國內外太陽能光熱發電發展現狀及前景

袁煒東

（上海電力設計院有限公司，上海 200025）

太陽能作為一種清潔的可再生能源，是未來社會的理想能源之一，在未來的能源戰略中占有重要的地位。目前太陽能發電技術主要有2類：太陽能光伏發電技術和太陽能光熱發電技術。近年來，太陽能光伏發電技術日趨成熟，達到了商業使用所要求的能級。其優點是設備簡單易行，但也有著電能難以儲存，太陽光不穩定對電網產生沖擊的缺點，這必將使得單一的光伏發電在不久的將來遭遇發展瓶頸。太陽能光熱發電憑借其可儲熱、可調峰、可連續發電的優點，逐漸成為可再生能源領域研發和投資的熱點［1-4］。

1 太陽能光熱發電的方式

根據能量轉換關鍵環節中太陽能聚光集熱過程的本質特征分為聚光與非聚光2類太陽能熱發電系統。非聚光型太陽能熱發電系統主要包括：太陽能熱氣流發電系統和太陽能熱池發電系統。聚光型發電技術主要有4種：槽式、塔式、碟式和線性菲涅爾式。這4種發電方式雖然各有差異，但可以大致地分為太陽能集熱系統、熱傳輸和交換系統、發電系統3個基本系統。

1.1 槽式太陽能光熱發電系統

利用槽式拋物面聚光器聚光的太陽能光熱發電系統簡稱分散型系統。該系統一般由聚光集熱裝置、蓄熱裝置、熱機發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成聚光集熱器陣列。槽式聚光器對太陽輻射進行一維跟蹤。

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電系統中動力子系統的熱轉功效率偏低，通常在35%左右。因此，單純的拋物槽式太陽能光熱發電系統在進一步提高熱效率、降低發電成本方面的難度較大。

1.2 塔式太陽能光熱發電系統

塔式太陽能光熱發電系統也稱為集中式太陽能光熱發電。利用定日鏡將太陽光聚焦在中心吸熱塔的吸熱器上。聚焦的輻射能轉變成熱能，然后傳遞給熱力循環的工質，再驅動汽輪機做功發電。塔式太陽能熱發電系統具有聚光比和工作溫度高、熱傳遞路程短、熱損耗少、系統綜合效率高等特點，非常適合于大規模、大容量商業化應用。但塔式太陽能熱發電系統一次性投人大，每臺定日鏡都需要一個單獨的二維跟蹤機構，裝置結構和控制系統復雜，維護成本較高。

1.3 蝶式太陽能熱發電系統

碟式太陽能光熱發電系統是利用旋轉拋物面反射鏡，將入射陽光聚集在焦點上。放置在焦點處的太陽能接收器收集較高溫度的熱能，加熱工質以驅動汽輪機。從而將熱能轉化為電能。碟式太陽能光熱發電系統包括：旋轉拋物面反射鏡、接收器、跟蹤裝置和蓄熱系統。

碟式太陽能熱發電系統可以單機標準化生產，具有使用壽命長、綜合效率高、運行靈活性強等特點。由于發電成本不依賴于工程規模，適合邊遠地區離網分布式供電。但碟式太陽能熱發電系統單機規模受到限制，造價昂貴。

1.4 線性菲涅爾式太陽能熱發電系統

線性菲涅爾式太陽能熱發電系統與槽式熱發電系統類似。但結構更為簡單，并且吸熱管無需進行真空處理，降低了技術成本和難度，但總體效率不高。

1.5 各種太陽能熱發電方式特點對比

各種太陽能熱發電方式特點對比如表1所示。

表1 各種太陽能熱發電方式特點對比

在西班牙、美國和歐洲一些國家的在建和建成的聚熱電站中，目前比較成熟的技術為槽式電站，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 太陽能光熱發電國外發展現狀

截至2011年底，國外仍處于運行狀態的太陽能熱發電總裝機容量約1 770MW。西班牙是主要的太陽能熱發電市場，約占全球總裝機容量的62.3%；美國次之，約占總裝機容量的28.8%；另外，德國、以色列、意大利、埃及和泰國境內分別有一座太陽能熱發電站。國外在建的太陽能熱發電站總裝機容量約為3.4GW，其中，美國市場為37.7%，西班牙市場為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。目前，全球處于開發中的太陽能熱發電項目總裝機容量約為16GW，這些電站分別位于美國、蘇丹、西班牙、澳大利亞、摩洛哥、南非、泰國、印度和伊朗等國家。

