太阳能热利用技术分析与前景展望

2021-07-30毕文剑陈明强童郭凯

太阳能 2021年7期

孙峰，毕文剑，周楷，陈明强，唐娟，童郭凯，王伟

(浙江中控太阳能技术有限公司，杭州 310009)

0 引言

随着全球化石能源供应日益紧张和环境问题日益凸显，太阳能作为典型的清洁可再生能源越来越受到关注，针对太阳能热利用技术的开发和应用正逐步成为能源行业的热点。

太阳能热利用技术可应用于多个行业或领域：在低温(＜100 ℃)领域，太阳能热利用技术的开发和应用已趋于成熟，主要是为居民的日常生活供暖、供热，比如应用于民用太阳能热水器、室外太阳灶等；在中高温(≥100 ℃)领域，太阳能热利用技术的开发和应用主要集中在工农业方面，比如应用于太阳能海水淡化、纺织、食品加工和木材烘干等方面，同时也应用于单一或多种新能源联合发电领域。本文针对已经产业化或即将产业化的太阳能热利用技术，重点从太阳能海水淡化，太阳能供热、换热制冷，太阳能热发电，以及太阳能光热与其他新能源联合发电这4个主流的应用方向对太阳能热利用技术的应用原理展开了论述，介绍了典型应用案例，并分析了当前产业发展存在的问题及发展前景。

1 太阳能海水淡化

淡水资源紧缺制约着社会和经济的发展，是各国面临的主要问题之一。海水淡化技术能有效缓解淡水短缺的现状，但传统的海水淡化工艺不仅会消耗大量能源，而且不利于环境保护。由于缺水的干旱地区往往太阳能资源较为丰富，因此这些地区具有发展新型高效的太阳能海水淡化技术的良好前景。

太阳能海水淡化技术是将太阳能热利用技术和传统的海水淡化系统相结合，但二者结合时需要重点考虑以下几点问题[1]：1)综合效率应明显高于采用单一技术时的效率；2)尽量保有原本成熟的系统，因地制宜地选择合适的海水淡化方法；3)尽量减少集热装置和储换热装置的热量损失，提高太阳能热利用的效率。

传统的太阳能海水淡化技术主要包括太阳能海水蒸馏技术和太阳能膜法海水淡化技术。这2种技术利用了太阳能的热能或太阳能热发电产生的电能进行海水淡化。

1.1 太阳能海水蒸馏技术

太阳能海水蒸馏技术是指以收集的太阳能热能替代传统的热源来加热海水，使海水浓缩蒸发汽化，再把蒸汽冷凝成淡水的技术，其工作流程图如图1所示。

图1 太阳能海水蒸馏技术的工作流程图Fig. 1 Working flow chart of solar seawater distillation technology

在太阳能海水蒸馏技术中，太阳能多效蒸馏技术和太阳能多级闪蒸技术的发展成果较为突出。

太阳能多效蒸馏系统是由多个蒸发器组合而成，多效蒸发时要求后一效的操作压力和蒸发温度均比前一效的低，并以前一效的二次蒸汽作为后一效的加热介质。与传统的多效蒸馏系统不同的是，太阳能多效蒸馏系统利用太阳能集热系统收集的热能来替代传统的热源用于海水加热，系统能多次重复利用热能，可显著降低热能耗用量，且系统的热能利用效率高、溶液的浓缩比较大；但该系统的缺点是结构相对复杂，且设备投资较高。

太阳能多级闪蒸系统是采用降压扩容闪蒸的方法蒸发海水，将原料海水加热到一定温度后引入闪蒸室。该系统的设备简单、可靠，易于规模化应用，但由于多级闪蒸系统要求负荷稳定，而太阳能的不稳定性使其作为热源时很难满足这一要求。因此，采用太阳能多级闪蒸系统时往往需要配置一定规模的辅助热源[1]。

田禾等[2]综合了多级闪蒸和多效蒸发这2种系统的优点，设计制造了一套具有一效蒸发器的太阳能闪蒸-多效蒸发海水淡化装置。该装置前段为闪蒸段，闪蒸段连接的太阳能集热系统可直接加热海水；后段为低温多效系统，可解决太阳能作为热源存在不稳定的情况。通过试验表明，该装置在海水温度为68～78 ℃范围内能够正常运行，且具有较高的日产水量；装置达到稳定状态所需的时间较短，比较适合太阳能作为热源不稳定时的情况。

在规模化工程应用项目中，为保证海水淡化设备的使用寿命，需尽量避免海水直接进入太阳能集热系统导致设备产生腐蚀和结垢问题。因此，太阳能海水蒸馏技术一般采用太阳能间接加热海水的方法，即通过太阳能集热系统加热中间介质(如淡水、导热油、熔盐等)将热量传递给蒸馏系统；考虑到太阳能作为热源存在不稳定的情况，可配置一定规模的补燃设备。带有储热水箱和补燃锅炉的太阳能海水蒸馏系统如图2所示。该系统可以满足水温一定波动幅度下的海水蒸发需求，同时通过配置补燃锅炉来保证在太阳能作为热源不稳定时海水蒸馏系统仍可持续工作。

