太阳能光热发电技术及国际标准化概述

/机械工业北京电工技术经济研究所 尹航 卢琛钰 中国电力企业联合会 汪毅

中国电力科学研究院 吴福宝 陈志磊 国网电力科学研究院 杜炜

中国科学院电工研究所 李鑫 中国大唐集团新能源股份有限公司 阎秦/

太阳能光热发电技术及国际标准化概述

/机械工业北京电工技术经济研究所 尹航 卢琛钰 中国电力企业联合会 汪毅

中国电力科学研究院 吴福宝 陈志磊 国网电力科学研究院 杜炜

中国科学院电工研究所 李鑫 中国大唐集团新能源股份有限公司 阎秦/

一、引言

生态环境恶化和能源紧张使世界各国积极开发包括太阳能在内的新能源及可再生能源。太阳能光热发电是太阳能利用的重要方向，具有电力输出相对稳定、对电网冲击较小等优点，配合储热更可实现长时间发电。目前，槽式电站已有运行30多年的成功案例，光热发电的技术成熟度、稳定性和经济性已得到验证。

太阳能光热发电技术经历了自1991年的长时间停滞之后，近年来得到了很大发展。据统计，截至2013年底，全球太阳能光热发电市场已投运装机容量达到约3320MW，主要集中在西班牙、美国两大传统市场以及西亚和北非地区；2013年新增装机容量约606MW，其中西班牙装机容量增长150MW，美国装机容量增长280MW，预计2014年仍将有很大增长。沙特、南非、摩洛哥等新兴市场在建项目装机容量、规划装机容量及政府推动等因素的推动下，这三大市场和印度市场未来太阳能光热的装机容量将出现较大增长。我国西北地区有较好的太阳能资源，但光热发电产业仍处于起步阶段，大多数仅是示范项目，商业电站仅有中控德令哈一期10MW项目于2013年建成。

太阳能光热发电从技术研发到电厂建设包含许多级技术环节，这些环节都应有相应的规程和标准，以便在组件和系统水平上对术语和性能要求具有统一的理解。目前国际上已有部分组件以及电厂的国家和国际标准，但特定组件和功能以及性能、测试方法等方面的标准仍存在缺失。总体来看，太阳能光热发电领域的标准仍存在较大缺失。

二、技术概况

太阳能光热发电是利用大量反射镜将太阳直射光汇集作为热源，通过朗肯循环、布雷顿循环或者斯特林循环将热能转化为电能。太阳能光热发电和常规化石燃料燃烧的热力发电将热能转化为电能的原理相同，不同之处在于获取热能的方式。太阳能热发电技术按聚光方式可分槽式、塔式、碟式和菲涅尔式四类。

1、槽式

槽式太阳能光热发电采用抛物面槽型聚光器跟踪并聚集直射太阳光，抛物面焦点处的集热管吸收热量并加热工质。集热管大多采用并联、串联的方式以实现较大的发电规模。集热管的性能和可靠性成为影响槽式发电系统效率和运行成本的重要因素。国际上成熟的集热管制造商有两家，目前国内的集热管制造企业已经超过10家，但是对于要求25年使用寿命的槽式太阳能热发电站来说，集热管的产品质量和性能还有待于实际运行考验。

换热介质（导热油、熔融盐等）是影响槽式系统发电效率的另一因素。美国SEGS系列电站采用了导热油作为换热介质，由9座电站组成354MW装机容量，初期建设的电站已经运行超过30年，新的电价标准低至平均6美分/kWh；2010年意大利阿基米德5MW电站采用熔融盐作为换热介质产生蒸汽。熔融盐可以在550℃下工作，远高于导热油的工作温度，大大提高了发电站的效率，便于能量储存，以熔融盐作为换热介质具有更加广阔的应用前景。

2、塔式

塔式太阳能光热发电采用多面定日镜对太阳光进行跟踪，将阳光反射并集中到接收塔顶部的吸热器来加热工质。塔式系统的聚焦比可达200～1000以上，工作温度可达1000℃以上。相对于槽式系统，塔式系统无需集热管部分的管道传输系统，热损失小、系统效率高，也更便于存储热量。

塔式的工作介质可以选用熔融盐、空气或者水/蒸汽，目前仍以水工质方案的应用最为广泛，如美国的Solar One、Ivanpah等电站，但以2012年西班牙Gemasolar电站的成功投运为起点，熔融盐工质的塔式技术将逐步发展成为塔式技术的主流路线。我国中控太阳能德令哈50MW塔式太阳能热发电站一期10MW成功投运，采用水工质，后期40MW将采用熔盐作为工质。

