塔式太陽能熱發電技術在我國發展現狀與前景分析

劉世隆鄧 薇

（1.黃河上游水電開發有限責任公司，西寧 810000；2.黃河水電光伏產業技術有限公司，西寧 810007）

塔式太陽能熱發電技術在我國發展現狀與前景分析

劉世隆1鄧 薇2

（1.黃河上游水電開發有限責任公司，西寧 810000；2.黃河水電光伏產業技術有限公司，西寧 810007）

介紹了塔式太陽能熱發電技術特點以及在國內外的開發建設情況，闡述了我國發展塔式太陽能熱發電技術需要攻克的關鍵技術，通過分析我國發展塔式太陽能熱發電項目具備的優勢及存在的問題，提出相關建議。

塔式太陽能；技術方案；發展前景

太陽能熱發電技術（CSP）是光熱資源高溫利用的一種，與光伏發電相比，太陽能熱發電技術更為節能環保，已物理方式進行光電轉換，環境影響小。如在光伏電站設計上能考慮配套儲能系統，可跟好的發揮光熱電站的優勢，在有云遮擋的情況下，儲能系統可持續釋放能量，確保發電機組運行，保證電能供應的穩定性，提高電網運行的靈活性。

根據聚熱方式的不同太陽能熱發電技術可以分為塔式、槽式、蝶式和菲涅爾式［1］。塔式發電聚光比高，聚光比一般可達到 200～1000；吸熱器的平均熱流密度在 300～1000kW/m2，工作溫度最高達1000℃以上。因此，塔式電站以其集熱效率高，熱工轉換效率高，系統綜合效率高，成本降低空間大，合適大規模應用等優點而成為光熱產業未來大規模應用的主要方向。

1 塔式太陽能熱的技術特點

發電原理：利用定日鏡把太陽光聚焦到位于集熱塔頂部的吸熱器上，加熱吸熱器中的傳熱工質產生熱能，再通過熱交換系統生成高溫蒸汽帶動汽輪機發電。塔式太陽能能的組成主要包括：定日鏡、吸熱器、換熱器、高低溫儲罐、集熱塔、汽輪發電機組等。傳熱工質可以是空氣、水/蒸汽或是熔鹽等。塔式技術能量集中過程是靠反射光線一次完成的，方法簡捷有效且聚光倍數高，容易達到比較高的工作溫度，其中鏡場中的定日鏡數目越多，其聚光比越大，吸熱器的集熱溫度越高，光熱轉換效率越高。

2 國內外塔式太陽能熱發電開發狀況

2.1 國外塔式太陽能熱發電開發概況

1950年，原蘇聯設計了世界上第一座小型塔式太陽能熱發電試驗電站，對太陽能熱發電技術進行了基礎性的探索和研究。從1981—1991年10年間，由于石油危機的影響，替代能源技術在全球興起，其他工業發達國家也陸續投資興建了一批試驗性電站。據不完全統計，當時全世界建造了裝機容量500kW以上的各種不同形式的兆瓦級太陽能熱發電試驗電站20余座，其中塔式電站為主要形式，最大發電功率為80MW。由于單位容量投資過大，因此太陽能熱發電站建設逐漸冷落下來。近兩年，太陽能熱發電再次成為國際可再生能源領域的投資熱點。相關數據顯示，全球新增清潔能源投資流向大型太陽能熱發電領域的趨勢正日益明顯，項目建設規模也越來越大，越來越多的商家將目光投向塔式太陽能熱發電。

目前國際上已經投入商業化運行的塔式太陽能熱發電站有西班牙PS10、PS20和Gemasolar，美國Sierra Sun Tower電站、Ivanpah電站和新月沙丘電站。

Gemasolar是全球首個實現 24h連續發電的塔式太陽能熱發電站，于2011年10月份正式投運，裝機容量19.9MW，年發電量1.1億kW·h，年運行小時數達6450h。Gemasolar發電站的聚光系統由2600多個聚光鏡面板組成，散布在1.85km2的空地上。單個鏡面板接收到的光能被積聚在中央的接收器，將熔鹽罐加熱，通過熱傳導形成高溫壓力蒸氣，推動渦輪機發電。

Ivanpah是目前最大的塔式電站，于 2014年 2月13日正式并網投運，總裝機容量392MW，由三座裝機分別為133MW、133MW和126MW的塔式電站構成，電站年發電量為 1079GWh。Ivanpah電站單塔裝機最高為133MW，首次實現了百MW級塔式電站的開發，從實踐層面驗證了塔式電站大規模開發的可行性。Ivanpah為水工質光熱電站，未配置儲熱系統，由于當地缺水采用了空冷系統，每度電水耗為0.11L，較水冷系統大大的節約了用水量。

美國新月沙丘電站為全球首個百MW級塔式熔鹽電站，于2016年2月22日實現并網發電，裝機110MW，配 10h儲熱系統，設計年發電量 50萬MW·h，電站的熔鹽換熱器、定日鏡集熱場控制與跟蹤系統均由 SolarReserve設計及生產，作為首個百MW級商業化大規模塔式熔鹽電站，目前新月沙丘的發電情況還未達到預期設計。

