关于我国开展太阳能光热发电标准化的若干建议

文／全国电气绝缘材料与绝缘技术系统评定标准化技术委员会 陈晨 张亮／

一、概述

能源危机是今后人类生存面对的一个相当大的问题，一味的燃烧化石能源，不仅仅地球资源会枯竭，还会产生大量的二氧化碳等温室气体的排放，导致气候变化，危及人类的可持续生存和发展。2009年哥本哈根会议上，中国率先承诺到2020年单位国内生产总值二氧化碳排放比2005年下降40%-45%，这给我们未来的节能减排工作带来严峻的挑战。

目前我国已经将节能减排的目标分配到各省市，并作为考核地区的硬指标，继而出现某些城市的拉闸限电，给企业带来很大的损失，也给居民的日常生活带来不便。由此可见，寻找新能源已经成为人类面临的迫切问题。太阳能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到人们的青睐，在人类的生活和工作中有着广泛的应用，其中之一就是将太阳能转化为电能。利用太阳能发电主要分为太阳能光伏发电和太阳能光热发电。太阳能光热发电的原理是利用集热器把太阳辐射产生的热能收集起来给介质加热产生蒸汽推动汽轮发电机发电。按太阳能采集方式划分，到目前为止，世界上主流的太阳能光热发电站的形式主要有：塔式、槽式、碟式和线性菲涅尔式太阳能光热发电系统。

二、太阳能光热发电的主要形式

1、塔式太阳能光热发电系统

塔式太阳能光热发电系统是在空旷的地面上建立一个高大的中央吸收塔，塔顶上安装固定一个吸热器，塔的周围安装一定数量的定日镜，定日镜系统实现对太阳的实时跟踪，并将太阳光反射到吸热器，位于塔顶的吸热器吸收由定日镜反射而来的高热流密度辐射能，将通过吸收器的工质加热并产生高温蒸汽，推动汽轮机进行发电，如图1所示。塔式太阳能光热发电系统具有聚光倍数高、工作温度高、热传递路程短、热损耗少、系统综合效率高等优点。但塔式太阳能光热发电系统一次性投入大，每台定日镜都需要一个单独的二维跟踪设备，装置结构和控制系统复杂，精度要求、维护成本较高。此外，塔式太阳能光热发电不适合大规模化运营。

图1 塔式太阳能光热发电系统

2、槽式太阳能光热发电系统

槽式太阳能光热发电系统全称为槽式抛物面反射镜太阳能光热发电系统，是将多个槽型抛物面聚光集热器经过串并联的排列，将直射太阳光聚焦到位于抛物线焦点的中高温太阳能真空集热管上，加热工质，产生高温蒸汽，驱动汽轮机发电机组发电，如图2所示。槽式太阳能光热发电结构简单，成本较低，并且可以将多个聚光吸热装置经过串联和并联进行排列，构成较大的光热发电系统。但存在聚光比较小、热传递回路长、传热工质温度难以提高、系统综合效率低等缺点。

图2 槽式太阳能光热发电系统

3、碟式太阳能光热发电系统

碟式太阳能光热发电的基本原理是：太阳辐射能经过聚光器汇聚之后，被集热管吸收，转化为热能，并传递给工质，使工质温度升高，形成高温热源，送入热机，能量在热机系统中转化为机械能，推动发电机运转，对外发出电流，如图3所示。碟式太阳能光热发电系统可以单机标准化运行，具有寿命长、综合效率高、运行灵活性强等优点，发电成本不依赖于工程规模，适合偏远地区离网分布式供电。但碟式太阳能聚焦器相对较复杂，太阳能热利用对其光学和机械系统的精度要求使得无论在设计加工、运行中都会遇到一些问题。此外，其单机规模受限，造价昂贵。

