国内外太阳能光热发电发展现状及前景

袁炜东

（上海电力设计院有限公司，上海 200025）

太阳能作为一种清洁的可再生能源，是未来社会的理想能源之一，在未来的能源战略中占有重要的地位。目前太阳能发电技术主要有2类：太阳能光伏发电技术和太阳能光热发电技术。近年来，太阳能光伏发电技术日趋成熟，达到了商业使用所要求的能级。其优点是设备简单易行，但也有着电能难以储存，太阳光不稳定对电网产生冲击的缺点，这必将使得单一的光伏发电在不久的将来遭遇发展瓶颈。太阳能光热发电凭借其可储热、可调峰、可连续发电的优点，逐渐成为可再生能源领域研发和投资的热点［1-4］。

1 太阳能光热发电的方式

根据能量转换关键环节中太阳能聚光集热过程的本质特征分为聚光与非聚光2类太阳能热发电系统。非聚光型太阳能热发电系统主要包括：太阳能热气流发电系统和太阳能热池发电系统。聚光型发电技术主要有4种：槽式、塔式、碟式和线性菲涅尔式。这4种发电方式虽然各有差异，但可以大致地分为太阳能集热系统、热传输和交换系统、发电系统3个基本系统。

1.1 槽式太阳能光热发电系统

利用槽式抛物面聚光器聚光的太阳能光热发电系统简称分散型系统。该系统一般由聚光集热装置、蓄热装置、热机发电装置和辅助能源装置（如锅炉）等组成。槽式抛物面将太阳光聚在一条线上，在这条焦线上安装管状集热器。以吸收聚焦的太阳辐射能。常将众多的槽式聚光器串并联成聚光集热器阵列。槽式聚光器对太阳辐射进行一维跟踪。

由于槽式聚光器的几何聚光比低及集热温度不高。使得抛物槽式太阳能光热发电系统中动力子系统的热转功效率偏低，通常在35%左右。因此，单纯的抛物槽式太阳能光热发电系统在进一步提高热效率、降低发电成本方面的难度较大。

1.2 塔式太阳能光热发电系统

塔式太阳能光热发电系统也称为集中式太阳能光热发电。利用定日镜将太阳光聚焦在中心吸热塔的吸热器上。聚焦的辐射能转变成热能，然后传递给热力循环的工质，再驱动汽轮机做功发电。塔式太阳能热发电系统具有聚光比和工作温度高、热传递路程短、热损耗少、系统综合效率高等特点，非常适合于大规模、大容量商业化应用。但塔式太阳能热发电系统一次性投人大，每台定日镜都需要一个单独的二维跟踪机构，装置结构和控制系统复杂，维护成本较高。

1.3 蝶式太阳能热发电系统

碟式太阳能光热发电系统是利用旋转抛物面反射镜，将入射阳光聚集在焦点上。放置在焦点处的太阳能接收器收集较高温度的热能，加热工质以驱动汽轮机。从而将热能转化为电能。碟式太阳能光热发电系统包括：旋转抛物面反射镜、接收器、跟踪装置和蓄热系统。

碟式太阳能热发电系统可以单机标准化生产，具有使用寿命长、综合效率高、运行灵活性强等特点。由于发电成本不依赖于工程规模，适合边远地区离网分布式供电。但碟式太阳能热发电系统单机规模受到限制，造价昂贵。

1.4 线性菲涅尔式太阳能热发电系统

线性菲涅尔式太阳能热发电系统与槽式热发电系统类似。但结构更为简单，并且吸热管无需进行真空处理，降低了技术成本和难度，但总体效率不高。

1.5 各种太阳能热发电方式特点对比

各种太阳能热发电方式特点对比如表1所示。

表1 各种太阳能热发电方式特点对比

在西班牙、美国和欧洲一些国家的在建和建成的聚热电站中，目前比较成熟的技术为槽式电站，占已建和在建热电站的94.57%，而塔式占4.37%，菲涅耳式、碟式分别不足1%。

2 太阳能光热发电国外发展现状

截至2011年底，国外仍处于运行状态的太阳能热发电总装机容量约1 770MW。西班牙是主要的太阳能热发电市场，约占全球总装机容量的62.3%；美国次之，约占总装机容量的28.8%；另外，德国、以色列、意大利、埃及和泰国境内分别有一座太阳能热发电站。国外在建的太阳能热发电站总装机容量约为3.4GW，其中，美国市场为37.7%，西班牙市场为33.9%，其他的分别分布在摩洛哥、阿尔及利亚、阿布扎比以及澳大利亚等国。目前，全球处于开发中的太阳能热发电项目总装机容量约为16GW，这些电站分别位于美国、苏丹、西班牙、澳大利亚、摩洛哥、南非、泰国、印度和伊朗等国家。

