太阳能光热发电标准体系研究

刘润鹏，宋禹飞，王宏，王昕，，刘洪涛，王鹏，张自锋

(1.南方电网科学研究院有限责任公司，广东 广州 510300；2.中国南方电网有限责任公司，广东 广州 510300；3.华北电力大学 国家能源发展战略研究院，北京 102206)

为应对气候变化，习近平主席在第75届联合国大会上宣布我国力争于2030年前实现二氧化碳排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。要实现“双碳”目标，能源电力领域是主战场，新能源大规模发展是基本路径。太阳能热发电，也被称为聚焦型太阳能热发电，是指利用不同方式的镜面将太阳能聚集起来转换为热能，然后将收集的热能传递给工质，推动汽轮机做功发电。其可以采用熔融盐等介质实现大容量、低成本储热，是具有稳定输出与灵活调节能力的清洁低碳电源，也是新能源大规模发展与高效消纳的重要支撑[1]。我国在2030年前碳达峰行动方案明确指出，要积极发展太阳能光热发电，推动建立光热发电与光伏发电、风电互补调节的风光热综合可再生能源发电基地[2]。我国光热发电技术起步较晚，目前还处在产业发展初期[3]，截至2021年底，累计装机容量为538 MW[4]，技术成熟度低，产业化不足。

技术标准体系是能源电力产业基础的核心要素之一[5]，构建完善的光热发电技术标准体系对于推动光热发电技术走向成熟和规模化应用起着关键性基础作用。我国“十四五”能源领域科技创新规划指出，要进一步加强能源标准化顶层设计，加快能源领域新型准体系建设，坚持能源标准化与技术创新、工程示范一体化推进[6]。

1 国内外标准化现状

1.1 标准化组织

国际上，一些标准化组织针对光热发电技术设立了相关技术委员会，专门负责光热发电领域的标准化制修订工作，主要有国际电工委员会(International Electrotechnical Commission，IEC)、国际标准化组织(International Organization for Standardization，ISO)和美国材料实验协会(American Society of Testing Materials，ASTM)等。IEC设立了太阳能光热电厂技术委员会IEC/TC117，工作范围涵盖光热发电技术领域不同类型的系统及相关子系统的术语、设计、安装、性能测试技术、安全要求以及电能质量等方面；ISO设立了太阳能标准化技术委员会ISO/TC180，主要涉及光照测量和仪器、程序等标准；ASTM设立了太阳能、地热能和其他可替代能源技术委员会ASTM/E44，主要涉及适用材料组件、系统和子系统等的测试方法、规格、指南、术语等。

在国内：全国太阳能光热发电标准化技术委员会SAC/TC565负责全国光热发电领域的标准化工作；全国太阳能标准化技术委员会SAC/TC402在光热发电领域主要涉及太阳能集热器部件的标准化；全国气候与气候变化标准化技术委员会设立了风能、太阳能气候资源分技术委员会TC540/SC2，涉及太阳能气候资源监测与评价领域的标准化；在行业标准化层面，由能源行业发电设计标准化技术委员会NEA/TC5负责蒸汽发生系统、汽轮机等发电领域相关的标准化工作，目前尚无专门针对光热发电的行业标准化技术委员会。

1.2 标准化研究

在光热发电标准化方面，目前相关研究还较少，主要针对相关工作动态、标准体系框架构建展开了分析。在国际上：文献[7]梳理了太阳能集热、储热系统相关的欧洲标准，提出太阳能热产品标准完善路线图；文献[8]对比分析了聚光光伏-光热发电系统测试相关标准，指出现有标准体系中集成聚光光伏-光热发电测试与质量认证相关标准的缺失。在国内：文献[9]较早从系统性能测试标准的角度分析了光热发电系统标准；针对我国太阳能光热发电面临的技术不成熟、发电成本高等问题，文献[10]提出了逐步搭建太阳能光热产业链标准体系、建立试验评价与标准化结合机制等建议；文献[11-12]梳理了太阳能光热发电技术的国际标准化组织，并初步提出涵盖基础通用、规划设计、施工验收、运行维护等8个方面的标准体系；在组织建设、标准制修订情况等方面，文献[13]对比分析了浙江省与国内外其他的太阳能标准化组织；文献[14]针对光热发电提出了由基础标准、专业领域、标准系列组成的三层次标准体系，其中基础层涵盖术语、通用等标准，专业层由集热器、定日镜等不同组件、子系统组成，第三层为设计技术标准、产品标准等不同流程的具体标准；文献[15]梳理了光热发电站的换热系统结构，并分析技术要求和检测试验标准。