2.2 國內塔式太陽能熱發電開發概況

相比于國外，我國的太陽能熱發電還處于產業化起步階段，對于其技術的的掌握和研究明顯滯后。為了探索塔式太陽能熱發電系統的研發，國內首座70kW塔式實驗示范電站于2004年在南京市科技局的支持下開始建設，該電站定日鏡場由32臺20m2的定日鏡組成，集熱塔高 33m，吸熱器采用的是以色列提供的有壓腔體式接收器。

由中國科學院電工研究所等單位聯合設計和建設的北京延慶塔式實驗示范電站于2012年8月首次發電成功，裝機容量 1MW，定日鏡由 100臺面積100m2組成，集熱塔高118m，采用了腔體式吸熱器，傳熱介質為水/蒸汽，該電站是我國首座自主研發、設計和建造的MW級塔式太陽能電站。

中控集團青海德令哈50MW塔式太陽能熱發電站一期10MW項目是我國首個塔式發電商業化示范電站，于2013年7月正式投運，電站分東、西兩塔各5MW，鏡場由3萬面2m2的定日鏡組成。為推進塔式熔鹽技術的商業化，目前正進行10MW項目的熔鹽系統改造。

首航節能敦煌10MW熔鹽塔式電站于2014年8月底開工建設，目前處于安裝調試期，該項目帶儲熱15h設計，倘若按期建成，將是我國首個帶儲熱的塔式太陽能熱發電站，其定日鏡的結構設計類似于Gemasolar電站，由35面反射鏡組成，按5×7順序排列，單臺定日鏡采光面積120m2，共1525套定日鏡。

3 關鍵技術分析

3.1 定日鏡及其控制技術

定日鏡是塔式太陽能熱發電系統的聚光單元，它通過跟蹤系統準確地將太陽輻射反射到聚光塔頂的吸熱器上，為確保整體系統的正常、高效運行，定日鏡必須具有高的反射性和定位精確度。因其長期暴露在戶外環境中，還需具有一定的耐腐蝕、耐磨損、抗變形、易清洗等特性。鏡場成本一般占整個塔式光熱電站投資成本的 40%～50%。目前，關于塔式定日鏡的研究主要集中在定日鏡支架結構設計與力學分析、鍍銀反射鏡的耐候性、支架與反射鏡的結合方式、高精度傳動系統及控制系統以及關于定日鏡場的優化設計［2］。

3.2 吸熱器材料及設備

塔式太陽能熱發電中，太陽能接收器是實現發電的關鍵，它將定日鏡所捕捉、反射、聚焦的到的太陽能直接轉化為可利用的高溫熱能，為發電機組提供動力源，從而實現熱發電。吸熱器按結構形式，分為管式吸熱器和容積式吸熱器，吸熱與傳熱介質主要有水/蒸汽、熔鹽和空氣，目前管式熔鹽工質吸熱器被業內普遍青睞。管狀太陽能接收器的優點是它可以接收來自塔四周 360°范圍內定日鏡反射、聚焦的太陽光，有利于定日鏡鏡場的布局設計和太陽能的大規模利用。吸熱器內部結構設計和換熱管金屬材料的耐高溫、耐腐蝕性能的研究，管壁耐高溫選擇性吸收涂層材料的研究、吸熱器內熔鹽高溫分解和腐蝕問題和低溫凝固問題均為關鍵核心技術。

3.3 傳儲熱技術

塔式太陽能熱發電站，多選用熔鹽作為儲熱和傳熱介質，熔融鹽的流動與傳熱特性，直接關系儲熱傳熱循環系統的設計與布置。熔鹽儲熱傳熱的關鍵技術包括對低溫熔鹽的開發、高溫傳熱儲熱材料的制備以及熔鹽傳儲熱系統設備的設計與布置［3-4］。尤其傳儲熱單元管道系統的預熱保溫、疏通、溶堵技術，能在 600℃以上工作溫度下長時間穩定工作的大流量高溫熔鹽泵的設計和制造，以及整個熔鹽系統的可靠性仍是塔式太陽能熱電站研究的重點。

4 塔式太陽能熱發電在我國的發展前景

4.1 我國發展塔式太陽能熱發電具備的優勢

我國太陽能資源非常豐富，青藏高原、新疆、內蒙古、甘肅等地是太陽能的高輻射地區，其中約有80多萬km2荒漠區域太陽能資源最為豐富，發展塔式太陽能熱發電工程具有明顯的環境優勢。按照35%的熱電轉換效率計算，這80多萬km2荒漠，僅利用1/8面積，就可以產生滿足我國1年的電能消耗。因此在我國發展太陽能發電非常可行而且必要，對于緩解我國能源緊張和環境惡化的局面具有非常重要的戰略意義。