日前，全世界已建成10余个塔式太阳能光热发电试验示范电站。典型的太阳能塔式发电站是西班牙PS20，装机容量为20MW。太阳能光热发电一次投资为2 500～2 900美元／kW，太阳能光热发电年效率可达15%～20%，发电成本为15美分／kWh。随着技术和规模的发展，有望在2020年其发电成本达到4美分／／kWh左右。

2.1 国外代表性电站介绍

2.1.1 西班牙AndasoI太阳能热发电站

Andasol太阳能热发电站是欧洲第一个商业运行的太阳能槽式导热油电站，于2009年3月1日开始商业运行，位于西班牙Guadix省Andalusia，地理位置37°13′42.7″N，3°4′6.73″W。电厂用熔盐储热，在光照不强时电站能连续运行。因站址海拔较高（1 100m）、属于半干旱气候，太阳能资源好，年直接辐射（DNI）为2 200kWh／m2。每台机组装机容量为50MW，每年发电量在165 GWh。集热器反射面安装面积为51万m2，占地约200万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）。每期工程每年发电量约在165 GWh（三期工程每年总发电量约在495GWh）。三期工程总造价为9亿欧元。与所有的火力发电厂一样，冷却系统是工艺流程所必需的。由于Andasol建在西班牙南部半温带气候区，每台机组每年蒸发的水量为870.000m3（投资商提供数据），约5L／kWh。大部分的光热电站蒸发很少的水（典型的可以少于2.5L／kWh），如果采用江水或海水冷却，几乎可以不蒸发水。尽管在西班牙水供应还是比较紧张的，但是Andasol电站位于Sierra Nevada，水资源供应是比较充足的。

2.1.2 美国SoIana太阳能热发电站

Solana太阳能热发电站靠近亚利桑那州的Gila Bend，，约在凤凰城以南110km 处，2013年完工，是当时世界上最大的槽式电站，也是美国第一个带熔盐储热的太阳能电站。由西班牙Abengoa Solar公司建设，电站总容量280MW。电站采用Abengoa公司研制的太阳能聚光发电专有槽式技术，占地面积1 257万m2。电站雇员85人。Arizona Public Service（APS）已经签署全额收购Solana电站发出的电量合同。电站2010年开始建设，电站带有6h储热系统，造价约20亿美元，2013年10月投运。

2.1.3 美国Ivanpah太阳能热发电站

Ivanpah发电站位于加利福尼亚的Mojave沙漠，洛杉矶西南64km处，项目总规划容量为392MW。电站布置了170 000面太阳光反射镜，将太阳光聚焦到场地中心的太阳能集热塔上。该项目由于位于沙漠生态栖息地，威胁到沙漠龟的生存，引起野生保护组织和环保主义者的广泛争论。电站1号机组2013年9月并网，开始进行初始并网和同步调试。

电站通过太阳光反射镜将阳光聚焦到了太阳能集热塔上，集热器产生的蒸汽驱动专用的汽轮发电机。1号机组被安装了世界上最大的全太阳能蒸汽动力汽轮发电机——Siemens SST-900，功率为123MW，气机带回热再热型。除了汽轮发电机，西门子同时提供仪表和控制系统。Ivanpah电站使用BrightSource能源公司LPT550塔式集热技术。LPT 550太阳能发电技术同传统的发电厂相似，采用高温蒸汽推动汽轮发电机。BrightSource采用成千上万个定日镜反射太阳光到一个集热器，集热器由Riley公司研制，集热器充满水，安装在塔顶。当阳光射到集热器时，里面的水被加热，产生高温蒸汽。高温蒸汽用管道引致常规汽轮机产生电力。

由于沙漠中水资源不足，LPT550使用空冷技术将蒸汽冷凝成水，与常规的水冷技术相比，可以减少90%水的使用。

2.1.4 西班牙GemasoIar太阳能热电站

Gemasolar是一个带熔盐储热的聚光太阳能热发电站，装机容量达19.9MW，于2011年5月开始试运行。Gemasolar发电站位于西班牙塞维利亚 Fuentes de Andalucía，是 Torresol Energy旗下的标志性发电站。Torresol Energy是阿布扎比领先的未来能源公司Masdar与西班牙领先的工程与建筑公司SENER的合资公司。