以上研究分析了光热发电的集热器、换热器等关键部件标准，并针对光热发电系统初步提出标准体系整体架构；然而，当前光热发电技术适用标准较少，还不足以支撑产业规模化发展，同时，当前光热发电标准体系尚未考虑在建设新型电力系统新形势下，光热发电技术发展所面临的安全高效、清洁低碳、智慧灵活等新需求。针对以上问题，本研究拟结合新型电力系统发展方向，构建更加适应新型电力系统需求的光热发电技术标准体系，进而整理并分析现有标准，明确光热发电技术标准化现状与未来布局需求，为光热发电标准的制、修订工作提供参考依据。

2 标准体系

2.1 架构原则

体系架构原则主要有：一是规范性，符合中国标准化法的相关规定，满足国家标准和能源电力行业相关标准的要求；二是引领性，系统梳理现有标准并科学谋划制订未来标准的蓝图，切实发挥标准在推动光热发电技术与产业发展中的支撑和引领作用；三是国际性，注意与国际相关标准体系的对接与相互兼容；四是开放性，能与时俱进，动态变化与扩展，以适应光热发电技术的未来发展需求。

2.2 架构简述

本研究中光热发电技术标准体系结构分为技术基础标准和技术专业标准两层次，如图1所示。技术基础标准作为其他标准的基础，是具有指导意义的标准，本研究遴选了标准化导则、职业健康、支持保障等领域和类目。技术专业标准依据生产流程分为规划设计、工程建设、设备材料、调度控制、运行检修、试验与计量等领域，在各领域中依据系统构成划分为集热系统、换热系统、储热系统、动力系统、发电系统等通用类目，以及技术经济评价、施工工艺、仪器仪表等各环节特别类目。

图1 太阳能光热发电技术标准体系框架Fig.1 Framework of solar thermal power technology standard system

在传统技术标准体系架构基础上，本研究提出在光热发电技术基础标准中新增安全、低碳、数字技术领域，作为制订各专业、领域标准的基础，并在技术专业标准中新增市场营销领域，如图1所示。安全高效是构建新型电力系统的基本前提，因此本研究将安全通用标准新增为制订各专业、领域标准的基础；清洁低碳是构建新型电力系统的核心目标，光热发电是清洁低碳的发电技术，但其运行过程中补燃的存在有可能产生一定的碳排放，同时装备制造、工程建设等过程也是重要的碳排放来源，因此光热发电技术与产业的发展需要构建低碳、环保通用标准以发挥指导作用；数字化与智能化是光热发电系统实现安全、高效的重要技术支撑和抓手，光热发电技术与产业的未来发展必须依托先进的数字信息技术，以高度数字化、智慧化形态参与新型电力系统运行，引领光热电站建设、生产、运营方式重塑，因此需要构建数字技术通用标准；光热发电产业的规模化发展要求其必须能够通过参与电力市场运行获取收益，摆脱对补贴的依赖，因此需要构建光热发电参与电力市场运行的相关标准。

3 各领域标准化现状

本研究梳理了光热发电领域已有国家标准、行业标准、团体标准，各领域、层级标准分布情况见表1。当前国内光热发电相关标准共84项，其中国家标准41项，主要分布在设备材料、试验与计量等领域，在安全通用，低碳、环保通用，数字技术通用，职业健康等6个领域还存在空白。

表1 太阳能光热发电技术标准分布Tab.1 Distribution of technical standards for solar thermal power generation