图2 带有储热水箱和补燃锅炉的太阳能海水蒸馏系统Fig. 2 Solar seawater distillation system with heat storage tank and supplementary combustion boiler

典型的太阳能海水蒸馏技术的应用项目，比如我国首个太阳能海水淡化示范项目，由上海骄英能源科技有限公司和海南惟德能源科技有限公司共同投资建设，于2013年11月7日正式投产，总投资额约为1300 万元。该项目采用线性菲涅尔式聚光太阳能集热系统产出170 ℃的热蒸汽，为低温多效蒸馏海水淡化系统提供热量，对海水进行蒸馏淡化从而得到蒸馏水。项目一期建设规模的总额定热功率为180 kW，额定产水量为1250 kg/h，年均产水量约为2000 t，可满足近150人1年的用水量。太阳能集热系统由5个M2型线性菲涅尔式太阳能跟踪聚焦集热模块组成，占地面积不足700 m2[3]。

虽然太阳能海水蒸馏技术的应用较易于实现，但由于其未能利用蒸汽的潜热，且蒸馏器的换热效率较低等原因，导致其单位面积产水量低，极大地限制了太阳能海水蒸馏制水的效率。因此，为提高太阳能海水蒸馏制水的效率，开展新型高效的蒸馏器的研究显得尤为必要。原郭丰等[4]自主研发了纸蜂窝结构高效蒸馏器，可回收蒸汽冷凝的热量，较大地提高了淡水产量。VELMURUGAN等[5]在传统的太阳能海水蒸馏盘中增加了肋片，从而增大了有效换热面积，提高了系统的产水效率，经过理论和实验对比研究后发现，系统的产水效率可提高45.5%。

除此以外，一些高效的太阳能海水蒸馏的新技术也处于开发改进阶段。比如，太阳能增湿-除湿海水淡化技术和毛细驱动太阳能局域热法海水淡化技术等。

太阳能增湿-除湿海水淡化技术是以太阳能作为热源，从对空气的加湿、去湿过程中获得淡水。袁怡刚等[6]基于多级增湿和分级冷凝原理，设计开发了新型的太阳能多级增湿-除湿海水淡化装置，并通过实验研究了不同喷水温度、不同空气循环方式，以及分级冷凝对装置产水效率和热耗的影响。结论表明，采用了分级冷凝和多级增湿技术后，太阳能多级增湿-除湿海水淡化装置的淡水产量较单级的太阳能海水淡化装置提高了25%～50%。

毛细驱动太阳能局域热法海水淡化技术则是利用多孔介质毛细力自动抽吸海水至装置的蒸发表面，以太阳能作为热源加热装置表层的水分，通过强化蒸发过程得到淡水，该技术具备高效产水效率和较低投入成本的优点。黄璐等[7]总结了微纳尺度下毛细驱动太阳能局域热法海水淡化技术的水分传输和太阳能热量传递机理，提出了在1个太阳辐照度下突破单级产水量理论极限的新型研究思路，并指出了太阳能局域热法海水淡化技术存在盐分结晶和蒸汽冷凝效率低等问题。

1.2 太阳能膜法海水淡化技术

太阳能膜法海水淡化技术包括3种，分别为太阳能膜蒸馏法、太阳能反渗透法和太阳能电渗析法。太阳能膜蒸馏法的原理类似于太阳能蒸馏技术，是将太阳能加热后的海水送入膜组件进行汽液分离，然后收集得到冷凝后的淡水；太阳能反渗透法和太阳能电渗析法则是利用太阳能发电技术(光伏发电和太阳能热发电)产生的电力驱动后端的海水淡化装置得到淡水。

太阳能反渗透法是利用太阳能发电驱动加压设备在半透膜的一侧施加大于海水渗透压的压力，利用反渗透原理获取海水中的淡水。太阳能反渗透法的能耗低，为太阳能电渗析法能耗的1/2，仅为太阳能膜蒸馏法的1/40。但太阳能反渗透法存在2个较为明显也是研究人员研究最多的问题，一个问题是太阳能反渗透法对半透膜的耐压能力有较高要求，该技术的半透膜应能承受较高的压力；另一个问题是渗透后的能量回收问题，开发能量回收装置可有效降低生产成本，提高产水效率[8]。

太阳能电渗析法是利用太阳能发电技术和离子交换膜结合分离出淡水，其将阴阳离子交换膜交替排列在正负电极之间，用特制的隔板隔开，在电位差的驱动下，利用离子交换膜的选择透过性，使溶液一部分淡化，一部分浓缩，从而达到溶液的浓缩淡化。