图3 碟式太阳能光热发电系统

4、线性菲涅尔式太阳能光热发电系统

线性菲涅尔式太阳能光热发电工作原理与槽式光热发电系统类似，只是用菲涅尔结构的聚光镜代替抛物面镜，利用线性菲涅尔反射聚光集热器，将太阳能收集，产生高温高压蒸汽从而推动汽轮发电机发电。相比于槽式光热发电系统结构更为简单，且吸热管无需真空处理，降低了技术成本和难度，但是总体效率不高。

总体来说，不同形式的太阳能光热发电站各有优缺点，目前针对每种形式的太阳能光热发电各国都在致力于关键技术的攻克，希望太阳能光热电厂能够早日规模化运营。

三、太阳能光热发电国外现状

当前，太阳能光热电厂分布于美国、西班牙、德国、印度、澳大利亚等国家。据统计，全球现正在运营或正在建设的太阳能光热发电装机容量预计已近3,000MW。发展太阳能光热最为积极的国家为西班牙和美国。西班牙太阳能光热发电并网容量已达800MW，是世界上太阳能光热发电量最大的国家。西班牙现计划于2013年年底以前完成2,500MW太阳能光热并网发电，到2020年以前将完成140,000MW太阳能光热并网发电。美国太阳能光热发电并网容量已达500MW，并已与电力企业签订了9,000MW的太阳能光热电力采购协议。由于太阳能光热发电的巨大市场潜力，其在各国未来能源发展路线中必将占据更大的比例。

四、太阳能光热发电国内现状

我国也很重视太阳能光热发电，相继出台相关政策支持太阳能光热发电产业的发展。根据国家发展和改革委员会2007年发布实施的《可再生能源中长期发展规划》（2006-2020），到2020年中国太阳能光热发电总量达到200MW。今年6月1日，国家发改委颁布的《产业结构调整指导目录(2011年本)》正式实施，在指导目录鼓励类新增的新能源门类中，太阳能光热发电被放在突出位置。专家预测，未来光热发电容量将大大超过光伏，在全球低碳经济与新能源革命的大趋势下，光热发电极有可能成为我国未来份额最大的主导能源。太阳能光热发电是太阳能热利用的重要方面，具有与电网负荷的适配性较好、太阳能光热发电转化效率较高、容易产生规模效应、耗材的制造过程更环保、电能调配性更好等优势而被认为是未来太阳能利用的主流发展方向，也是我国发展战略性新兴产业的重点领域之一。我国计划 “十二五”期间在西部建设1000MW级规模的太阳能光热发电站。

目前，我国太阳能光热发电正处在研发和示范阶段，还未形成产业化发展，2010年底，由中国科学院电工研究所等10家单位联合承担的国内首座1MW塔式太阳能光热发电示范电站实现并网发电，用于研究太阳能塔式光热发电关键技术，并建立太阳能光热发电实验系统和实验平台，探索高效能、大规模、低成本商业化电站的技术途径，为我国太阳能光热发电技术的研究和发展奠定基础。2010年12月，我国首个光热发电项目——鄂尔多斯50MW项目启动招标，该项目采用槽式发电技术，计划总投资16亿元，年发电1.2亿千瓦。中国科学研究院、大唐、皇明等科研院所和企业正在积极开展太阳能光热关键技术的研发和示范工作。

五、我国太阳能光热发电存在的问题

我国发展太阳能光热目前主要面临着技术不成熟和发电成本高两道难关。

首先，太阳能光热发电所需要的核心设备仍被国外企业垄断，由于我国技术水平尚不成熟，在很大程度上影响到太阳能光热发电的稳定性，对太阳能光热发电并网造成一定困难。槽式所需的集热管、聚光镜和塔式要用的镜场跟踪系统、集热器都是太阳能热发电的核心设备，以上几个关键设备国内都分别有厂家在进行研发，虽然实验室阶段已经突破，但市场量产还有待时日。我国在高温金属集热管方面一直处在落后的被动局面，国内的企业要依赖外国的技术和国外的产品上。有业内人士抱怨，即便有钱来购买外国公司的产品，也要等对方的生产规划安排，有时要等上好几年。