3.1 基础标准

a)基础通用标准共7项，见表2。在术语类目，GB/T 26972—2011和GB/T 40104—2021界定了塔式、抛物面槽式、抛物面碟式或线性菲涅尔式等不同类型的光热电站子系统、部件和配置的主要术语和定义，GB/T 40866—2021规定了调度机构行使指挥权的系统和设备范围内命名、编号规则；在数值与数据部分，GB/T 40099—2021规定了光热电站典型年太阳辐射数据集的生成组成要素、流程和方法；标准化导则是光热电站研究、建设的基础规范，是近期首先需要完善的类目。

表2 太阳能光热发电基础通用领域标准Tab.2 Basic general area standards for solar thermal power

b)安全通用标准领域欠缺较多。未来一是制订适应新型电力系统安全稳定运行和控制的标准，推动故障预测与预警、恢复机制相关标准的发展；二是健全储热相关安全标准；三是加强电力设施保护、安全防护、应急管理等公共安全标准化工作。

c)低碳、环保通用标准领域尚缺少针对光热电站的相关标准，随着碳中和标准体系的完善，对此应着力重点关注，主要是建立健全光热电站碳排放计量体系，加快完善适用于光热电站的碳排放、核查、核算、报告标准。

d)数字技术通用标准当前已有一定基础，并在其他领域有一定应用范例；但仍然缺乏面向光热电站的标准，在未来建设中主要需加强与光热电站应用的深度融合。一是推动大数据、人工智能等新兴技术与光热发电系统深度融合，研究制订对应领域标准体系；二是完善光热电站数据要素标准，建立健全数据安全、开放共享等标准规范。

e)在职业健康领域，由于目前光热电站还处于示范阶段，规模化、商业化应用不多，相关标准还较少，但已有常规燃煤电站等相关标准可提供一定参考。

f)技术监督领域目前有标准共6项，见表3。当前适用标准还较少，未来需要重点布局光热电站并网标准、适应新型电力系统建设的电能质量技术标准以及能效标准。

表3 太阳能光热发电技术监督领域标准Tab.3 Standards in the field of technical supervision of solar thermal power generation

综上，光热发电技术基础标准的布局建议见表4。在近期加快建立、完善数值数据、运行安全、储能安全等基础标准，保障光热发电系统安全稳定；在中期建立、健全碳排放计量体系标准、数字化相关基础设施、数据资源、业务应用，以及并网与电能质量等技术监督标准，保障光热发电系统建设、运行的清洁低碳与智慧高效；在远期逐步建立多能互补等新业态标准，以及完善作业安全、支持保障等标准，支撑光热发电新技术、新业态发展以及整体标准体系的不断完善。

表4 太阳能光热发电技术基础标准布局建议Tab.4 Proposed layout of technical base standards for solar thermal power generation

3.2 专业标准

a)规划设计领域目前含标准28项，其中有国家标准7项、行业标准21项，见表5。QX/T 89—2018规定了太阳能资源评估内容、指标、分类等；GB/T 51307—2018和GB/T 51396—2019分别规定了塔式太阳能光热电站和槽式太阳能光热电站的站址选择、总体规划，以及集热、储热、汽轮机、水处理等设备与子系统；DL/T 5622—2021、DL/T 5605—2021等专门规定了关键子系统的设计；DL/T 5572—2020等规定了光热电站的厂址条件、性能分析、人力资源配置、投资估算、经济与社会影响分析等方面的规划研究。

表5 太阳能光热发电规划设计领域标准(部分)Tab.5 Standards in the field of solar thermal power planning and design (partial)

b)工程建设领域目前有标准4项，均为行业标准，见表6，主要涉及验收与质量评定。在多个子系统、部件的建设及施工工艺方面存在空白，亟待完善。

表6 太阳能光热发电工程建设领域标准Tab.6 Standards in the field of construction of solar thermal power projects

c)设备材料领域目前有标准22项，包括国家标准12项、行业标准2项，以及团体标准8项，涉及吸热器、定日镜、真空集热管、熔融盐等设备与材料，见表7。GB/T 41087—2021、GB/T 41303—2022等国家标准规定了关键设备与子系统的构成、参数、正常环境条件与技术要求；NB/T 10913—2021、T/CEEIA 267—2017等行业标准、团体标准则重点规定了真空集热管在型号、基本参数等方面的要求。目前的设备材料领域标准在菲涅尔式、碟式等发电系统的集热设备，以及通用工器具、零部件与材料方面存在空白，随着相关技术的发展成熟需要逐步完善。

