市場已投運裝機容量達到約3320MW，主要集中在西班牙、美國兩大傳統市場以及西亞和北非地區；2013年新增裝機容量約606MW，其中西班牙裝機容量增長150MW，美國裝機容量增長280MW，預計2014年仍將有很大增長。沙特、南非、摩洛哥等新興市場在建項目裝機容量、規劃裝機容量及政府推動等因素的推動下，這三大市場和印度市場未來太陽能光熱的裝機容量將出現較大增長。我國西北地區有較好的太陽能資源，但光熱發電產業仍處于起步階段，大多數僅是示范項目，商業電站僅有中控德令哈一期10MW項目于2013年建成。

太陽能光熱發電從技術研發到電廠建設包含許多級技術環節，這些環節都應有相應的規程和標準，以便在組件和系統水平上對術語和性能要求具有統一的理解。目前國際上已有部分組件以及電廠的國家和國際標準，但特定組件和功能以及性能、測試方法等方面的標準仍存在缺失。總體來看，太陽能光熱發電領域的標準仍存在較大缺失。

二、技術概況

太陽能光熱發電是利用大量反射鏡將太陽直射光匯集作為熱源，通過朗肯循環、布雷頓循環或者斯特林循環將熱能轉化為電能。太陽能光熱發電和常規化石燃料燃燒的熱力發電將熱能轉化為電能的原理相同，不同之處在于獲取熱能的方式。太陽能熱發電技術按聚光方式可分槽式、塔式、碟式和菲涅爾式四類。

1、槽式

槽式太陽能光熱發電采用拋物面槽型聚光器跟蹤并聚集直射太陽光，拋物面焦點處的集熱管吸收熱量并加熱工質。集熱管大多采用并聯、串聯的方式以實現較大的發電規模。集熱管的性能和可靠性成為影響槽式發電系統效率和運行成本的重要因素。國際上成熟的集熱管制造商有兩家，目前國內的集熱管制造企業已經超過10家，但是對于要求25年使用壽命的槽式太陽能熱發電站來說，集熱管的產品質量和性能還有待于實際運行考驗。

換熱介質（導熱油、熔融鹽等）是影響槽式系統發電效率的另一因素。美國SEGS系列電站采用了導熱油作為換熱介質，由9座電站組成354MW裝機容量，初期建設的電站已經運行超過30年，新的電價標準低至平均6美分/kWh；2010年意大利阿基米德5MW電站采用熔融鹽作為換熱介質產生蒸汽。熔融鹽可以在550℃下工作，遠高于導熱油的工作溫度，大大提高了發電站的效率，便于能量儲存，以熔融鹽作為換熱介質具有更加廣闊的應用前景。

2、塔式

塔式太陽能光熱發電采用多面定日鏡對太陽光進行跟蹤，將陽光反射并集中到接收塔頂部的吸熱器來加熱工質。塔式系統的聚焦比可達200～1000以上，工作溫度可達1000℃以上。相對于槽式系統，塔式系統無需集熱管部分的管道傳輸系統，熱損失小、系統效率高，也更便于存儲熱量。

塔式的工作介質可以選用熔融鹽、空氣或者水/蒸汽，目前仍以水工質方案的應用最為廣泛，如美國的Solar One、Ivanpah等電站，但以2012年西班牙Gemasolar電站的成功投運為起點，熔融鹽工質的塔式技術將逐步發展成為塔式技術的主流路線。我國中控太陽能德令哈50MW塔式太陽能熱發電站一期10MW成功投運，采用水工質，后期40MW將采用熔鹽作為工質。

3、碟式

碟式系統是通過一個或者多個旋轉拋物面反射鏡來跟蹤并聚焦太陽光，位于焦點位置的吸熱器吸收聚焦的太陽輻射能量加熱工質，以驅動熱機，系統中的熱機大多采用斯特林發動機。碟式系統的聚焦比可達500～1000，焦點處可產生1000℃以上的高溫，由于斯特林機熱效率較高，系統整體效率可達30%以上。碟式系統規模較小，單機功率范圍在3～50kW之間，在分布式能源領域具有良好的應用前景。此外，也可以將碟式系統集成用于大規模發電，但成本相對較高。

