聚光太陽能發電（CSP）技術探討

令強華，衛書滿

（中國葛洲壩集團機電建設有限公司，四川 成都 610091）

在中國光伏發電和風力發電發展迅速，技術已經成熟，但光伏發電和風力發電雖然發電成本低廉但不可實現調峰，并且由于大型風電、光伏等可再生能源建設在遠離市區的區域，且利用小時數低，單獨遠距離進行電力輸送十分不經濟，輸送電網的利用率不高。

聚光太陽能發電（CSP）作為利用太陽能熱發電的新能源技術，其熔鹽儲熱技術可以實現有效調峰，與光伏、風電具有良好的互補性。CSP、光伏、風電的綜合開發利用既可以解決光伏、風電的電網利用率低問題，解決風能及光伏發電不穩定的問題，同時光熱則可以利用光伏、風電作為廠用電來源的一部分。

雖然CSP 存在投資成本高的缺點，但隨著近年來CSP市場的持續升溫，作為有望成為唯一取代火電調峰的清潔能源，加強CSP 技術及與光伏、風電的綜合開發利用的研究，取得技術突破，對企業新能源產業布局具有重要意義。

1 CSP 原理

太陽能熱發電是利用太陽能聚光器先將太陽輻射能轉化為熱能，然后經過各種方式轉換為電能的技術形式。太陽能熱發電包括聚光太陽能熱發電（CSP）、太陽能半導體溫差發電、太陽能煙囪發電、太陽池發電和太陽能熱聲發電等。CSP 是通過“光—熱—功”的轉化過程實現發電的一種技術形式，聚光器將低密度的太陽能轉換成高密度的能量，經由傳熱介質將太陽能轉化為熱能，通過熱力循環做功，實現電能的轉換。

2 CSP 的主要技術形式

根據不同的聚光技術，CSP 主要有塔式CSP、槽式CSP、碟式CSP。三者的主要技術特點如下。

塔式CSP 使用點聚焦技術。定日鏡自動跟蹤太陽，聚焦的陽光反射到位于塔頂的吸熱器內。吸熱器加熱管內的傳熱介質，將太陽光能轉變成熱能，再通過熱力循環實現發電。其聚光比約為300～1 000，傳熱介質包括水/蒸汽、熔鹽、空氣等，傳熱介質的工作溫度范圍在250～1 200 ℃，可采用汽輪機或燃氣輪機，系統綜合效率高。典型的塔式CSP有西班牙的PS10 電站，中國第一座投入商業運行的塔式CSP 項目為青海德令哈塔式CSP 項目。

槽式CSP 使用線聚焦技術。采用拋物面槽式反射鏡將太陽光聚集到位于焦線的吸熱管上，加熱管內的傳熱工質（油或水），然后經熱交換器產生蒸汽驅動汽輪發電機組發電。其聚光比在70～80 之間，傳熱介質包括合成油、水等，介質的工作溫度一般在400 ℃以內，系統綜合效率較低。此外，有一種槽式系統的簡化版：線性菲涅爾CSP，其采用平面鏡代替拋物面型曲面鏡，通過調整、控制平面鏡的傾斜角度，將陽光反射到集熱管上。典型的槽式CSP 主要有美國SEGS 槽式電站。典型的線性菲涅爾CSP 有國內的皇明公司2.5 MW 線性菲涅爾示范系統。

碟式CSP 使用點聚焦技術。其利用旋轉拋物面反射鏡，將入射陽光聚集在鏡面焦點處，在該處可放置太陽能吸熱器吸收熱能加熱工質驅動汽輪發電機組發電。其聚光比約為1 000～3 000，其系統效率高，單機規模小，非常適合分布式發電。典型的碟式CSP 應用主要有鄂爾多斯蝶式斯特林示范電站。

3 CSP 電站的技術優勢分析

3.1 CSP 電站系統的基本組成和工作模式

CSP 電站系統的基本組成和工作模式如圖1～圖4所示。

3.2 CSP 電站系統與光伏發電、風電的互補性

3．2．1 系統友好性方面

風能受風力影響，其出力具有顯著的間歇性和不確定性。并網運行后出力的劇烈變化將對電力系統實時平衡和穩定運行帶來挑戰。在白天，日照好風力小，但是負荷需求大，風能無法滿足需求，到了夜間無日照風力大，但負荷需求小，往往不得不“棄風”。

圖1 CSP 電站系統的基本組成

圖2 CSP 電站白天工作模式1（直接發電）

圖3 CSP 電站白天工作模式2（儲熱+發電）

圖4 CSP 電站夜間工作模式（利用儲熱發電）

而根據圖1～圖4 所展示的CSP 電站的基本組成和工作模式可以看出，因CSP 電站具有儲熱子系統，可以通過白天將多余熱量儲存，晚間再用儲存的熱量釋放發電，受天氣變化影響較小，能顯著平滑發電出力，實現友好并網，可作為調峰電源。理論上，當儲能時間超過15 h，CSP 電站則可承擔電力系統基礎負荷。