另一方面，由于我国太阳能光热发电设备还主要依赖进口，所以对于发电成本和投资回报率更远不及我国已实现设备国产化的太阳能光伏发电技术。中国太阳能工程联盟副秘书长孟祥曾表示，光热产业链上的核心技术，如系统集成、集热管、聚光镜等，仍掌握在国外企业手中，若不能解决将严重阻碍太阳能光热市场发展。

六、太阳能光热发电标准化工作

太阳能光热发电产业涉及光、机、电等多个领域,标准化在解决未来太阳能光热发电产业设备和系统的集成问题起到不可忽视的作用。在各国大力发展太阳能光热发电之际，标准化组织也着手开展了相关工作。2011年4月，国际电工委员会（IEC）正式成立IEC/TC117（太阳能光热电厂），负责制定太阳能光热电厂系统和设备国际标准，包括性能试验测量标准。我国国家标准化委员会紧跟国际标准化工作，于2011年8月正式批复由中国电力企业联合会与中国电器工业协会联合承担IEC/TC117国内技术对口单位，并以积极成员（P成员）身份参加相关国际标准化活动。我国开展太阳能光热发电标准化工作应注意以下几点：

一、与现行相关设备标准化技术委员会相互配合，逐步搭建太阳能光热产业链标准体系。太阳能光热发电厂标准化活动将涉及三方面内容：太阳能光热发电厂、太阳能光热发电设备和太阳能光热贮能设备；同时，太阳能光热发电厂还可能涉及汽轮机、发电机等现有标准化领域。因此，太阳能光热发电标准化工作需要运用系统视角开展相关工作。伴随我国太阳能光热设备的国产化研发进步，势必将降低我国太阳能光热发电设备制造成本，但降低太阳能光热发电成本的关键不仅需要电厂中各个设备之间相互配套，还需要在电厂系统设计方面做出优化。这就需要电力行业和电工行业共同协作，我国开展太阳能光热电厂标准化活动已具备了这方面的基础。

二、建立太阳能光热发电试验评价与标准化相结合机制，保证太阳能光热电厂的运行效率。如前文所述，太阳能光热电厂的运行效率是决定太阳能光热发电成本的关键。因此，应建立太阳能光热电厂试验评价对标准化工作的反馈机制，将电厂运行试验评价结果反馈至标准化机构，通过标准的媒介，促进设备制造满足太阳能光热电厂运行效率的要求。

三、密切跟踪太阳能光热国际标准化活动，将我国优势技术引入国际标准化领域。一方面，在核心技术方面，我国应通过国际技术合作、国际标准化跟踪等渠道进一步加大技术引进力度。另一方面，太阳能光热发电国际标准化领域刚刚开始工作，前期将主要开展标准化规划等工作，之后才逐步开展国际标准制订活动。在此期间，我国应积极跟踪太阳能光热国际标准化框架的搭建，派出相关领域的专家积极跟踪太阳能光热国际标准化活动。同时，将我国在某些领域的优势技术引入国际标准化领域，保持我国在太阳能光热发电国际标准化领域的相对竞争力。

综上所述，太阳能光热发电是未来发展的一个重要的领域，由于太阳能光热发电装备制造产业链较长，必须走大规模协作道路，来实现规模化、产业化。我国应加大国内研发力度，尽快掌握核心技术，推动相关产业链的发展，提升我国在新能源领域市场的竞争优势。

[1] 碟式太阳能热发电技术综述(二),热力发电,2009(38)6.

[2] 太阳能槽式热发电技术综述,电源技术应用,2010(13)-4.

[3] 太阳能光热发电发展现状与市场前景,电器工业,2011-8.

[4] 太阳能热发电前景无限,中国能源报,2011(120)-18.

[5] 太阳能光热电厂提案投票文件,IEC SMB B/4416/DV,2011-1-7.