典型的太阳能膜法海水淡化技术的应用案例，比如摩洛哥的首个太阳能海水淡化项目。该项目于2016 年1 月14 日正式投运，利用光伏发电进行供电，并利用太阳能热利用技术进行海水淡化。该项目的总投资约合320万元人民币，由摩洛哥太阳能和新能源研究所Iresen 提供。项目共安装57块光伏组件，总额定功率约为10 kW；另外还配有18个太阳能集热器，额定集热功率为14 kW；光伏组件和太阳能集热器分别为反渗透和膜蒸馏过程提供能量。该海水淡化装置将2种太阳能技术创新性地结合在一起，使过程水的用量达到了最优设计标准，同时使装置产生的咸水量降至最低[9]。

1.3 太阳能海水淡化技术发展面临的问题及前景展望

太阳能海水淡化技术具备较大的发展前景，但其总体制水成本较高、投资大、回收慢，仍有部分问题需要解决，具体包括：

1)需开发新型高效的蒸馏器与换热系统，以提高产水效率；

2)加强耐压半透膜的开发和利用，改变目前能量回收装置依靠进口的现状；

3)提高太阳能海水淡化副产品的利用，比如余热供暖等。

2 太阳能供热、换热制冷技术

2.1 太阳能供热技术

太阳能供热方向包括利用太阳能为建筑供暖和将太阳能用于工农业生产。

建筑采暖占冬季建筑能耗的较大比例，利用太阳能为建筑供暖不仅可以改善民生，而且还可以减少化石能源的消耗并改善环境。近年来，太阳能供暖在我国政策扶持下逐渐得到推广，2020年6月，国家能源局发布了《2020年能源工作指导意见》，要求稳妥推进北方地区的清洁取暖，因地制宜选择清洁供暖技术路线。我国利用太阳能供暖最为广泛的地区主要集中在北京市的郊区及我国西部地区；除了为居民区日常供暖外，太阳能供暖系统也逐步应用在一些城市的公共建筑上，比如火车站、汽车站和图书馆等。

太阳能供暖系统应用时的关键问题是需要平稳持续地输出热量以维持供暖稳定，设计时可配置一定规模的储能系统和辅助热能设备，用来应对太阳能资源不稳定和连续阴雨天造成的太阳能供暖系统无法持续供暖的情况。

牛高云等[10]提出了一种新型的槽式太阳能与电锅炉互补采暖系统，当白天光照条件较好时，利用槽式太阳能集热系统将集热管内部的水加热到额定温度后，通过换热器加热供暖系统；太阳能供热不稳定时，槽式太阳能集热系统与电锅炉共同提供热源；晚上或白天无光照条件下，利用电锅炉为太阳能供暖系统提供热源，实现全天24 h供暖。

张鑫等[11]设计了一套包含相变蓄热池的太阳能供暖系统，该系统采用乙二醇水溶液作为传热介质，水作为相变介质，利用水的状态变化存储和释放太阳能集热器收集的能量。试验结果表明，即使室外温度低于-10 ℃，该系统运行时室内温度也可保持在20 ℃以上。

典型的太阳能供热系统的应用案例，比如河北省张家口市涿鹿县跨季节水体储热塔式太阳能供热示范系统。该系统由中国科学院电工研究所设计开发，为张家口市涿鹿县矾山镇黄帝城小镇达华建国酒店供暖，供暖面积约3000～5000 m2。该系统主要由塔式太阳能聚光吸热系统、水体储热系统、控制系统等组成，定日镜采光面积为760 m2，水体储热容量为3000 m3。该示范项目于2018年4月至10月初运行储热模式，再从2018年10月初开始运行供热模式。跨季节水体储热塔式太阳能供热示范系统的实景如图3所示。

图3 跨季节水体储热塔式太阳能供热示范系统实景Fig. 3 Photo of tower solar heating demonstration system with inter-seasonal water heat storage

该太阳能供热示范系统采用塔式聚光技术实现山地小定日镜的高效聚光，开发了容积式吸热器和列管式吸热器，利用多孔材料的选择与排布实现了高效吸热。当该示范系统的出水温度达到90 ℃要求时，其在冬季的热效率可达到50%以上(以追日的定日镜采光面积进行折算)。采用水体储热斜温层控制技术和低热损技术，可减小储热水体混合热损，在确保水体储热系统建造成本不高于330元/m3的前提下，水体储热系统的取热量可达到其储热量的80%以上。该示范项目的成功投运为今后大规模太阳能供暖系统的设计应用奠定了技术基础[12]。

太阳能供热系统可实现水的显热或潜热储热及供热，介质单一、易得，系统流程简单，一般在小规模、参数取值较低时的经济性较好。但水储热不适合应用于工农业生产方面的供热，如纺织印染、食品加工、木材加工、稠油开采等，因为工农业用汽量的需求通常很大，且参数取值较高，此时熔盐储能供热就具有明显优势。典型的太阳熔盐储能供热系统的工作流程图如图4所示。

