塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)在我國發(fā)展現(xiàn)狀與前景分析

劉世隆鄧 薇

（1.黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司，西寧 810000；2.黃河水電光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)有限公司，西寧 810007）

塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)在我國發(fā)展現(xiàn)狀與前景分析

劉世隆1鄧 薇2

（1.黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司，西寧 810000；2.黃河水電光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)有限公司，西寧 810007）

介紹了塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)特點(diǎn)以及在國內(nèi)外的開發(fā)建設(shè)情況，闡述了我國發(fā)展塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)，通過分析我國發(fā)展塔式太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目具備的優(yōu)勢及存在的問題，提出相關(guān)建議。

塔式太陽能；技術(shù)方案；發(fā)展前景

太陽能熱發(fā)電技術(shù)（CSP）是光熱資源高溫利用的一種，與光伏發(fā)電相比，太陽能熱發(fā)電技術(shù)更為節(jié)能環(huán)保，已物理方式進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，環(huán)境影響小。如在光伏電站設(shè)計(jì)上能考慮配套儲能系統(tǒng)，可跟好的發(fā)揮光熱電站的優(yōu)勢，在有云遮擋的情況下，儲能系統(tǒng)可持續(xù)釋放能量，確保發(fā)電機(jī)組運(yùn)行，保證電能供應(yīng)的穩(wěn)定性，提高電網(wǎng)運(yùn)行的靈活性。

根據(jù)聚熱方式的不同太陽能熱發(fā)電技術(shù)可以分為塔式、槽式、蝶式和菲涅爾式［1］。塔式發(fā)電聚光比高，聚光比一般可達(dá)到 200～1000；吸熱器的平均熱流密度在 300～1000kW/m2，工作溫度最高達(dá)1000℃以上。因此，塔式電站以其集熱效率高，熱工轉(zhuǎn)換效率高，系統(tǒng)綜合效率高，成本降低空間大，合適大規(guī)模應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)而成為光熱產(chǎn)業(yè)未來大規(guī)模應(yīng)用的主要方向。

1 塔式太陽能熱的技術(shù)特點(diǎn)

發(fā)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(zhì)產(chǎn)生熱能，再通過熱交換系統(tǒng)生成高溫蒸汽帶動汽輪機(jī)發(fā)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(fā)電機(jī)組等。傳熱工質(zhì)可以是空氣、水/蒸汽或是熔鹽等。塔式技術(shù)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(shù)高，容易達(dá)到比較高的工作溫度，其中鏡場中的定日鏡數(shù)目越多，其聚光比越大，吸熱器的集熱溫度越高，光熱轉(zhuǎn)換效率越高。

2 國內(nèi)外塔式太陽能熱發(fā)電開發(fā)狀況

2.1 國外塔式太陽能熱發(fā)電開發(fā)概況

1950年，原蘇聯(lián)設(shè)計(jì)了世界上第一座小型塔式太陽能熱發(fā)電試驗(yàn)電站，對太陽能熱發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了基礎(chǔ)性的探索和研究。從1981—1991年10年間，由于石油危機(jī)的影響，替代能源技術(shù)在全球興起，其他工業(yè)發(fā)達(dá)國家也陸續(xù)投資興建了一批試驗(yàn)性電站。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，當(dāng)時(shí)全世界建造了裝機(jī)容量500kW以上的各種不同形式的兆瓦級太陽能熱發(fā)電試驗(yàn)電站20余座，其中塔式電站為主要形式，最大發(fā)電功率為80MW。由于單位容量投資過大，因此太陽能熱發(fā)電站建設(shè)逐漸冷落下來。近兩年，太陽能熱發(fā)電再次成為國際可再生能源領(lǐng)域的投資熱點(diǎn)。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，全球新增清潔能源投資流向大型太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域的趨勢正日益明顯，項(xiàng)目建設(shè)規(guī)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(fā)電。

目前國際上已經(jīng)投入商業(yè)化運(yùn)行的塔式太陽能熱發(fā)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(shí)現(xiàn) 24h連續(xù)發(fā)電的塔式太陽能熱發(fā)電站，于2011年10月份正式投運(yùn)，裝機(jī)容量19.9MW，年發(fā)電量1.1億kW·h，年運(yùn)行小時(shí)數(shù)達(dá)6450h。Gemasolar發(fā)電站的聚光系統(tǒng)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(dǎo)形成高溫壓力蒸氣，推動渦輪機(jī)發(fā)電。

Ivanpah是目前最大的塔式電站，于 2014年 2月13日正式并網(wǎng)投運(yùn)，總裝機(jī)容量392MW，由三座裝機(jī)分別為133MW、133MW和126MW的塔式電站構(gòu)成，電站年發(fā)電量為 1079GWh。Ivanpah電站單塔裝機(jī)最高為133MW，首次實(shí)現(xiàn)了百M(fèi)W級塔式電站的開發(fā)，從實(shí)踐層面驗(yàn)證了塔式電站大規(guī)模開發(fā)的可行性。Ivanpah為水工質(zhì)光熱電站，未配置儲熱系統(tǒng)，由于當(dāng)?shù)厝彼捎昧丝绽湎到y(tǒng)，每度電水耗為0.11L，較水冷系統(tǒng)大大的節(jié)約了用水量。

