國(guó)內(nèi)外太陽能光熱發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀及前景

袁煒東

（上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200025）

太陽能作為一種清潔的可再生能源，是未來社會(huì)的理想能源之一，在未來的能源戰(zhàn)略中占有重要的地位。目前太陽能發(fā)電技術(shù)主要有2類：太陽能光伏發(fā)電技術(shù)和太陽能光熱發(fā)電技術(shù)。近年來，太陽能光伏發(fā)電技術(shù)日趨成熟，達(dá)到了商業(yè)使用所要求的能級(jí)。其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單易行，但也有著電能難以儲(chǔ)存，太陽光不穩(wěn)定對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊的缺點(diǎn)，這必將使得單一的光伏發(fā)電在不久的將來遭遇發(fā)展瓶頸。太陽能光熱發(fā)電憑借其可儲(chǔ)熱、可調(diào)峰、可連續(xù)發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為可再生能源領(lǐng)域研發(fā)和投資的熱點(diǎn)［1-4］。

1 太陽能光熱發(fā)電的方式

根據(jù)能量轉(zhuǎn)換關(guān)鍵環(huán)節(jié)中太陽能聚光集熱過程的本質(zhì)特征分為聚光與非聚光2類太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。非聚光型太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)主要包括：太陽能熱氣流發(fā)電系統(tǒng)和太陽能熱池發(fā)電系統(tǒng)。聚光型發(fā)電技術(shù)主要有4種：槽式、塔式、碟式和線性菲涅爾式。這4種發(fā)電方式雖然各有差異，但可以大致地分為太陽能集熱系統(tǒng)、熱傳輸和交換系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)3個(gè)基本系統(tǒng)。

1.1 槽式太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)

利用槽式拋物面聚光器聚光的太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)簡(jiǎn)稱分散型系統(tǒng)。該系統(tǒng)一般由聚光集熱裝置、蓄熱裝置、熱機(jī)發(fā)電裝置和輔助能源裝置（如鍋爐）等組成。槽式拋物面將太陽光聚在一條線上，在這條焦線上安裝管狀集熱器。以吸收聚焦的太陽輻射能。常將眾多的槽式聚光器串并聯(lián)成聚光集熱器陣列。槽式聚光器對(duì)太陽輻射進(jìn)行一維跟蹤。

由于槽式聚光器的幾何聚光比低及集熱溫度不高。使得拋物槽式太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)中動(dòng)力子系統(tǒng)的熱轉(zhuǎn)功效率偏低，通常在35%左右。因此，單純的拋物槽式太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)在進(jìn)一步提高熱效率、降低發(fā)電成本方面的難度較大。

1.2 塔式太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)

塔式太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)也稱為集中式太陽能光熱發(fā)電。利用定日鏡將太陽光聚焦在中心吸熱塔的吸熱器上。聚焦的輻射能轉(zhuǎn)變成熱能，然后傳遞給熱力循環(huán)的工質(zhì)，再驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)做功發(fā)電。塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)具有聚光比和工作溫度高、熱傳遞路程短、熱損耗少、系統(tǒng)綜合效率高等特點(diǎn)，非常適合于大規(guī)模、大容量商業(yè)化應(yīng)用。但塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)一次性投人大，每臺(tái)定日鏡都需要一個(gè)單獨(dú)的二維跟蹤機(jī)構(gòu)，裝置結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)復(fù)雜，維護(hù)成本較高。

1.3 蝶式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)

碟式太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)是利用旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡，將入射陽光聚集在焦點(diǎn)上。放置在焦點(diǎn)處的太陽能接收器收集較高溫度的熱能，加熱工質(zhì)以驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)。從而將熱能轉(zhuǎn)化為電能。碟式太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)包括：旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡、接收器、跟蹤裝置和蓄熱系統(tǒng)。

碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)可以單機(jī)標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)，具有使用壽命長(zhǎng)、綜合效率高、運(yùn)行靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)。由于發(fā)電成本不依賴于工程規(guī)模，適合邊遠(yuǎn)地區(qū)離網(wǎng)分布式供電。但碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)單機(jī)規(guī)模受到限制，造價(jià)昂貴。

1.4 線性菲涅爾式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)

線性菲涅爾式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)與槽式熱發(fā)電系統(tǒng)類似。但結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，并且吸熱管無需進(jìn)行真空處理，降低了技術(shù)成本和難度，但總體效率不高。

1.5 各種太陽能熱發(fā)電方式特點(diǎn)對(duì)比

各種太陽能熱發(fā)電方式特點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

表1 各種太陽能熱發(fā)電方式特點(diǎn)對(duì)比

在西班牙、美國(guó)和歐洲一些國(guó)家的在建和建成的聚熱電站中，目前比較成熟的技術(shù)為槽式電站，占已建和在建熱電站的94.57%，而塔式占4.37%，菲涅耳式、碟式分別不足1%。