碟式系統的核心部件是斯特林發動機，國外技術相對比較成熟。美國SES公司生產的SunCatcher系統，單機功率為25kW，系統最大發電效率達到31.25%。2009年8月至2010年1月，SES公司與Tessera Soar公司合作在亞利桑那州建設了總容量為1.5MW的商業化電站。此外，還有美國SAIC/STM系統、瑞典Cleanergy系統、美國Infinia系統等。近年來，我國已有科研單位對斯特林發動機進行了科技攻關并取得了重要進展，但距離商業應用還需時日。

4、菲涅爾式

菲涅爾式系統由槽式系統演化而來，采用一組可水平放置的條形平面鏡來代替槽式系統里的拋物面型曲面鏡來聚焦太陽光。單個平面鏡分別跟蹤并反射太陽光，反射的太陽光經過二次反射鏡后聚焦到腔式吸熱管來加熱工質。系統一般采用水/水蒸氣作為吸熱介質，采用蒸汽直產方式。相對于槽式系統，平面反射鏡制造難度低，因此大大降低了初始投資成本。菲涅爾式系統的發展相對較晚，技術成熟度較低，商業電站不多。2012年10月，西班牙Puerto Errado 2菲涅爾光熱電站正式并網發電，裝機容量為30MW。該電站是目前世界上已投運的裝機容量最大的菲涅爾光熱電站，目前運行狀況良好。

5、儲熱技術

太陽能光熱發電以太陽光為能量來源，在夜間及遭遇陰雨多云天氣時，由于沒有能量來源，太陽能光熱發電站將無法發電。儲熱技術可以實現熱能在時間和空間上的大容量轉移，使得太陽能光熱發電具有可調度性，真正成為適用于大規模上網的發電技術。儲熱過程實際是在發電過程中進行的，即將多余的熱量進行儲存，在需要提高發電負荷或者無法獲取太陽能時將儲存的熱能釋放，用以實現負荷調節和持續發電。

儲熱材料主要有熔融鹽、金屬、高溫混凝土以及碳酸鹽等，目前常用的比較成熟的儲熱材料是熔融鹽。熔融鹽具有成本低、壽命長、換熱性能好、熱容量大以及工作溫度范圍寬等諸多優點，同時熔融鹽的成分組成注定其具有較高的凝固溫度（140～240℃）以及腐蝕性等缺點。未來熔融鹽儲熱技術的發展方向是研發熔點更低、使用溫區更寬和價格更低的熔融鹽，同時研發相關的換熱設備和儲熱設備并對系統進行優化，提高光熱電站的經濟性。

2008年，建于西班牙Granada省50MW的Andasol-1槽式電站，使用熔融鹽作為儲熱材料，擁有7.5h的儲熱能力，而后又有Valle-1、Valle-2等10臺類似的電站并網發電。2008年，西班牙在Solar one和Solar Two基礎上建設的Solar Tres電站，發電功率15MW，擁有15h的儲熱能力。

三、太陽能光熱發電國際標準化情況

考慮到目前太陽能光熱發電技術的快速發展，商業項目建設等應用需求，針對目前標準缺失的問題，國際電工委員（IEC）會開始著手開展太陽能光熱電廠國際標準化工作。

1、標準化組織情況

IEC于2011年4月正式成立IEC/TC 117（太陽能光熱電廠，Solar thermal electric plants），主要負責研究制定太陽能光熱發電系統及相關部件的國際標準。IEC/TC 117標準化工作的范圍包括：槽式系統、塔式系統、線性菲涅爾式系統、碟式系統等四種發電形式以及儲熱、汽輪機和發電機等相關領域。標準化的內容涵蓋：術語、設計、安裝、性能測試方法、安全性、并網以及環保等方面。考慮到標準制定的需要，IEC/TC 117將同其他相關技術委員會保持聯系與協調，如并網、通訊、智能電網集中控制以及環境等技術委員會。

IEC/TC 117現有22個成員國，其中P成員國11個，O成員國11個，秘書處設在西班牙。目前該技術委員會設有三個特別工作組和兩個項目工作組：

AHG 1：通用項目工作組，負責制定諸如術語、安全要求、太陽年定義等相關標準。AHG 2：系統和部件工作組，負責制定不同技術類型的組件、運行參數和驗收等標準。AHG 3：儲能工作組，負責制定儲熱中的系統和特殊單元方面的標準PT 62862-1-1：術語項目工作組。PT 62862-1-2：典型太陽年定義工作組。