日前，全世界已建成10余個塔式太陽能光熱發電試驗示范電站。典型的太陽能塔式發電站是西班牙PS20，裝機容量為20MW。太陽能光熱發電一次投資為2 500～2 900美元／kW，太陽能光熱發電年效率可達15%～20%，發電成本為15美分／kWh。隨著技術和規模的發展，有望在2020年其發電成本達到4美分／／kWh左右。

2.1 國外代表性電站介紹

2.1.1 西班牙AndasoI太陽能熱發電站

Andasol太陽能熱發電站是歐洲第一個商業運行的太陽能槽式導熱油電站，于2009年3月1日開始商業運行，位于西班牙Guadix省Andalusia，地理位置37°13′42.7″N，3°4′6.73″W。電廠用熔鹽儲熱，在光照不強時電站能連續運行。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。每臺機組裝機容量為50MW，每年發電量在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）。每期工程每年發電量約在165 GWh（三期工程每年總發電量約在495GWh）。三期工程總造價為9億歐元。與所有的火力發電廠一樣，冷卻系統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，每臺機組每年蒸發的水量為870.000m3（投資商提供數據），約5L／kWh。大部分的光熱電站蒸發很少的水（典型的可以少于2.5L／kWh），如果采用江水或海水冷卻，幾乎可以不蒸發水。盡管在西班牙水供應還是比較緊張的，但是Andasol電站位于Sierra Nevada，水資源供應是比較充足的。

2.1.2 美國SoIana太陽能熱發電站

Solana太陽能熱發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，是當時世界上最大的槽式電站，也是美國第一個帶熔鹽儲熱的太陽能電站。由西班牙Abengoa Solar公司建設，電站總容量280MW。電站采用Abengoa公司研制的太陽能聚光發電專有槽式技術，占地面積1 257萬m2。電站雇員85人。Arizona Public Service（APS）已經簽署全額收購Solana電站發出的電量合同。電站2010年開始建設，電站帶有6h儲熱系統，造價約20億美元，2013年10月投運。

2.1.3 美國Ivanpah太陽能熱發電站

Ivanpah發電站位于加利福尼亞的Mojave沙漠，洛杉磯西南64km處，項目總規劃容量為392MW。電站布置了170 000面太陽光反射鏡，將太陽光聚焦到場地中心的太陽能集熱塔上。該項目由于位于沙漠生態棲息地，威脅到沙漠龜的生存，引起野生保護組織和環保主義者的廣泛爭論。電站1號機組2013年9月并網，開始進行初始并網和同步調試。

電站通過太陽光反射鏡將陽光聚焦到了太陽能集熱塔上，集熱器產生的蒸汽驅動專用的汽輪發電機。1號機組被安裝了世界上最大的全太陽能蒸汽動力汽輪發電機——Siemens SST-900，功率為123MW，氣機帶回熱再熱型。除了汽輪發電機，西門子同時提供儀表和控制系統。Ivanpah電站使用BrightSource能源公司LPT550塔式集熱技術。LPT 550太陽能發電技術同傳統的發電廠相似，采用高溫蒸汽推動汽輪發電機。BrightSource采用成千上萬個定日鏡反射太陽光到一個集熱器，集熱器由Riley公司研制，集熱器充滿水，安裝在塔頂。當陽光射到集熱器時，里面的水被加熱，產生高溫蒸汽。高溫蒸汽用管道引致常規汽輪機產生電力。

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

2.1.4 西班牙GemasoIar太陽能熱電站

Gemasolar是一個帶熔鹽儲熱的聚光太陽能熱發電站，裝機容量達19.9MW，于2011年5月開始試運行。Gemasolar發電站位于西班牙塞維利亞 Fuentes de Andalucía，是 Torresol Energy旗下的標志性發電站。Torresol Energy是阿布扎比領先的未來能源公司Masdar與西班牙領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，采用的技術率先在Solar One和Solar Two實驗項目上應用。Gemasolar采用創新的熔鹽傳熱技術，儲熱系統可在沒有陽光的情況下持續發電15h，幫助避免供電波動。Gemasolar發電站能夠在一年中的多個月份實現24h不間斷發電，即使是在黑夜或日照不足的冬季。