电站太阳能集热塔高140m，采用的技术率先在Solar One和Solar Two实验项目上应用。Gemasolar采用创新的熔盐传热技术，储热系统可在没有阳光的情况下持续发电15h，帮助避免供电波动。Gemasolar发电站能够在一年中的多个月份实现24h不间断发电，即使是在黑夜或日照不足的冬季。

Gemasolar是第一个熔盐换、储热的塔式太阳能热电站，包括180公顷的太阳能镜场和140m高的集热塔、一个动力岛、2650面定日镜，每个定日镜120m2围绕集热塔环形布置。系统塔顶中央接收器的温度可达900℃。塔式接收器采用熔盐作为传热介质，温度可达500℃，相比槽式聚光技术，能够向汽轮机传输温度更高，数量更多的高压蒸汽，大幅提升整个发电站的功效。

SENER负责提供技术，从事工程详细设计、部分设计采购施工（EPC）工作，以及发电站试运行，SENER开发的技术包括熔盐储热系统与接收器等最先进的解决方案，接收器能够吸收太阳光谱95%的辐射，并将该能量传递给在接收器内部循环的熔盐化合物，之后用于加热蒸汽，运行蒸汽轮机。

电厂所有创新方面技术几乎都属于Torresol Energy公司，包括：熔盐集热器、定日镜和控制系统。储热系统可以在没有阳光下，可以提供15h发电容量。储热系统的容量可以使发电能根据调度要求进行调峰运行。电厂已经可以全天无中断向电网发电。电站采用的热交换技术由SENER公司研制。

2.2 国内发展现状

与国外光热发电技术在材料、设计、工艺及理论方面长达50多年的研究相比，我国的太阳能热发电技术研究起步较晚，直到20世纪70年代才开始一些基础研究，目前还属于系统集成示范阶段，目前仍无商业化在运电站。

2010年12月，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塔式太阳能热发电试验示范电站竣工。

2010年，我国首个光热发电特许权项目—内蒙古鄂尔多斯50MW项目10月下旬启动招标，该项目采用槽式光热发电技术，计划总投资16亿元，年发电1.2亿kWh。业界寄望于借助该项目考量国内研发技术，探索符合国情的商业模式并带动市场规模化发展。

截至2013年，我国太阳能热发电现状表如表2所示。

表2 我国太阳能热发电现状表

中控德令哈50MW太阳能热发电项目选址在青海省德令哈市，规划土地3.3km2，预计年发电量1.2亿kWh。项目由中控太阳能技术有限公司投资建设，公司专业从事太阳能热发电技术研发与推广，是中国领先的太阳能热发电技术、装备与解决方案提供商。项目于2011年启动，是我国首座大规模应用的太阳能热发电站。项目采用企业自主研发的技术及装备，对我国塔式太阳能热发电聚光集热技术、发电技术、系统集成、工程及国产化装备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太阳能热发电项目一期（10MW）汽轮机冲转。机组主蒸汽温度450℃，压力6MPa。

3 太阳能光热发电产业前景分析

太阳能光热发电方式具有与现有电网匹配性好、光电转化率高、可连续稳定和调峰发电的能力、发电设备生产过程绿色环保等其他发电方式不可比拟的优势，因此成为近年来新能源领域开发应用的热点，各国都出台了相应的经济扶持和激励政策，全球总装机规模持续上升，呈现出一种蓬勃发展的景象。

太阳能光热发电技术在未来的研发和应用中，将朝着“高参数、大容量、连续发电”这3个技术方面发展。高参数即为聚光比高、运行温度高和热电转换效率高。为此必须在高反射率高精度反射镜、高精密度跟踪控制系统、高热流密度下的传热、太阳能热电转换等核心技术和关键设备的研制中，加大研发力度。大容量主要指发电规模大，要形成GM级发电能力，主要是降低投资成本和单位发电成本，逐步具备与火力发电成本相当的竞争能力。发电连续性主要是提高储热效能。目前蓄热介质有蒸汽、导热油和熔融盐等。总得来说太阳能热发电技术将会向着低成本、大规模的方向快速发展，将在人类未来的能源结构中占有举足轻重的地位。

［1］ 李琼慧.太阳能光热发电发展现状与市场前景 ［J］.电器工业，2011（8）：28-31.

［2］ 黄裕荣，侯元元，高子涵.国际太阳能光热发电产业发展现状及前景分析 ［J］.科技和产业，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］ 袁建华.分布式光伏发电微电网织能系统研究［D］.山东大学，2011.

［4］ 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.