2 太陽能光熱發(fā)電國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

截至2011年底，國(guó)外仍處于運(yùn)行狀態(tài)的太陽能熱發(fā)電總裝機(jī)容量約1 770MW。西班牙是主要的太陽能熱發(fā)電市場(chǎng)，約占全球總裝機(jī)容量的62.3%；美國(guó)次之，約占總裝機(jī)容量的28.8%；另外，德國(guó)、以色列、意大利、埃及和泰國(guó)境內(nèi)分別有一座太陽能熱發(fā)電站。國(guó)外在建的太陽能熱發(fā)電站總裝機(jī)容量約為3.4GW，其中，美國(guó)市場(chǎng)為37.7%，西班牙市場(chǎng)為33.9%，其他的分別分布在摩洛哥、阿爾及利亞、阿布扎比以及澳大利亞等國(guó)。目前，全球處于開發(fā)中的太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目總裝機(jī)容量約為16GW，這些電站分別位于美國(guó)、蘇丹、西班牙、澳大利亞、摩洛哥、南非、泰國(guó)、印度和伊朗等國(guó)家。

日前，全世界已建成10余個(gè)塔式太陽能光熱發(fā)電試驗(yàn)示范電站。典型的太陽能塔式發(fā)電站是西班牙PS20，裝機(jī)容量為20MW。太陽能光熱發(fā)電一次投資為2 500～2 900美元／kW，太陽能光熱發(fā)電年效率可達(dá)15%～20%，發(fā)電成本為15美分／kWh。隨著技術(shù)和規(guī)模的發(fā)展，有望在2020年其發(fā)電成本達(dá)到4美分／／kWh左右。

2.1 國(guó)外代表性電站介紹

2.1.1 西班牙AndasoI太陽能熱發(fā)電站

Andasol太陽能熱發(fā)電站是歐洲第一個(gè)商業(yè)運(yùn)行的太陽能槽式導(dǎo)熱油電站，于2009年3月1日開始商業(yè)運(yùn)行，位于西班牙Guadix省Andalusia，地理位置37°13′42.7″N，3°4′6.73″W。電廠用熔鹽儲(chǔ)熱，在光照不強(qiáng)時(shí)電站能連續(xù)運(yùn)行。因站址海拔較高（1 100m）、屬于半干旱氣候，太陽能資源好，年直接輻射（DNI）為2 200kWh／m2。每臺(tái)機(jī)組裝機(jī)容量為50MW，每年發(fā)電量在165 GWh。集熱器反射面安裝面積為51萬m2，占地約200萬m2。

Andasol包括3期工程：Andasol-1（2008年完成），Andasol-2（2009年完成）和 Andasol-3（2011年完成）。每期工程每年發(fā)電量約在165 GWh（三期工程每年總發(fā)電量約在495GWh）。三期工程總造價(jià)為9億歐元。與所有的火力發(fā)電廠一樣，冷卻系統(tǒng)是工藝流程所必需的。由于Andasol建在西班牙南部半溫帶氣候區(qū)，每臺(tái)機(jī)組每年蒸發(fā)的水量為870.000m3（投資商提供數(shù)據(jù)），約5L／kWh。大部分的光熱電站蒸發(fā)很少的水（典型的可以少于2.5L／kWh），如果采用江水或海水冷卻，幾乎可以不蒸發(fā)水。盡管在西班牙水供應(yīng)還是比較緊張的，但是Andasol電站位于Sierra Nevada，水資源供應(yīng)是比較充足的。

2.1.2 美國(guó)SoIana太陽能熱發(fā)電站

Solana太陽能熱發(fā)電站靠近亞利桑那州的Gila Bend，，約在鳳凰城以南110km 處，2013年完工，是當(dāng)時(shí)世界上最大的槽式電站，也是美國(guó)第一個(gè)帶熔鹽儲(chǔ)熱的太陽能電站。由西班牙Abengoa Solar公司建設(shè)，電站總?cè)萘?80MW。電站采用Abengoa公司研制的太陽能聚光發(fā)電專有槽式技術(shù)，占地面積1 257萬m2。電站雇員85人。Arizona Public Service（APS）已經(jīng)簽署全額收購(gòu)Solana電站發(fā)出的電量合同。電站2010年開始建設(shè)，電站帶有6h儲(chǔ)熱系統(tǒng)，造價(jià)約20億美元，2013年10月投運(yùn)。