美國新月沙丘電站為全球首個百M(fèi)W級塔式熔鹽電站，于2016年2月22日實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，裝機(jī)110MW，配 10h儲熱系統(tǒng)，設(shè)計(jì)年發(fā)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(tǒng)均由 SolarReserve設(shè)計(jì)及生產(chǎn)，作為首個百M(fèi)W級商業(yè)化大規(guī)模塔式熔鹽電站，目前新月沙丘的發(fā)電情況還未達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)。

2.2 國內(nèi)塔式太陽能熱發(fā)電開發(fā)概況

相比于國外，我國的太陽能熱發(fā)電還處于產(chǎn)業(yè)化起步階段，對于其技術(shù)的的掌握和研究明顯滯后。為了探索塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的研發(fā)，國內(nèi)首座70kW塔式實(shí)驗(yàn)示范電站于2004年在南京市科技局的支持下開始建設(shè)，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(xué)院電工研究所等單位聯(lián)合設(shè)計(jì)和建設(shè)的北京延慶塔式實(shí)驗(yàn)示范電站于2012年8月首次發(fā)電成功，裝機(jī)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(zhì)為水/蒸汽，該電站是我國首座自主研發(fā)、設(shè)計(jì)和建造的MW級塔式太陽能電站。

中控集團(tuán)青海德令哈50MW塔式太陽能熱發(fā)電站一期10MW項(xiàng)目是我國首個塔式發(fā)電商業(yè)化示范電站，于2013年7月正式投運(yùn)，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(jìn)塔式熔鹽技術(shù)的商業(yè)化，目前正進(jìn)行10MW項(xiàng)目的熔鹽系統(tǒng)改造。

首航節(jié)能敦煌10MW熔鹽塔式電站于2014年8月底開工建設(shè)，目前處于安裝調(diào)試期，該項(xiàng)目帶儲熱15h設(shè)計(jì)，倘若按期建成，將是我國首個帶儲熱的塔式太陽能熱發(fā)電站，其定日鏡的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 定日鏡及其控制技術(shù)

定日鏡是塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的聚光單元，它通過跟蹤系統(tǒng)準(zhǔn)確地將太陽輻射反射到聚光塔頂?shù)奈鼰崞魃希瑸榇_保整體系統(tǒng)的正常、高效運(yùn)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(huán)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(guān)于塔式定日鏡的研究主要集中在定日鏡支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與力學(xué)分析、鍍銀反射鏡的耐候性、支架與反射鏡的結(jié)合方式、高精度傳動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)以及關(guān)于定日鏡場的優(yōu)化設(shè)計(jì)［2］。

3.2 吸熱器材料及設(shè)備

塔式太陽能熱發(fā)電中，太陽能接收器是實(shí)現(xiàn)發(fā)電的關(guān)鍵，它將定日鏡所捕捉、反射、聚焦的到的太陽能直接轉(zhuǎn)化為可利用的高溫?zé)崮?，為發(fā)電機(jī)組提供動力源，從而實(shí)現(xiàn)熱發(fā)電。吸熱器按結(jié)構(gòu)形式，分為管式吸熱器和容積式吸熱器，吸熱與傳熱介質(zhì)主要有水/蒸汽、熔鹽和空氣，目前管式熔鹽工質(zhì)吸熱器被業(yè)內(nèi)普遍青睞。管狀太陽能接收器的優(yōu)點(diǎn)是它可以接收來自塔四周 360°范圍內(nèi)定日鏡反射、聚焦的太陽光，有利于定日鏡鏡場的布局設(shè)計(jì)和太陽能的大規(guī)模利用。吸熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(nèi)熔鹽高溫分解和腐蝕問題和低溫凝固問題均為關(guān)鍵核心技術(shù)。

3.3 傳儲熱技術(shù)

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

4 塔式太陽能熱發(fā)電在我國的發(fā)展前景

4.1 我國發(fā)展塔式太陽能熱發(fā)電具備的優(yōu)勢

我國太陽能資源非常豐富，青藏高原、新疆、內(nèi)蒙古、甘肅等地是太陽能的高輻射地區(qū)，其中約有80多萬km2荒漠區(qū)域太陽能資源最為豐富，發(fā)展塔式太陽能熱發(fā)電工程具有明顯的環(huán)境優(yōu)勢。按照35%的熱電轉(zhuǎn)換效率計(jì)算，這80多萬km2荒漠，僅利用1/8面積，就可以產(chǎn)生滿足我國1年的電能消耗。因此在我國發(fā)展太陽能發(fā)電非?？尚卸冶匾?，對于緩解我國能源緊張和環(huán)境惡化的局面具有非常重要的戰(zhàn)略意義。