Gemasolar是第一個熔鹽換、儲熱的塔式太陽能熱電站，包括180公頃的太陽能鏡場和140m高的集熱塔、一個動力島、2650面定日鏡，每個定日鏡120m2圍繞集熱塔環形布置。系統塔頂中央接收器的溫度可達900℃。塔式接收器采用熔鹽作為傳熱介質，溫度可達500℃，相比槽式聚光技術，能夠向汽輪機傳輸溫度更高，數量更多的高壓蒸汽，大幅提升整個發電站的功效。

SENER負責提供技術，從事工程詳細設計、部分設計采購施工（EPC）工作，以及發電站試運行，SENER開發的技術包括熔鹽儲熱系統與接收器等最先進的解決方案，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部循環的熔鹽化合物，之后用于加熱蒸汽，運行蒸汽輪機。

電廠所有創新方面技術幾乎都屬于Torresol Energy公司，包括：熔鹽集熱器、定日鏡和控制系統。儲熱系統可以在沒有陽光下，可以提供15h發電容量。儲熱系統的容量可以使發電能根據調度要求進行調峰運行。電廠已經可以全天無中斷向電網發電。電站采用的熱交換技術由SENER公司研制。

2.2 國內發展現狀

與國外光熱發電技術在材料、設計、工藝及理論方面長達50多年的研究相比，我國的太陽能熱發電技術研究起步較晚，直到20世紀70年代才開始一些基礎研究，目前還屬于系統集成示范階段，目前仍無商業化在運電站。

2010年12月，由中國科學院電工研究所等10家單位聯合承擔的國內首座1MW塔式太陽能熱發電試驗示范電站竣工。

2010年，我國首個光熱發電特許權項目—內蒙古鄂爾多斯50MW項目10月下旬啟動招標，該項目采用槽式光熱發電技術，計劃總投資16億元，年發電1.2億kWh。業界寄望于借助該項目考量國內研發技術，探索符合國情的商業模式并帶動市場規模化發展。

截至2013年，我國太陽能熱發電現狀表如表2所示。

表2 我國太陽能熱發電現狀表

中控德令哈50MW太陽能熱發電項目選址在青海省德令哈市，規劃土地3.3km2，預計年發電量1.2億kWh。項目由中控太陽能技術有限公司投資建設，公司專業從事太陽能熱發電技術研發與推廣，是中國領先的太陽能熱發電技術、裝備與解決方案提供商。項目于2011年啟動，是我國首座大規模應用的太陽能熱發電站。項目采用企業自主研發的技術及裝備，對我國塔式太陽能熱發電聚光集熱技術、發電技術、系統集成、工程及國產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太陽能熱發電項目一期（10MW）汽輪機沖轉。機組主蒸汽溫度450℃，壓力6MPa。

3 太陽能光熱發電產業前景分析

太陽能光熱發電方式具有與現有電網匹配性好、光電轉化率高、可連續穩定和調峰發電的能力、發電設備生產過程綠色環保等其他發電方式不可比擬的優勢，因此成為近年來新能源領域開發應用的熱點，各國都出臺了相應的經濟扶持和激勵政策，全球總裝機規模持續上升，呈現出一種蓬勃發展的景象。

太陽能光熱發電技術在未來的研發和應用中，將朝著“高參數、大容量、連續發電”這3個技術方面發展。高參數即為聚光比高、運行溫度高和熱電轉換效率高。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、高熱流密度下的傳熱、太陽能熱電轉換等核心技術和關鍵設備的研制中，加大研發力度。大容量主要指發電規模大，要形成GM級發電能力，主要是降低投資成本和單位發電成本，逐步具備與火力發電成本相當的競爭能力。發電連續性主要是提高儲熱效能。目前蓄熱介質有蒸汽、導熱油和熔融鹽等。總得來說太陽能熱發電技術將會向著低成本、大規模的方向快速發展，將在人類未來的能源結構中占有舉足輕重的地位。

［1］ 李瓊慧.太陽能光熱發電發展現狀與市場前景 ［J］.電器工業，2011（8）：28-31.

［2］ 黃裕榮，侯元元，高子涵.國際太陽能光熱發電產業發展現狀及前景分析 ［J］.科技和產業，2014（9）：54-56.HUANG Yu-rong，HOU Yuan-yuan，GAO Zi-han.The development status and prospect analysis of international concentrating solar power industry［J］.Science Technology and Industrial，2014，14（9）：54-56.

［3］ 袁建華.分布式光伏發電微電網織能系統研究［D］.山東大學，2011.

［4］ 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.