图4 太阳能熔盐储能供热系统的工作流程图Fig. 4 Working flow chart of solar molten salt energy storage heating system

该太阳能熔盐储能供热系统由4部分组成，分别为聚光系统、吸热系统、储热系统和供热系统。以塔式太阳能熔盐储能供热系统为例，对各系统构成及功能进行介绍。

1)聚光系统。主要由定日镜、控制箱、控制线缆和控制系统组成，负责收集太阳能，定日镜在控制系统的集中控制下跟随太阳高度角适时调整角度，将太阳光精确反射至熔盐吸热器面板表面。

2)吸热系统。主要由吸热器、入口罐、出口罐和空气压缩系统组成，负责将来自定日镜镜场的光能转换成热能，存储于熔盐中并输送至储热系统。

3)储热系统。主要由高温熔盐储罐、低温熔盐储罐、冷盐泵和热盐泵组成，负责存储低温和高温熔盐。一方面向吸热系统输出低温熔盐，并向蒸汽发生系统输出高温熔盐；另一方面接收来自吸热器的高温熔盐和来自蒸汽发生系统的低温熔盐。

4)供热系统。主要由蒸汽发生系统和供热末端构成。蒸汽发生系统是熔盐和水工质能量交换的场所，来自储热系统的高温熔盐与水进行换热，产生蒸汽或热水至供热末端设备使用，释放完热量的低温熔盐再回到储热系统的低温熔盐储罐。如果是在连续阴雨天或光照条件不好的情况下，可通过辅助能源提供热量。

由于太阳能熔盐储能供热系统在大规模、高参数下供热的经济性优于水储热的方式，因此有望得到大规模推广。

2.2 太阳能换热制冷技术

太阳能换热制冷主要是利用收集的太阳热能作为外界的补偿来实现制冷的一种技术，包括太阳能吸收式制冷技术、太阳能吸附式制冷技术和太阳能喷射式制冷技术等。相对来说，太阳能吸收式制冷技术的发展较为成熟，目前已进入实际应用阶段。

太阳能吸收式制冷技术最典型的应用是溴化锂太阳能吸收式制冷系统，该系统不仅制冷效率高，而且可以在较低热源温度下运行，在大型空调领域的应用较为广泛[13]。溴化锂太阳能吸收式制冷系统由太阳能集热器、发生器、换热器、吸收器、蒸发器、冷凝器、泵和阀门等组成，其原理是利用水在高真空状态下沸点变低的特点来制冷，溴化锂为吸收剂，水为制冷剂。该系统的工作流程简图如图5所示。

图5 溴化锂太阳能吸收式制冷系统的工作流程简图Fig. 5 Working flow chart of solar absorption refrigeration system using LiBr

溴化锂太阳能吸收式制冷系统的工作流程为：利用太阳能集热器收集的热能加热水，热水与溴化锂溶液在发生器换热，溴化锂水溶液的浓度随着溶液中水的蒸发量不断升高，高浓度的溴化锂水溶液进入吸收器，蒸发出的水蒸气则进入冷凝器被降温后凝结成高压液态水，再经节流阀降压后进入蒸发器中膨胀，汽化吸热产生制冷效应；低温水蒸气进入吸收器被高浓度的溴化锂水溶液吸收，使溶液浓度逐步降低，再由泵送回发生器，完成完整的制冷循环。如此循环往复，太阳能集热器持续提供热量[14]。

溴化锂太阳能吸收式制冷系统存在诸多优点，比如不会破坏臭氧层，制冷机在真空环境中运行，系统不排放有毒气体、无爆炸风险，且系统安装简便。但溴化锂太阳能吸收式制冷系统需要保证设计的严密性，因为一旦漏入空气，溴化锂溶液会对设备产生一定的腐蚀性，会影响整个系统的性能和寿命。

如何有效提高太阳能吸收式制冷系统的经济性是行业的关注重点之一。KIM等[15]从系统效率和经济可行性2个方面分析了太阳能制冷技术，认为单效溴化锂太阳能吸收式制冷系统的总成本最低。李靖等[16]以能源平均成本和动态投资回收期作为经济性指标，对分别采用平板太阳能集热器、真空管太阳能集热器、复合抛物面太阳能集热器和槽式太阳能集热器驱动的单效溴化锂太阳能吸收式制冷系统进行了对比分析，结果表明，采用真空管太阳能集热器的单效溴化锂太阳能吸收式制冷系统的能源平均成本最低，且其动态投资回收期最短。