表7 太阳能光热发电设备材料领域标准(部分)Tab.7 Standards in the field of materials for solar thermal power plants (partial)

d)调度控制领域目前有标准2项，均为正在起草的国家标准，欠缺较多，亟待完善。

e)运行检修领域目前共有标准4项，见表8。其中，团体标准T/CEC 594—2021和国家标准20210668-T-524规定了塔式太阳能光热电站的运行监视、运行操作、巡回检查等方面的要求。T/CEC 20191090规定了塔式光热电站启动调试基本要求、启动调试前的检查、启动试运以及停机要求。当前运行检修标准尚未涉及槽式、菲涅尔式、碟式等不同类型发电系统以及诸多子系统的运行检修。

表8 太阳能光热发电调度控制与运行检修领域标准(部分)Tab.8 Standards in the field of solar thermal power dispatch control and operation maintenance (partial)

f)试验与计量领域目前共有标准12项，其中有国家标准9项、行业标准1项、团体标准2项，见表9。国家标准GB/T 4271—2021、GB/T 40858—2021等规定了吸热器、集热管等关键部件的试验项目、试验要求、测量内容、测量方法等方面；行业标准NB/T 10973—2022规定了塔式、抛物面槽式太阳能热发电厂年发电量及厂用电率计算的基本原则和要求。

表9 太阳能光热发电试验与计量领域标准(部分)Tab.9 Standards in the field of solar thermal power testing and metrology (partial)

g)在市场营销领域，由于目前光热电站主要依靠补贴，尚未实现市场化运营，该领域仍为空白。随着光热发电技术的逐步成熟，市场营销相关标准需要重点完善，以便光热电站能够通过参与中长期交易、现货市场和辅助服务获取收益，实现独立自主运营。

综上，光热发电技术专业标准领域布局建议见表10。在近期以及未来一段时间，该领域布局仍应以规划设计、设备材料为重点，逐步走向技术成熟和产业应用阶段；在中期需要建立工程建设、安装调试、运行检修、维护等方面的标准；在远期逐步完善各项标准，进而开展电力市场与新业态相关标准研究，以推进光热发电技术的市场化运营。

表10 太阳能光热发电技术专业标准布局建议Tab.10 Proposed layout of professional standards for solar thermal power technology

4 布局建议

当前我国光热发电还处于发展初期，适用标准较少，标准体系不适应新型电力系统的发展需求。本研究综合考虑规范性、引领性、国际性、开放性等原则，结合新型电力系统清洁低碳、安全高效、智慧灵活等特征需求，提出面向新型电力系统的光热发电技术标准体系总体架构，开展对现有标准的整理与分析，并对未来光热发电技术标准布局规划提出如下建议：

a)为满足新型电力系统在安全性上的底线要求，在近期需要加快完善数值与数据、运行安全、储能安全等3个类目基础标准，同时结合当前光热发电技术、装备标准不成熟的特点，加快推进系统与子系统规划设计、规划报告以及关键设备与材料3个类目标准的健全与完善。

b)为实现新型电力系统的新能源逐渐成为主体电源需求，需要在上述基础上加快推进槽式、塔式、菲涅尔式等多种形式光热发电系统的工程建设、调度控制、运行检修等6个领域相关标准的建立健全，不断完善并网、电能质量等3个类目的技术监督标准，为光热发电技术走向成熟与产业化应用提供标准支撑。

c)为实现新型电力系统的清洁低碳核心目标以及智慧融合支撑保障需求，需要建立、健全适用于光热电站的碳排放计量体系标准、重点设备全生命周期碳足迹标准，加快制订适用于光热发电的基础设施、数据资源、业务应用等数字化、智慧化升级等5个类目相关标准。

d)为实现新型电力系统的高效灵活需求，促进电力资源优化配置，挖掘光热发电系统灵活调节的能力，还需要逐步完善光热发电系统的电力市场与新业态2个类目相关标准，支撑光热发电系统实现市场化运营。