3、碟式

碟式系统是通过一个或者多个旋转抛物面反射镜来跟踪并聚焦太阳光，位于焦点位置的吸热器吸收聚焦的太阳辐射能量加热工质，以驱动热机，系统中的热机大多采用斯特林发动机。碟式系统的聚焦比可达500～1000，焦点处可产生1000℃以上的高温，由于斯特林机热效率较高，系统整体效率可达30%以上。碟式系统规模较小，单机功率范围在3～50kW之间，在分布式能源领域具有良好的应用前景。此外，也可以将碟式系统集成用于大规模发电，但成本相对较高。

碟式系统的核心部件是斯特林发动机，国外技术相对比较成熟。美国SES公司生产的SunCatcher系统，单机功率为25kW，系统最大发电效率达到31.25%。2009年8月至2010年1月，SES公司与Tessera Soar公司合作在亚利桑那州建设了总容量为1.5MW的商业化电站。此外，还有美国SAIC/STM系统、瑞典Cleanergy系统、美国Infinia系统等。近年来，我国已有科研单位对斯特林发动机进行了科技攻关并取得了重要进展，但距离商业应用还需时日。

4、菲涅尔式

菲涅尔式系统由槽式系统演化而来，采用一组可水平放置的条形平面镜来代替槽式系统里的抛物面型曲面镜来聚焦太阳光。单个平面镜分别跟踪并反射太阳光，反射的太阳光经过二次反射镜后聚焦到腔式吸热管来加热工质。系统一般采用水/水蒸气作为吸热介质，采用蒸汽直产方式。相对于槽式系统，平面反射镜制造难度低，因此大大降低了初始投资成本。菲涅尔式系统的发展相对较晚，技术成熟度较低，商业电站不多。2012年10月，西班牙Puerto Errado 2菲涅尔光热电站正式并网发电，装机容量为30MW。该电站是目前世界上已投运的装机容量最大的菲涅尔光热电站，目前运行状况良好。

5、储热技术

太阳能光热发电以太阳光为能量来源，在夜间及遭遇阴雨多云天气时，由于没有能量来源，太阳能光热发电站将无法发电。储热技术可以实现热能在时间和空间上的大容量转移，使得太阳能光热发电具有可调度性，真正成为适用于大规模上网的发电技术。储热过程实际是在发电过程中进行的，即将多余的热量进行储存，在需要提高发电负荷或者无法获取太阳能时将储存的热能释放，用以实现负荷调节和持续发电。

储热材料主要有熔融盐、金属、高温混凝土以及碳酸盐等，目前常用的比较成熟的储热材料是熔融盐。熔融盐具有成本低、寿命长、换热性能好、热容量大以及工作温度范围宽等诸多优点，同时熔融盐的成分组成注定其具有较高的凝固温度（140～240℃）以及腐蚀性等缺点。未来熔融盐储热技术的发展方向是研发熔点更低、使用温区更宽和价格更低的熔融盐，同时研发相关的换热设备和储热设备并对系统进行优化，提高光热电站的经济性。

2008年，建于西班牙Granada省50MW的Andasol-1槽式电站，使用熔融盐作为储热材料，拥有7.5h的储热能力，而后又有Valle-1、Valle-2等10台类似的电站并网发电。2008年，西班牙在Solar one和Solar Two基础上建设的Solar Tres电站，发电功率15MW，拥有15h的储热能力。

三、太阳能光热发电国际标准化情况

考虑到目前太阳能光热发电技术的快速发展，商业项目建设等应用需求，针对目前标准缺失的问题，国际电工委员（IEC）会开始着手开展太阳能光热电厂国际标准化工作。

1、标准化组织情况

IEC于2011年4月正式成立IEC/TC 117（太阳能光热电厂，Solar thermal electric plants），主要负责研究制定太阳能光热发电系统及相关部件的国际标准。IEC/TC 117标准化工作的范围包括：槽式系统、塔式系统、线性菲涅尔式系统、碟式系统等四种发电形式以及储热、汽轮机和发电机等相关领域。标准化的内容涵盖：术语、设计、安装、性能测试方法、安全性、并网以及环保等方面。考虑到标准制定的需要，IEC/TC 117将同其他相关技术委员会保持联系与协调，如并网、通讯、智能电网集中控制以及环境等技术委员会。

