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1、聚光太阳能热发电技术 聚光太阳能热发电技术 中国科学院电工研究所: 王志峰 杜凤丽 11 发电原理和技术分类 发电原理和技术分类 聚光太阳能热发电（以下简称太阳能热发电）是通过光-热-功的转化过程实现发电的一种太阳能发电技术形式。发电原理为：反射镜将太阳光反射聚集到吸热部件上，产生高温蒸汽或空气，然后利用常规的发电循环实现发电。 根据聚光方式的不同，太阳能热发电技术主要点聚焦和线聚焦系统。点聚焦系统是将太阳光聚集到中央吸热器上，包括塔式和碟式；而线聚焦系统则把太阳光聚集到线性的集热管上，包括槽式和菲涅耳式。 塔式 碟式 槽式 菲涅耳式 各种聚光热发电技术的技术性能如下表所示： 表 1 各种太阳
2、能热发电技术性能 塔式 碟式 槽式 菲涅耳式 聚光比 300-1000 1000-3000 70-80 25-100 20% (d) 峰值太阳效率 35% (p) 29% (d) 21% (d) 20% (p) 10-16% (d) 16-18% (d) 10-15% (d) 年太阳效率 15-25% (p) 18%-23%(p) 17-18% (p) 9-11% (p) 30-40% ST 30-40% SE 30-40% ST 热循环效率 45-55% CC 20-30% GT 30-40%ST 24% (d) 容量因子 25-90% (p) 25% (p) 25-90% (p) 25-7
3、0%(p) 注：(d) =示范，(p) = 预计，ST 蒸汽轮机，CC 联合循环，SE 斯特林机，GT 燃气轮机 各种太阳能热发电技术投入商业化应用的时间不同， 因此技术的成熟程度也不尽相同。其中，槽式技术由于最早（1984 年）投入商业化应用，电站运行经验相对丰富，因此是目前已建和在建装机容量中占比最多的技术类型。塔式电站虽然数量上没有槽式电站多，但是由于运行温度高、系统效率高，有后来居上之势。菲涅耳式也有小规模的示范电站，目前正在西班牙进行规模化电站建设（30MW） 。碟式斯特林技术虽然系统效率最高，然而由于技术开发难度大，只是在今年年初才有首座 1.5MW 的电站投入运行。 22 优点
4、优点 可再生能源发电面临的主要挑战之一是如何把能量储存起来， 实现电力的可调节性。太阳能热发电的一个显著特点是其输出电力稳定，电力具有可调节性，可以满足尖峰、中间或基础负荷电力市场需求。太阳能热发电站可以设计蓄热系统，在云遮或日落后，蓄存的热能可以被释放出来，使汽轮机持续运行，从而保证输出电力的稳定性，并增加全负荷运行时数。此外，太阳能热发电站也可以和传统的蒸汽或联合循环电站整合（混合发电） 。化石燃料辅助太阳能电站的循环，在提高汽轮机的最佳利用状态和电力输出可靠性方面都具有优势。 太阳能和光伏电力输出曲线 Cloudy Day (May 3)0%10%20%30%40%50%60%70%80
5、%90%100%7:009:0011:0013:0015:0017:0019:00Time (hh:mm)Solar Output (% Maximum Output)PVSolar Thermal带有蓄热的热发电和电力负荷吻合情况 除了输出电力平稳、吻合电力负荷曲线外，太阳能热发电技术的主要受益点是其对环境的负面影响很小。太阳能热发电站（2007 年技术）全生命周期的 CO2排放仅为 13-19g/kWh。 33 发电成本 发电成本 由于各种太阳能热发电技术的技术性能参数和所处的发展阶段各不相同， 因此对太阳能热发电成本的评价也不能一概而论。 另外即使采用同一种技术形式的电站，由于建设地点、
6、容量和其它技术参数存在差异，太阳能热电力成本也不尽相同。下表为 1984 年-1990 年期间投入商业化运行至今的 9 座 SEGS 太阳能热发电站的数据，可以看出太阳能热发电的发电成本在 1127 美分/kWh 之间，投资成本在 45002890 美元/kW。 表 2 美国 SEGS 电站相关数据 电站名称 SEGSI-II SEGSII-VII SEGSVIII-IX 地点 Dagget Kramer Junction Harper Laker 投入运行年份 1984-1985 1986-1988 1989-1990 容量 14MW、30MW 530MW 280MW 传热介质 导热油 导热