2014年4月國家能源局召開《光熱發(fā)電示范項(xiàng)目技術(shù)要求及申請報(bào)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(xiàng)目規(guī)模和效益等特點(diǎn)，示范工程按照單機(jī)容量50MW及以上等級建設(shè)，并對不同太陽能技術(shù)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(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的進(jìn)度表，即先通過示范電價(jià)政策扶持完成一批商業(yè)化示范項(xiàng)目建設(shè)，后進(jìn)入大規(guī)模開發(fā)建設(shè)階段。

“大容量、高參數(shù)、連續(xù)發(fā)電”是將來太陽能光熱發(fā)電的趨勢，Ivanpah和新月沙丘已用工程實(shí)例驗(yàn)證了塔式電站大規(guī)模開發(fā)的可行性，且塔式整體效率遠(yuǎn)高于槽式，特別是在我國西部晝夜溫差很大的環(huán)境下。

4.2 我國發(fā)展塔式太陽能熱發(fā)電存在的問題

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

我國發(fā)展塔式太陽能熱發(fā)電還欠缺部分關(guān)鍵技術(shù)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(shè)備、高溫熔融鹽泵等制造技術(shù)。這些技術(shù)均屬于保密級別，引入困難。另外塔式電站整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)能力和集成技術(shù)、光熱電站系統(tǒng)模擬仿真及控制技術(shù)都剛剛起步，缺乏電站建設(shè)運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)和能力，而且國外的技術(shù)也大多在示范階段。

國外技術(shù)與我國特殊氣候條件的適用性仍需要驗(yàn)證。由于我國“三北”地區(qū)、青藏高原等地海拔高、大風(fēng)、揚(yáng)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(shù)很難直接應(yīng)用于國內(nèi)，需要對國外技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，或進(jìn)行自主研發(fā)。

塔式太陽能熱發(fā)電屬于典型的資本和技術(shù)雙密集型，其經(jīng)濟(jì)性和競爭力仍有待提高。目前塔式發(fā)電的成本仍比較高，除了需要技術(shù)的不斷進(jìn)步外，更需要關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化來降低成本。

5 結(jié)論

加快出臺電價(jià)政策或是電價(jià)指導(dǎo)性意見，根據(jù)我國光資源分布情況，建立各地光熱電站建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，如裝機(jī)量和儲能時(shí)長等，不僅限于電價(jià)，應(yīng)包括土地使用、電網(wǎng)接入、貸款優(yōu)惠等扶持政策或是意見。光熱發(fā)電政策要著眼于如何培養(yǎng)產(chǎn)業(yè)化和降低發(fā)電成本來考慮。政府主動推動一批示范性項(xiàng)目建設(shè)，針對示范性項(xiàng)目出臺一些可行的優(yōu)惠政策，如對業(yè)主使用國產(chǎn)化關(guān)鍵設(shè)備給予一定補(bǔ)貼或政策優(yōu)待；鼓勵配套產(chǎn)業(yè)鏈，促進(jìn)成本降低；重點(diǎn)鼓勵關(guān)鍵設(shè)備和部件的制造、系統(tǒng)集成技術(shù)的研發(fā)。

在太陽能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前期，既有巨大的利潤空間，也有巨大的風(fēng)險(xiǎn)，鑒于塔式太陽熱發(fā)電技術(shù)難度及成本因素，建議有規(guī)劃的逐步推進(jìn)光熱電站建設(shè)。吸取光伏、風(fēng)電等經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，預(yù)防大規(guī)模蜂擁而至建電站，政府和有關(guān)單位要能起到有效的管控和監(jiān)督的作用。

我國塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)要步入良好的產(chǎn)業(yè)化環(huán)境，需要建設(shè)單位、科研單位、設(shè)備制造單位等共同的努力。光熱發(fā)電項(xiàng)目的研究屬于一個系統(tǒng)性的很強(qiáng)的項(xiàng)目，各界都持以開放的心態(tài)，以末端應(yīng)用為主，產(chǎn)、學(xué)、研結(jié)合有效合作才能使塔式發(fā)電的創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化得到長足的發(fā)展。另外，利用我國巨大的產(chǎn)業(yè)與產(chǎn)能優(yōu)勢，尋找適合的商業(yè)模式和國外聯(lián)合起來做科技創(chuàng)新，加快我國塔式熱發(fā)電進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)共贏新局面。

［1］黃湘，王志峰，李艷紅，等.太陽能熱發(fā)電技術(shù)［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(fā)展現(xiàn)狀及技術(shù)創(chuàng)新趨勢［J］.裝備機(jī)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(shè)計(jì)發(fā)展概述［J］.能源研究與管理，2014（3）：13-16.

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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?。?984-），男，工程師，主要研究方向?yàn)樗娬窘ㄔO(shè)、太陽能熱發(fā)電技術(shù)。