IEC/TC 117成立以來，分別在西班牙馬德里、以色列特拉維夫和美國伊利諾伊召開了三屆年會，2014年11月將在日本東京召開第四屆年會。

2011年8月，國家標準化管理委員會正式批復中國電力企業聯合會、中國電器工業協會分別為IEC/TC 117國內第一和第二技術對口單位，并以P成員身份參加IEC/TC117的國際標準化活動。2013年11月，中國電力企業聯合會、中國電器工業協會、中國電力科學研究院、國網電力科學研究院、中國大唐集團新能源股份有限公司和中國科學院電工研究所等單位派員參加了在美國召開的IEC/TC117年會，全面地了解了國際標準化情況，并開始全面參與國際標準化的工作；2014年4月，IEC/TC117標準化工作研討會上對兩項國際標準提案進行了一件征集，并推薦專家參與PT 62862-1-1工作；國內對口的標準化技術委員會正在籌建中。

2、國際標準化動態

IEC/TC 117國際標準化架構已經基本形成，標準制定工作正在開展，目前取得的主要進展如下：

（1）2013年美國年會上確定了IEC/TC 117標準的編號規則和其對應的技術范圍（表1），除了通用性標準、儲熱和四種發電形式外，還為未來可能出現的技術標準留空。（2）提案情況 美國會議上，根據工作組分工形成的提案情況如表2所示。提案主要包括基礎性標準、應用較為廣泛的槽式系統、菲涅爾式系統和儲熱四個方面，均是來自在西班牙、德國這兩個技術比較成熟的國家，預計在2015～2016年形成一系列國際標準或者技術規范。其中“術語”和“典型太陽年產生方法”兩個基礎性標準提案在2014年4月的P會員投票中以全票通過，預計2015年年底前完成。（3）未來標準化方向 目前IEC/TC 117優先考慮的國際標準主要包括：光熱電站的能量場模型、集熱管測試、驗收、反射鏡（反射參數、形狀及測試）和線性接收器（光學特性、熱力特性等技術要求），未來還將制定經濟性、反射鏡耐久度以及電廠模擬和運行等方面的標準。

表1 編號規則和技術范圍

表2 工作組內容

（4）與其他標準化技術委員會的聯系情況 光熱發電行業涉及專業領域較多，包括一些已有的標準化領域。為了更好地推進標準制定工作，充分吸收已有的標準成果，IEC/TC 117已經或者正在與IEC/TC 5 汽輪機、IEC/TC 82 太陽能光伏系統、ISO/TC 180 太陽能和ISO/TC 192 汽輪機等標準化技術委員會取得聯系，共同進行標準化工作。

四、小結

太陽能光熱發電是一種具有良好前景的綠色能源利用技術。槽式系統技術相對比較成熟，應用也最為廣泛；塔式系統、熔融鹽工質和儲熱是未來發展的主要方向。IEC已在光熱發電領域進行了一系列的標準化工作，標準制定以西班牙、德國等技術領先國家為主導，美國、日本表現出了較高的參與熱情，我國也逐步參與到國際標準化的工作中。

我國太陽能光熱發電產業近年來有了較大發展，在集熱管、反射鏡和跟蹤系統等方面進行了諸多研究工作，并開發出了相關產品。同時，與國外技術先進國家相比，我國太陽能光熱發電的產業基礎相對較弱，仍需要做更多的工程示范和技術積累。建議國家出臺相關政策鼓勵示范性項目建設，帶動光熱發電產業發展，發掘發展國內優勢技術，積極參與國際標準化工作，爭取國際話語權。

[1] http://www．cspplaza．com/article-2858-1．html．

[2] 高嵩,侯宏娟．太陽能熱發電系統分析[J]．華電技術,2009,31(1):70-74．

[3] 陳昕,范海濤．太陽能光熱發電技術發展現狀[J]．能源與環境,2012,1:90-92．

[4] 陳晨,張亮．關于我國開展太陽能光熱發電標準化的若干建議[J]．電器工業,2012,(1):60-62．

[5] IEC文件:117/26/RM．