2.1.3 美國(guó)Ivanpah太陽能熱發(fā)電站

Ivanpah發(fā)電站位于加利福尼亞的Mojave沙漠，洛杉磯西南64km處，項(xiàng)目總規(guī)劃容量為392MW。電站布置了170 000面太陽光反射鏡，將太陽光聚焦到場(chǎng)地中心的太陽能集熱塔上。該項(xiàng)目由于位于沙漠生態(tài)棲息地，威脅到沙漠龜?shù)纳?，引起野生保護(hù)組織和環(huán)保主義者的廣泛爭(zhēng)論。電站1號(hào)機(jī)組2013年9月并網(wǎng)，開始進(jìn)行初始并網(wǎng)和同步調(diào)試。

電站通過太陽光反射鏡將陽光聚焦到了太陽能集熱塔上，集熱器產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動(dòng)專用的汽輪發(fā)電機(jī)。1號(hào)機(jī)組被安裝了世界上最大的全太陽能蒸汽動(dòng)力汽輪發(fā)電機(jī)——Siemens SST-900，功率為123MW，氣機(jī)帶回?zé)嵩贌嵝汀３似啺l(fā)電機(jī)，西門子同時(shí)提供儀表和控制系統(tǒng)。Ivanpah電站使用BrightSource能源公司LPT550塔式集熱技術(shù)。LPT 550太陽能發(fā)電技術(shù)同傳統(tǒng)的發(fā)電廠相似，采用高溫蒸汽推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)。BrightSource采用成千上萬個(gè)定日鏡反射太陽光到一個(gè)集熱器，集熱器由Riley公司研制，集熱器充滿水，安裝在塔頂。當(dāng)陽光射到集熱器時(shí)，里面的水被加熱，產(chǎn)生高溫蒸汽。高溫蒸汽用管道引致常規(guī)汽輪機(jī)產(chǎn)生電力。

由于沙漠中水資源不足，LPT550使用空冷技術(shù)將蒸汽冷凝成水，與常規(guī)的水冷技術(shù)相比，可以減少90%水的使用。

2.1.4 西班牙GemasoIar太陽能熱電站

Gemasolar是一個(gè)帶熔鹽儲(chǔ)熱的聚光太陽能熱發(fā)電站，裝機(jī)容量達(dá)19.9MW，于2011年5月開始試運(yùn)行。Gemasolar發(fā)電站位于西班牙塞維利亞 Fuentes de Andalucía，是 Torresol Energy旗下的標(biāo)志性發(fā)電站。Torresol Energy是阿布扎比領(lǐng)先的未來能源公司Masdar與西班牙領(lǐng)先的工程與建筑公司SENER的合資公司。

電站太陽能集熱塔高140m，采用的技術(shù)率先在Solar One和Solar Two實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目上應(yīng)用。Gemasolar采用創(chuàng)新的熔鹽傳熱技術(shù)，儲(chǔ)熱系統(tǒng)可在沒有陽光的情況下持續(xù)發(fā)電15h，幫助避免供電波動(dòng)。Gemasolar發(fā)電站能夠在一年中的多個(gè)月份實(shí)現(xiàn)24h不間斷發(fā)電，即使是在黑夜或日照不足的冬季。

Gemasolar是第一個(gè)熔鹽換、儲(chǔ)熱的塔式太陽能熱電站，包括180公頃的太陽能鏡場(chǎng)和140m高的集熱塔、一個(gè)動(dòng)力島、2650面定日鏡，每個(gè)定日鏡120m2圍繞集熱塔環(huán)形布置。系統(tǒng)塔頂中央接收器的溫度可達(dá)900℃。塔式接收器采用熔鹽作為傳熱介質(zhì)，溫度可達(dá)500℃，相比槽式聚光技術(shù)，能夠向汽輪機(jī)傳輸溫度更高，數(shù)量更多的高壓蒸汽，大幅提升整個(gè)發(fā)電站的功效。

SENER負(fù)責(zé)提供技術(shù)，從事工程詳細(xì)設(shè)計(jì)、部分設(shè)計(jì)采購(gòu)施工（EPC）工作，以及發(fā)電站試運(yùn)行，SENER開發(fā)的技術(shù)包括熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)與接收器等最先進(jìn)的解決方案，接收器能夠吸收太陽光譜95%的輻射，并將該能量傳遞給在接收器內(nèi)部循環(huán)的熔鹽化合物，之后用于加熱蒸汽，運(yùn)行蒸汽輪機(jī)。

電廠所有創(chuàng)新方面技術(shù)幾乎都屬于Torresol Energy公司，包括：熔鹽集熱器、定日鏡和控制系統(tǒng)。儲(chǔ)熱系統(tǒng)可以在沒有陽光下，可以提供15h發(fā)電容量。儲(chǔ)熱系統(tǒng)的容量可以使發(fā)電能根據(jù)調(diào)度要求進(jìn)行調(diào)峰運(yùn)行。電廠已經(jīng)可以全天無中斷向電網(wǎng)發(fā)電。電站采用的熱交換技術(shù)由SENER公司研制。