2014年4月國家能源局召開《光熱發電示范項目技術要求及申請報告大綱征求意見討論會》，確定示范工程采用槽式和塔式兩種集熱方式，考慮項目規模和效益等特點，示范工程按照單機容量50MW及以上等級建設，并對不同太陽能技術的儲熱容量提出要求。目前，國家能源局已基本確定了我國太陽能熱發電產業發展的進度表，即先通過示范電價政策扶持完成一批商業化示范項目建設，后進入大規模開發建設階段。

“大容量、高參數、連續發電”是將來太陽能光熱發電的趨勢，Ivanpah和新月沙丘已用工程實例驗證了塔式電站大規模開發的可行性，且塔式整體效率遠高于槽式，特別是在我國西部晝夜溫差很大的環境下。

4.2 我國發展塔式太陽能熱發電存在的問題

從整體發展階段來看，我國塔式太陽能熱發電技術還處在示范工程的起步階段，在太陽能熱發電材料裝備方面、我國與國外差距約5年，在電站集成、服務方面，與國外差距更大。已建成項目僅有1MW八達嶺延慶電站和中控德令哈電站10MW［5］。目前還沒有其他促進太陽能熱發電產業化和市場化發展的明確政策，光熱發電的政策環境亟須改善。

我國發展塔式太陽能熱發電還欠缺部分關鍵技術如定日鏡的鍍層材料、吸熱器上的吸熱管材及涂層材料、吸熱器設備、高溫熔融鹽泵等制造技術。這些技術均屬于保密級別，引入困難。另外塔式電站整體系統設計能力和集成技術、光熱電站系統模擬仿真及控制技術都剛剛起步，缺乏電站建設運營經驗和能力，而且國外的技術也大多在示范階段。

國外技術與我國特殊氣候條件的適用性仍需要驗證。由于我國“三北”地區、青藏高原等地海拔高、大風、揚沙等氣候特征顯著，DNI分布情況也存在很大差異，西班牙或美國的技術很難直接應用于國內，需要對國外技術進行相應調整，或進行自主研發。

塔式太陽能熱發電屬于典型的資本和技術雙密集型，其經濟性和競爭力仍有待提高。目前塔式發電的成本仍比較高，除了需要技術的不斷進步外，更需要關鍵設備國產化來降低成本。

5 結論

加快出臺電價政策或是電價指導性意見，根據我國光資源分布情況，建立各地光熱電站建設標準，如裝機量和儲能時長等，不僅限于電價，應包括土地使用、電網接入、貸款優惠等扶持政策或是意見。光熱發電政策要著眼于如何培養產業化和降低發電成本來考慮。政府主動推動一批示范性項目建設，針對示范性項目出臺一些可行的優惠政策，如對業主使用國產化關鍵設備給予一定補貼或政策優待；鼓勵配套產業鏈，促進成本降低；重點鼓勵關鍵設備和部件的制造、系統集成技術的研發。

在太陽能熱發電產業發展的前期，既有巨大的利潤空間，也有巨大的風險，鑒于塔式太陽熱發電技術難度及成本因素，建議有規劃的逐步推進光熱電站建設。吸取光伏、風電等經驗教訓，預防大規模蜂擁而至建電站，政府和有關單位要能起到有效的管控和監督的作用。

我國塔式太陽能熱發電技術要步入良好的產業化環境，需要建設單位、科研單位、設備制造單位等共同的努力。光熱發電項目的研究屬于一個系統性的很強的項目，各界都持以開放的心態，以末端應用為主，產、學、研結合有效合作才能使塔式發電的創新與產業化得到長足的發展。另外，利用我國巨大的產業與產能優勢，尋找適合的商業模式和國外聯合起來做科技創新，加快我國塔式熱發電進程，實現共贏新局面。

［1］黃湘，王志峰，李艷紅，等.太陽能熱發電技術［M］.北京：中國電力出版社，2013.

［2］周振捷，廖文俊.塔式光熱電站定日鏡場的發展現狀及技術創新趨勢［J］.裝備機械，2012，2（3）：68-72.

［3］田軍，余志勇，周楷，等.塔式太陽能電站熔鹽換熱器設計發展概述［J］.能源研究與管理，2014（3）：13-16.

［4］吳玉庭，任楠，馬重芳.熔融鹽顯熱蓄熱技術的研究與應用進展［J］.儲能科學與技術，2013，2（6）：586-592.

［5］王志峰.兆瓦級塔式太陽能熱發電實驗電站［J］.現代物理知識，2013，25（2）：18-23.

Current Status and Perspective for Solar Power Tower Technology in China

Liu Shilong1Deng Wei2
（1.Huanghe Hydropower Development Co.，Ltd，Xining 810007；2.Huanghe Hydropower Solar Indrustry Technology Co.，Ltd，Xining 810007）

This paper introduces the characteristics of solar power tower plant and the development situation of solar power tower station at home and abroad at first，then expounds the key technology need to solve to develop solar power tower in china.By analyzing advantages and existing problems of solar power tower in china，some suggestions were put forward at last.

solar power tower； technical characteristic； development potential

劉世隆（1984-），男，工程師，主要研究方向為水電站建設、太陽能熱發電技術。