2.3 太阳能供热、换热制冷技术发展前景展望

太阳能供热和换热制冷技术是有效利用太阳能的途径，且适合规模化应用，具有良好的发展前景。若开发太阳能供热和制冷联合技术，能同时满足夏季制冷、冬季供暖和四季供热水的需求，可有效解决单一系统效率低的问题，并提高能源的综合利用率。随着国家扶持政策相继出台，太阳能供热、换热制冷技术有望在新农村建设中得到推广和应用。

3 太阳能热发电技术

有别于光伏发电技术，太阳能热发电技术具备储能优势、发电功率平稳且调度方式灵活等特点，可显著减少“弃光”现象，不仅能够作为独立电站发电，而且在新能源装机容量大幅增长带来的并网消纳问题背景下，太阳能热发电站可为电网提供调峰调频辅助服务，不仅显著降低了新能源“弃光、弃风”的情况，还提高了新能源电站的经济性。

根据太阳能集热方式的不同，太阳能热发电技术主要分为槽式太阳能热发电技术、塔式太阳能热发电技术、碟式太阳能热发电技术和线性菲涅尔式发电技术4种类型。由于碟式太阳能热发电技术和线性菲涅尔式发电技术的发展相对不成熟，应用案例较少，因此，下文将重点介绍塔式太阳能热发电技术和槽式太阳能热发电技术的相关情况，同时对太阳能光热超临界CO2布雷顿循环发电技术进行简要介绍。

3.1 槽式太阳能热发电技术和塔式太阳能热发电技术

槽式太阳能热发电技术发展至今已近40年，工艺路线和核心组件已相对成熟。1983～1991年期间，美国Luz公司相继建成了9座槽式太阳能热发电站，总装机容量达354 MW，均成功并网营运；9座电站中，除SEG I和SEG II电站因未与加州爱迪生电力公司成功续签，在2015年年底至2016年年初相继停运外，其余电站仍在运营[17]。我国于2018年成功投运的中广核德令哈50 MW热发电示范项目也是采用了槽式太阳能热发电技术。

相对于槽式太阳能热发电技术而言，塔式太阳能热发电技术具有更高的集热温度和发电系统效率，发展空间更为广阔。塔式太阳能热发电技术的系统性发展相对较晚，国外较为典型的项目包括西班牙的PS10、PS20、Gemasolar电站，美国的Sierra SunTower和Grescent Dunes电站、以色列的Ivanpah电站，以及摩洛哥的Noor III电站等。在我国，太阳能热发电尚处于起步阶段，2016年9月，国家能源局印发了《关于建设太阳能热发电示范项目的通知》(国能新能[2016]223号)，在政策的大力支持下，一些塔式太阳能热发电站先后成功并网投运，包括北京首航敦煌100 MW熔盐塔式热发电示范项目、青海中控德令哈50 MW熔盐塔式热发电项目、中国电建共和50 MW熔盐塔式热发电项目和中国电力工程哈密50 MW熔盐塔式热发电项目。其中，尤以青海中控德令哈50 MW熔盐塔式热发电项目的整体表现最为突出。该项目采用浙江中控太阳能技术有限公司自主研发的技术，项目中95%以上的设备实现了国产化，在电站性能考核中第1个半年度平均发电量达成率达到了97.06%，其中2020年前3个月的发电量达成率连续超过100%，创下全球同类型电站同期最高纪录，标志着我国太阳能热发电技术已在一定程度上处于国际领先水平。

3.2 槽式和塔式结合的太阳能热发电技术

尽管成功投运的槽式太阳能热发电站和塔式太阳能热发电站已达一定规模，但槽式和塔式太阳能热发电技术面临的发展问题仍十分突出。

槽式太阳能热发电站的集热场基本不存在“弃光”现象，集热场的集热效率较高，但在热力系统参数方面存在一个矛盾。当采用导热油工质集热时，受制于导热油的上限温度，后端的汽机循环只能采用较低的参数值，导致热电转换效率较低；而采用熔盐工质集热时，由于集热管的散热温度过高，散热量过大，严重影响了集热量，使集热场集热效率较高的优势无法转化为电站整体发电效率的提升，并且槽式太阳能热发电站采用熔盐工质目前尚不属于成熟技术，风险较大。

塔式太阳能热发电站虽然具有相对较高的集热温度和发电系统效率，但也存在镜场集热效率较低、弃光较多的问题，且运行难度较大，目前已有的大规模塔式太阳能热发电站的发电量多数未达到设计值。另外，单机规模为100 MW、连续24 h运行、储热时间约14 h的规模下的塔式太阳能热发电站的镜场面积将会接近极限；而槽式太阳能热发电站采用低聚光比的线聚光方式不存在集热场面积大小的瓶颈，集热场的集热效率也不受其面积大小的影响。