7、油 导热油 镜场出口温度 307-316 349-391 390 年发电效率 9.5-10.5% 11.0%-12.5% 13.8% 投资 3800-4500$/kW 3200-3800$/kW 2890$/kW 发电成本 0.27-0.18$/kWh 0.18-0.12$/kWh 0.14-0.11$/kWh 44 市场现状 市场现状 截至 2010 年 8 月初，全球已投入运行的太阳能热发电站容量为 891MW，其中，槽式技术占比 94.57%，塔式技术次之。 80 17560.9177.25223.5354355430490.9668.15891.65199020062007200820
8、092010.08(MW)新增装机累计装机全球已运行太阳能热发电 塔式4. 37%槽式94. 57%碟式0. 17%菲涅尔式0. 89%48. 49%47. 94%3. 56%西班牙美国其它 太阳能热发电市场现状 美国和西班牙为太阳能热发电的两大主要市场， 主要是因为美国和西班牙都有针对太阳能热发电的具体支持政策，如西班牙发布了太阳能热发电上网电价，其中固定上网电价约为 27 欧分/kWh. 此外，据不完全统计，目前在建太阳能热发电装机容量约 1.9GW，预计于2012 年前后投入运行，主要市场在西班牙。 塔式0. 95%槽式91. 76%碟式0. 05%ISCC7. 24%美国3. 88%西
9、班牙92. 69%法国0. 07%阿尔及利亚1. 29%摩洛哥1. 03%埃及1. 03%在建的太阳能热发电站 5 中国太阳能热发电情况 5 中国太阳能热发电情况 中国太阳能热发电技术的研究开始于 1979 年。经过 30 年的发展，中国在太阳能吸热材料、太阳能热电转换材料、太阳能热电转换材料、太阳能储能材料、太阳能聚光装备、太阳能槽式真空管、太阳能吸热器、太阳能碟式聚光器、太阳能塔式热发电系统设计等有了较大的进步。目前标志性的项目是正在开展 1MW塔式电站的研究，发电工质参数 390C, 2.35MPa，将于 2010 年发电。 中国太阳能热发电技术的研究分为 3 个阶段。 第一阶段源于国家
10、“八五”计划（1990 年1995 年） 。中国国家科学技术委员会支持中国科学院电工研究所、北京太阳能研究所、清华大学等研制槽式太阳能聚光器及真空管，负责单位为清华大学。 第二阶段为“十五”期间（2000 年2005 年） 。科技部依托 863 计划下达了10kW 碟式-Stirling 太阳能热发电研究，参加单位为中国科学院工程热物理所、电工所、新疆新能源公司、皇明太阳能集团有限公司等，负责单位为中国科学院电工研究所。河海大学在“十五”期间（2005 年 11 月）与以色列合作在南京江宁建立了 70KW 太阳能与燃油混合热源发电试验台。 第三阶段“十一五”期间（2006 年至今） 。科技部于
11、 2006 年启动“十一五”863 重点项目“太阳能热发电技术及系统示范”，项目支持 1MW 塔式太阳能热发电技术的研究，参加单位有四所大学，中国科学院的四个研究所和两家公司。同时还启动了 3 个目标导向课题和 5 个探索导向课题，分别对槽式真空管，Stirling 发电设备，高温选择性涂层，热电材料及系统，储热技术等给予了支持。 1MWe 塔式电站 4 米高温真空管集热器 槽式系统回路 目前中国的太阳能热发电正处于研发和示范阶段，在建的容量为 1MW，还未形成产业化发展。但是除储热材料外，太阳能热发电所用的材料与常规聚光和发电类似。常用的高温储热材料目前主要是硝酸熔融盐，合成油和高温混凝土。
12、除 430C 以上的导热油外，中国目前全部可以大规模生产。其他如耐候性高反射率玻璃等目前已经具备生产能力。 目前中国已经具备提供大型塔式电站用定日镜的能力和产能，MW 级太阳能塔式热发电站将会在 2010 年底发电运行。在槽式太阳能热发电方面，中国已经有 300C 真空管，目前正在向 450C 真空管迈进。 为了推进太阳能热发电的发展， 中国国家能源局宣布今年将启动太阳能热发电的特许权招标。 该项目位于内蒙古鄂尔多斯， 规模为 50MW。 国家能源局表示，希望通过大规模的特许权招标，以推动太阳能热发电这个新技术在中国的发展。 根据中国国家发展改革委员会 2007 年发布实施的可再生能源中长期发展规划(2006-2020)，到 2020 年，中国太阳能热发电总容量达到 200MW。预计在未来的 5-10 年里，太阳能热发电将在中国实现商业化发展。