IEC/TC 117现有22个成员国，其中P成员国11个，O成员国11个，秘书处设在西班牙。目前该技术委员会设有三个特别工作组和两个项目工作组：

AHG 1：通用项目工作组，负责制定诸如术语、安全要求、太阳年定义等相关标准。AHG 2：系统和部件工作组，负责制定不同技术类型的组件、运行参数和验收等标准。AHG 3：储能工作组，负责制定储热中的系统和特殊单元方面的标准PT 62862-1-1：术语项目工作组。PT 62862-1-2：典型太阳年定义工作组。

IEC/TC 117成立以来，分别在西班牙马德里、以色列特拉维夫和美国伊利诺伊召开了三届年会，2014年11月将在日本东京召开第四届年会。

2011年8月，国家标准化管理委员会正式批复中国电力企业联合会、中国电器工业协会分别为IEC/TC 117国内第一和第二技术对口单位，并以P成员身份参加IEC/TC117的国际标准化活动。2013年11月，中国电力企业联合会、中国电器工业协会、中国电力科学研究院、国网电力科学研究院、中国大唐集团新能源股份有限公司和中国科学院电工研究所等单位派员参加了在美国召开的IEC/TC117年会，全面地了解了国际标准化情况，并开始全面参与国际标准化的工作；2014年4月，IEC/TC117标准化工作研讨会上对两项国际标准提案进行了一件征集，并推荐专家参与PT 62862-1-1工作；国内对口的标准化技术委员会正在筹建中。

2、国际标准化动态

IEC/TC 117国际标准化架构已经基本形成，标准制定工作正在开展，目前取得的主要进展如下：

（1）2013年美国年会上确定了IEC/TC 117标准的编号规则和其对应的技术范围（表1），除了通用性标准、储热和四种发电形式外，还为未来可能出现的技术标准留空。（2）提案情况 美国会议上，根据工作组分工形成的提案情况如表2所示。提案主要包括基础性标准、应用较为广泛的槽式系统、菲涅尔式系统和储热四个方面，均是来自在西班牙、德国这两个技术比较成熟的国家，预计在2015～2016年形成一系列国际标准或者技术规范。其中“术语”和“典型太阳年产生方法”两个基础性标准提案在2014年4月的P会员投票中以全票通过，预计2015年年底前完成。（3）未来标准化方向 目前IEC/TC 117优先考虑的国际标准主要包括：光热电站的能量场模型、集热管测试、验收、反射镜（反射参数、形状及测试）和线性接收器（光学特性、热力特性等技术要求），未来还将制定经济性、反射镜耐久度以及电厂模拟和运行等方面的标准。

表1 编号规则和技术范围

表2 工作组内容

（4）与其他标准化技术委员会的联系情况 光热发电行业涉及专业领域较多，包括一些已有的标准化领域。为了更好地推进标准制定工作，充分吸收已有的标准成果，IEC/TC 117已经或者正在与IEC/TC 5 汽轮机、IEC/TC 82 太阳能光伏系统、ISO/TC 180 太阳能和ISO/TC 192 汽轮机等标准化技术委员会取得联系，共同进行标准化工作。

四、小结

太阳能光热发电是一种具有良好前景的绿色能源利用技术。槽式系统技术相对比较成熟，应用也最为广泛；塔式系统、熔融盐工质和储热是未来发展的主要方向。IEC已在光热发电领域进行了一系列的标准化工作，标准制定以西班牙、德国等技术领先国家为主导，美国、日本表现出了较高的参与热情，我国也逐步参与到国际标准化的工作中。

我国太阳能光热发电产业近年来有了较大发展，在集热管、反射镜和跟踪系统等方面进行了诸多研究工作，并开发出了相关产品。同时，与国外技术先进国家相比，我国太阳能光热发电的产业基础相对较弱，仍需要做更多的工程示范和技术积累。建议国家出台相关政策鼓励示范性项目建设，带动光热发电产业发展，发掘发展国内优势技术，积极参与国际标准化工作，争取国际话语权。

[1] http://www．cspplaza．com/article-2858-1．html．

[2] 高嵩,侯宏娟．太阳能热发电系统分析[J]．华电技术,2009,31(1):70-74．

[3] 陈昕,范海涛．太阳能光热发电技术发展现状[J]．能源与环境,2012,1:90-92．

[4] 陈晨,张亮．关于我国开展太阳能光热发电标准化的若干建议[J]．电器工业,2012,(1):60-62．

[5] IEC文件:117/26/RM．