针对上述槽式太阳能热发电技术与塔式太阳能热发电技术的特点，将这2种技术结合利用具备潜在优势。槽式太阳能热发电技术模块可为换热系统的预热段和蒸发段提供能量，塔式太阳能热发电技术模块可为换热系统的过热段提供能量，这样既利用了槽式太阳能热发电技术集热效率高的优势，又获得了塔式太阳能热发电技术发电效率高的优势。另外，通过增加集热效率不受集热场面积大小影响的槽式太阳能热发电技术模块的集热面积，可以提高太阳能热发电系统的单机发电功率，进一步提高整个系统的发电效率和经济性。该结合技术目前正处于研究开发阶段，受到了广泛关注。槽式与塔式结合的太阳能热发电系统的工作流程示意图如图6所示。

图6 槽式与塔式结合的太阳能热发电系统的工作流程示意图Fig. 6 Working flow chart of trough type and tower type combined solar thermal power generation system

3.3 超临界CO2布雷顿循环太阳能热发电技术

目前，除了碟式太阳能热发电系统采用尚不成熟的斯特林发动机之外，其余太阳能热发电系统均采用基于水蒸气朗肯循环原理的蒸汽发电技术。蒸汽发电技术经过200多年的发展已非常成熟，但整体发电效率偏低，且发电效率随温度升高而提升缓慢，效率极限基本是45%。为提升发电效率，整个系统往往会变得复杂，设备大而重，投资成本居高不下；而且通常适合发展太阳能热发电技术的地方的水资源都较为匮乏，若采用空冷机组，太阳能热发电站效率会明显下降。

以上这些弊端是因水蒸气朗肯循环原理导致的，技术层面很难有大的突破。为了提升太阳能热发电技术的经济性和机组灵活性，需要从基础层面思考改变，更换工质和循环方式，比如采用超临界CO2布雷顿循环的高效发电技术，成为太阳能热发电行业的热点。

超临界CO2布雷顿循环发电技术是一种先进的热功转换技术，其采用超临界状态的CO2作为工作介质，在封闭的布雷顿循环中做功，当热源温度高于500 ℃时，循环热效率高于水蒸气朗肯循环和氦气布雷顿循环；随着热源温度的提高，布雷顿循环效率可突破50%。由于塔式太阳能热发电技术具有更高的聚光倍数和集热温度，为超临界CO2布雷顿循环发电技术的发展提供了契机。超临界CO2布雷顿循环太阳能热发电系统的工作流程简图如图7所示。

图7 超临界CO2布雷顿循环太阳能热发电系统的工作流程简图Fig. 7 Working flow chart of solar photothermal power generation system based on S-CO2 Brayton cycle

美国能源部于2011年启动了“SunShot”计划，其中包括10 MW超临界CO2发电机的研发测试，并成功于2019年通过机组性能测试，对超临界CO2发电技术的研究开发取得了显著成果；而我国于2018年成功研制了国内首台MW级CO2压缩机。上述成果均有效推动了超临界CO2布雷顿循环太阳能热发电技术的发展。

但整体超临界CO2布雷顿循环太阳能热发电系统的开发还将面临很多机遇和挑战。比如，在高温集热系统方面，如空气吸热器、颗粒吸热器的研究开发等；在高温传热和储热介质方面，如高温熔盐、颗粒、液态金属的研究开发等；在高效换热器的研究方面，如印刷电路板式换热器、颗粒换热器的研究开发等。综上，超临界CO2布雷顿循环太阳能热发电技术从理论、实践发展到成熟应用将有较长的一段路要走，过程中取得的成果也必将为现有发电技术带来革新。

4 太阳能光热与其他新能源联合发电技术

近年来，新能源发电产业发展迅速，装机容量逐年攀升，尤其是太阳能发电和风力发电。目前来看，无论是太阳能发电，还是其他新能源发电，单一的新能源发电在工程应用中都存在问题，比如风电输出不稳定、太阳能热发电成本高等，这在一定程度上限制了新能源发电产业的发展。而太阳能光热与其他新能源联合发电可弥补上述部分不足，下文对太阳能光热与其他新能源联合发电系统的概况进行介绍，并重点介绍典型太阳能光热与风能、生物质能联合发电系统的构成。

4.1 典型太阳能光热与风能联合发电系统的概况及其构成

太阳能和风能在资源利用上具有很强的互补性，利用风能和太阳能互补的发电系统在资源配置上可以很好地匹配[18]。太阳能光热与风能联合发电可以实现资源上和能量上的互补，构成稳定的发电系统；同时由于太阳能热发电可配置长时间的储热系统，从而可避免出现“弃光、弃风”的问题，且可以使输出的电力更加稳定，规避对电网的冲击问题，提高电网的安全性和可靠性。

太阳能光热与风能联合发电技术主要分为2类不同的技术路线，其中一类技术路线是太阳能热发电和风电并行互补发电，另一类技术路线是太阳能热发电和风热互补发电。下文对这2种技术路线分别进行介绍。