如果將圖1～圖4 中的聚光集熱子系統替換為風能子系統，將風能通過功率控制器、電加熱器轉換為熱能加熱儲子系統的介質，可以實現風能的儲能，把廉價的富余的夜間風力發電轉變為可在高峰供電期利用的電能，實現谷電峰用，同時平滑風能的發電出力，實現友好并網。有國外研究表明午夜以后的風能被轉化為熱能保存約1 d，來供應第二天傍晚上升的用電負荷。而CSP 的熔鹽儲熱系統在超過12 h 的時間后僅流失近0.5%的熱量，其熱損是相當小的，這也保證了其儲能方式具有可觀的經濟性。

CSP 電站和光伏發電是利用太陽能的兩種不同技術形式。

CSP 是將光能轉變為熱能，然后再通過傳統的熱力循環（圖1～圖4 中的熱—功—電轉換子系統）做功發電的技術。例如，由汽輪機將熱能轉變為電能，產生和傳統的火電一樣的交流電，可實現友好并網。CSP 多余的熱量可以通過儲熱子系統存儲。目前，隨著技術的進步，利用熔鹽儲熱系統直接存儲電能的成本大約為1 400 元/kW·h，熔鹽是目前世界上公認的最佳高溫傳熱儲熱介質，具有使用壽命長（25～30年）、儲熱密度大、價格低、放熱工況穩定易調節等優點。光伏發電是利用太陽能電池技術，有光子使電子躍遷，形成電位差，光能直接就轉變為電能，產生直流電，因此光伏發電的多余能量主要是采用蓄電池存儲，其技術難度和造價遠比CSP 的熔鹽儲熱系統高。采用傳統電池儲能技術不僅存儲容量和使用壽命要低于熔鹽儲熱，儲能成本約為熔鹽儲熱的4～8 倍，經濟性遠不如熔鹽儲熱方式（寧德時代已經推出新長壽命電池，其技術參數尚未取得，需要持續跟蹤新能源領域新技術發展趨勢）。

利用熱能存儲作為一種獨立的電力存儲技術，可以與其他新能源形式形成良好的互補，實現其他新能源的富裕能量存儲，減少不必要的“棄光”“棄風”損失，利用夜間廉價的低谷電實現谷電峰用，實現友好并網。

3．2．2 電網利用率方面

由于大型風電、光伏和光熱電站等可再生能源主要建設在沙漠、戈壁灘等地區，當地經濟發展相對落后，電力需求不足，需要遠距離輸送電力至經濟相對發達區域，但風電、光伏等利用小時數低，單獨進行遠距離電力輸送十分不經濟，為提高輸送電網的利用率，不得不通過火電打捆等方式輸送。如果光熱電站成熟之后，則完全可以通過儲熱方式替代火電，解決電網利用率低問題。光熱、光伏、風力發電都面臨火電等傳統能源的競爭，承載著代替化石能源的使命，只有光伏和光熱更好地協同互補，才能完成這項任務，滿足用電需求。

光伏發電優勢在于分布式，在負荷中心建設方面，結合儲能等產業發展，可實現就地發電就地使用。同時，光伏也可作為移動電源，充分滿足消費市場需求，這是光熱電站難以企及的。光熱發電優勢在于規模化，適合在條件適宜地區建設大型光熱電站，然后遠距離輸送。在這些地區，也可適當發展大型光伏電站、大型風力發電站，將光伏、光熱、風電打捆送出，實現可再生能源最大限度的消納。它們的應用領域各有側重，主戰場不重合，絕非替代關系，而是可以協同互補發展的。

4 發展前景分析

截至2015-08，國內CSP 累計裝機超過20 MW。已備案（核準）在建的CSP 電站12 座，裝機規模為49.3 萬kW；開展前期工作的CSP 電站18 座，裝機規模約90.1 萬kW。但目前還沒有大規模建設完成的電站，在國內已裝機的CSP系統中，除青海中控的10 MW 光熱發電項目以外，其他項目均為示范試驗項目，未達到并網發電的標準。當下，光熱發電技術已成為光照資源充足國家擴增太陽能發電產能的必要選擇，光熱利用其儲熱優勢，能滿足日落后的用電高峰，其也會是政策決策者在綜合考量技術與經濟性等所有因素后的理想選擇，從而得到較快發展。

5 結論

各風電、光伏、光熱企業多關注本行業領域的技術發展，而對其他新能源領域與本行業技術融合的研究不夠。各單位應充分利用企業的技術平臺，發揮國家電力規劃中心的引領作用，采取合理的商業運作模式，創新投融資方式，利用CSP 與風電、光伏的互補性，從規劃到設計，從研發到制造，從調試到運維，研究新能源的互補開發技術，推動跨領域合作，進行新能源的綜合開發利用。加快施工技術和EPC 商業研究，為新能源項目開發和投資提供強勁動力，為新源建設作出應有的貢獻。