2.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

與國(guó)外光熱發(fā)電技術(shù)在材料、設(shè)計(jì)、工藝及理論方面長(zhǎng)達(dá)50多年的研究相比，我國(guó)的太陽能熱發(fā)電技術(shù)研究起步較晚，直到20世紀(jì)70年代才開始一些基礎(chǔ)研究，目前還屬于系統(tǒng)集成示范階段，目前仍無商業(yè)化在運(yùn)電站。

2010年12月，由中國(guó)科學(xué)院電工研究所等10家單位聯(lián)合承擔(dān)的國(guó)內(nèi)首座1MW塔式太陽能熱發(fā)電試驗(yàn)示范電站竣工。

2010年，我國(guó)首個(gè)光熱發(fā)電特許權(quán)項(xiàng)目—內(nèi)蒙古鄂爾多斯50MW項(xiàng)目10月下旬啟動(dòng)招標(biāo)，該項(xiàng)目采用槽式光熱發(fā)電技術(shù)，計(jì)劃總投資16億元，年發(fā)電1.2億kWh。業(yè)界寄望于借助該項(xiàng)目考量國(guó)內(nèi)研發(fā)技術(shù)，探索符合國(guó)情的商業(yè)模式并帶動(dòng)市場(chǎng)規(guī)?；l(fā)展。

截至2013年，我國(guó)太陽能熱發(fā)電現(xiàn)狀表如表2所示。

表2 我國(guó)太陽能熱發(fā)電現(xiàn)狀表

中控德令哈50MW太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目選址在青海省德令哈市，規(guī)劃土地3.3km2，預(yù)計(jì)年發(fā)電量1.2億kWh。項(xiàng)目由中控太陽能技術(shù)有限公司投資建設(shè)，公司專業(yè)從事太陽能熱發(fā)電技術(shù)研發(fā)與推廣，是中國(guó)領(lǐng)先的太陽能熱發(fā)電技術(shù)、裝備與解決方案提供商。項(xiàng)目于2011年啟動(dòng)，是我國(guó)首座大規(guī)模應(yīng)用的太陽能熱發(fā)電站。項(xiàng)目采用企業(yè)自主研發(fā)的技術(shù)及裝備，對(duì)我國(guó)塔式太陽能熱發(fā)電聚光集熱技術(shù)、發(fā)電技術(shù)、系統(tǒng)集成、工程及國(guó)產(chǎn)化裝備制造能力等方面起到了重要的示范作用。

2013年5月，中控德令哈50MW太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目一期（10MW）汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)。機(jī)組主蒸汽溫度450℃，壓力6MPa。

3 太陽能光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)前景分析

太陽能光熱發(fā)電方式具有與現(xiàn)有電網(wǎng)匹配性好、光電轉(zhuǎn)化率高、可連續(xù)穩(wěn)定和調(diào)峰發(fā)電的能力、發(fā)電設(shè)備生產(chǎn)過程綠色環(huán)保等其他發(fā)電方式不可比擬的優(yōu)勢(shì)，因此成為近年來新能源領(lǐng)域開發(fā)應(yīng)用的熱點(diǎn)，各國(guó)都出臺(tái)了相應(yīng)的經(jīng)濟(jì)扶持和激勵(lì)政策，全球總裝機(jī)規(guī)模持續(xù)上升，呈現(xiàn)出一種蓬勃發(fā)展的景象。

太陽能光熱發(fā)電技術(shù)在未來的研發(fā)和應(yīng)用中，將朝著“高參數(shù)、大容量、連續(xù)發(fā)電”這3個(gè)技術(shù)方面發(fā)展。高參數(shù)即為聚光比高、運(yùn)行溫度高和熱電轉(zhuǎn)換效率高。為此必須在高反射率高精度反射鏡、高精密度跟蹤控制系統(tǒng)、高熱流密度下的傳熱、太陽能熱電轉(zhuǎn)換等核心技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備的研制中，加大研發(fā)力度。大容量主要指發(fā)電規(guī)模大，要形成GM級(jí)發(fā)電能力，主要是降低投資成本和單位發(fā)電成本，逐步具備與火力發(fā)電成本相當(dāng)?shù)母?jìng)爭(zhēng)能力。發(fā)電連續(xù)性主要是提高儲(chǔ)熱效能。目前蓄熱介質(zhì)有蒸汽、導(dǎo)熱油和熔融鹽等。總得來說太陽能熱發(fā)電技術(shù)將會(huì)向著低成本、大規(guī)模的方向快速發(fā)展，將在人類未來的能源結(jié)構(gòu)中占有舉足輕重的地位。

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