4.1.1 太阳能热发电与风电并行互补发电系统

太阳能热发电和风电并行互补发电系统可根据风能和太阳能的能量输出特点来调节发电系统中风电和太阳能热发电的输出，从而保证整个发电系统的连续性和稳定性。某太阳能热发电与风电并行互补发电系统的工作流程示意图如图8所示[19]。

图8 某太阳能热发电与风电并行互补发电系统的工作流程示意图Fig. 8 Working flow chart of a solar thermal power and wind power parallel complementary power generation system

该太阳能热发电与风电并行互补发电系统主要由3部分组成，包括太阳能热发电系统、风力发电系统和协调控制系统，根据气候环境、负载大小等变化情况，通过协调控制器对风电机组和太阳能热发电机组的输出功率进行控制，从而实现整个发电系统的稳定输出。

该太阳能热发电与风电并行互补发电系统集成设计的主要技术特点是：1)相对于单独的风力发电系统，该并行互补发电系统的电力输出更加稳定、持续，规避了并网所带来的电能质量问题及对电网的冲击；2)通过协调控制系统，能同时增加太阳能热发电机组和风电机组的发电时间，减少“弃光、弃风”现象；3)利用太阳能热发电系统的储热系统，再结合风力发电系统，能发挥风电成本较低的优势。

如何实现太阳能热发电与风电并行互补发电系统的并网效益最大和系统控制最优是一个关键性问题。李伟[19]提出了并网型风电和太阳能热发电互补的功率协调控制策略，基于NSGA-II的分级递阶控制方法，以系统整体并网效益最大和弃风量最小为目标，实现了对互补发电系统的控制。

YO等[20]针对风力和太阳能光热混合发电站提出了一种基于MPC的机会约束的控制方法，通过优化风力输出的比例，抑制风电输出的波动性，从而使混合发电站的输出功率最大化。

CHEN等[21]提出了将带储能的聚光式热发电站与风电场相结合，以减少风电系统电力输出的不稳定性，以风力发电的不稳定性、太阳能热发电的可利用量及系统输出功率的平滑性作为鲁棒性优化问题，采用一个嵌套列约束生成法与外逼近法结合的算法，使互补发电系统的输出功率波动变化量维持在合理范围内。

目前，国内外对太阳能热发电与风电并行互补发电系统控制优化的研究大部分都是针对某单一目标。由于互补发电系统影响因素较多且需满足电网负荷变化的要求，不能真实反映出互补发电系统的实际运行性能，因此，发展一种能够满足实际运行和并网调度需求、保证系统输出稳定且能够实现效益最大化的优化模型对太阳能热发电与风电并行互补发电系统的实际应用具有较大意义。

4.1.2 太阳能热发电与风热互补发电系统

风热系统是指将风电机组产生的电能转化成热能的装置系统，包括风电机组与阻性负载这2部分，由于阻性负载对电能质量的要求相对较低，风电机组中一些确保电能输出质量的电子器件可省略。太阳能热发电与风热互补发电系统是通过风热系统得到热能，然后补充至太阳能热发电系统，利用太阳能热发电系统稳定输出电能。

根据风热系统耦合到太阳能热发电系统位置的不同，可以实现不同的组合方式，包括：1)利用风热系统中的加热装置直接加热太阳能热发电系统储罐内的熔盐；2)风热系统与太阳能热发电系统的集热器并联，直接加热传热介质，如熔盐、导热油等；3)利用风热系统加热或过热蒸发器中的水蒸气；4)利用风热系统对蒸汽汽轮机高压缸出口的蒸汽进行二次加热；5)利用风热系统加热换热器中的给水，其相当于常规岛中的高压和低压加热器。

太阳能热发电与风热互补发电系统的技术特点主要包括：

1)相较于传统风力发电系统的间歇性和波动性对电网的冲击，采用太阳能热发电和风热互补发电系统能够实现电力的稳定输出；

2)由于热负荷对电能质量要求较低，可省去控制电能质量的电子器件，使互补发电系统的结构更加简单，可靠性更强；

3)相较于太阳能热发电与风电并行互补发电的技术路线，采用太阳能热发电和风热互补发电技术的协调控制难度较小，系统更可靠、稳定；但该系统可能存在风能经过电能-热能-电能的转化后，系统的风力发电效率较低的问题。

徐欢等[22]根据风电机组装机容量的大小提出了3种不同的太阳能热发电与风热的结合方案，分析了风能和太阳能在时间纬度的互补性，并对太阳能热发电与风热互补发电系统的成本进行了估计，验证了互补发电系统的可行性和优势。

张鹏等[23]介绍了一种新型的风力-太阳能光热互补发电技术，结合了风力发电与太阳能热发电并行及风热系统，充分利用了太阳能热发电和风力发电的特点，实现了风电和太阳能热发电利用率的最大化，并对该互补发电系统的经济性进行了简单分析。

丁路等[24]提出了一种太阳能与风能互补型热、电联产系统，利用风力发电直接加热蓄热罐内的水工质，实现热电联产的目的。

对于单纯将太阳能热发电与风热结合的互补发电系统，受限于汽轮机的效率，整个系统的发电效率较低，经济性差；而采用太阳能热发电与风电并行结合风热系统的互补发电系统可以保证整个系统的稳定输出，且两者具有一定的互补性，但经济性尚需进一步分析。

4.2 典型太阳能光热与生物质能联合发电系统的概况及其构成

采用生物质能与太阳能光热联合发电，需充分考虑拟建项目所在地的太阳能资源和农业生产情况。目前生物质能发电技术主要分为2大类，即生物质直燃发电技术、生物质气化发电技术。

根据生物质能的利用方式，可将太阳能光热与生物质能联合发电的技术路线分成2类，一类是将太阳能热发电与生物质直燃发电技术相结合，即太阳能热发电与生物质能热利用互补发电系统，如生物质锅炉与太阳能热发电系统相结合；另一类是基于集成生物质气化的联合循环发电系统结合太阳能光热，实现太阳能光热与生物质能的热化学互补联合发电。下文对这2类技术路线分别进行介绍。

4.2.1 太阳能热发电与生物质能热利用互补发电系统

实现生物质直燃发电技术的主要设备是生物质锅炉。根据生物质锅炉与太阳能热发电系统耦合位置的不同，可以实现3种不同的组合方式，分别为：

1)太阳能热发电系统与生物质锅炉并行，共用汽轮机发电机组及相关热力设备。该组合方式典型的技术路线如图9所示[25]。

图9 太阳能热发电系统与生物质锅炉并行的典型技术路线示意图Fig. 9 Schematic diagram of typical technical route for parallel operation of solar thermal power generation system and biomass boiler

2)利用生物质锅炉加热或再热太阳能热发电系统产生的蒸汽，提高电站整体的发电效率，实现稳定的电力输出。该组合方式典型的技术路线如图10所示[26]。

图10 利用生物质锅炉加热太阳能热发电系统产生的蒸汽的典型技术路线示意图Fig. 10 Schematic diagram of typical technology route for using biomass boiler to heat steam produced by solar thermal power generation system

3)利用生物质锅炉加热传热介质或蓄热介质，如导热油、熔盐等，保证传热或蓄热介质的输出量，实现整体的持续稳定发电。该组合方式典型的技术路线如图11所示。

图11 利用生物质锅炉加热传热介质的典型技术路线示意图Fig. 11 Schematic diagram of typical technical route for heating heat transfer medium with biomass boiler

太阳能热发电与生物质能热利用互补发电系统的主要优势包括：1)相较于传统的太阳能热发电系统，互补发电系统的发电小时数增加了，电力输出更为持续、稳定；2)生物质锅炉可取代储热系统，降低了储热系统的高成本投入；3)相较于独立的生物质发电站，互补发电系统降低了依赖生物质供应的风险。

王金鹏等[25]介绍了一种生物质能与太阳能光热联合发电系统，共用汽轮机发电机组及相关热力设备，可保证电力的持续稳定输出，并分析了太阳能光热与生物质能联合发电的先决条件。周鹏[26]提出了一种太阳能与生物质能互补发电系统，将槽式太阳能热发电系统与生物质直燃发电系统相结合，太阳能热发电系统产生的蒸汽由生物质锅炉进一步加热至535 ℃生成高温高压蒸汽；其还讨论了在太阳能取代汽轮机抽汽情况下的热力学性能，并比较分析了系统在太阳能资源不稳定条件下的调控方法。

尽管太阳能热发电与生物质能热利用互补发电系统实施的可行性较高，但该系统的设计需充分考虑当地太阳能资源及生物质能的分布情况，达到合理配置，以保证整体系统运行的效益。

4.2.2 太阳能光热与生物质能热化学互补发电系统

目前，热功转换效率最高的化石燃料发电系统是燃气-蒸汽联合循环发电系统，国内外对太阳能光热集成到联合循环发电系统中的研究较多。而相较于天然气这一化石能源，生物质气化制备成的合成气更清洁，燃烧时污染物排放更少。

白章[27]构建了2种不同类型的太阳能光热和生物质能联合循环发电系统。一种是热化学互补发电技术方案，利用太阳能热发电驱动生物质气化的联合循环发电系统(即SGCC方案)；另一种是热集成互补发电技术方案，利用太阳能加热压缩空气的生物质气化联合循环发电系统(即SHCC方案)。2种不同类型联合循环发电系统的工作流程图如图12所示。该研究表明，采用热化学互补发电技术方案的系统的年均净发电效率更高，可达到18.49%。

采用太阳能光热与生物质能热化学互补发电系统能够提升太阳能的能量品位，并可以实现生物质能的高效利用，对提高互补发电系统的整体经济性有着重要的意义。