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1、1,太阳能光热发电（CSP） 产业研究,2015年4月8日,2,一、光热发电原理及市场潜力 二、储热材料与光热发电技术 三、储热发电与光伏发电对比 四、国外光热发电产业发展态势 五、我国光热发电产业发展态势,目 录,3,一、光热发电原理及市场潜力,（一）光热发电原理,太阳能光热发电是利用光学系统聚集太阳辐射能，通过加热工质产生高温蒸汽，驱动汽轮机发电。其工作原理简言之就是将光能转化为热能，再转化为电能。 采用这种光电转换技术的电站称为太阳能热发电站。光学聚光比是区别不同聚光型太阳能热发电技术的主要指标。聚光比和太阳能热发电的系统效率（光-电转换效率）密切相关。一般来讲，聚光比越大，太阳能热发电
2、系统可能实现的集热温度就越高，整个系统的发电效率也就越高。,4,一、光热发电原理及市场潜力,（二）市场潜力,国际能源署（IEA）在 2010 年 5 月发布的太阳能热发电技术路线图（Technology Roadmaps Concentrating Solar Power）中提到，在适度的政策支持下，预计到2050年，全球太阳能热发电累计装机容量将达到 1089GW，平均容量因子为50%（4380h/a），年发电量4770TWh，占全球电力生产的11.3%（9.6%来自于纯太阳能），其中中国太阳能热发电电力生产将占全球的4%，年发电量约190TWh。在太阳能资源非常好的地区，太阳能热发电有望成
3、为具有竞争力的大容量电源，到2020年承担调峰和中间电力负荷，2025-2030年以后承担基础负荷电力。相比于光伏而言，光热发电由于电力输出稳定而易被电网消纳，因此广受推崇。在“十二五”规划中，设定了到2015年末，光热发电装机将达100万千瓦”的目标。,5,二、光热发电技术与储热材料,（一）储热材料,1、概况,热能存储技术就是将热能存储在一个热储层中以备后来使用的技术。太阳能热电厂是热电厂以热能的形式来收集存储太阳能。在实际应用中，由于电厂中系统设计和电能生产技术的多样性，没有一种热存储介质能够满足太阳能热电厂中如此多样化的需求。因此，许多热能存储介质包括电池、高压蒸汽、沙子、固态介质凝聚物
4、、纯净石墨和相变介质都考虑过用于发展太阳热能的存储介质。其中熔盐和高压蒸汽储能器是两种不同类型的储能方式，并且已经商业化应用于太阳能发电厂。依据储热机理的不同，储热系统可分为化学反应储热、显热储热和潜热储热3种类型。,6,二、光热发电技术与储热材料,（一）储热材料,2、化学反应储热,化学反应储热是指利用某些化合物在可逆化学反应过程中的吸热、放热机理，实现热量的储存。化学反应储热的储能密度一般都高于显热储热和潜热储热，而且通过催化剂或产物分离方法极易实现长期的能量储存，不需要保温，可以在常温下近似无损失地长期储存，因此，化学反应储热被国际上公认为具有广阔应用前景的储热技术，其储热密度可达1000
5、-3000MJ/m 。化学反应储热材料的反应目前包括氨的分解反应、碳酸盐化合物的分解反应、金属氢化物的分解反应、无机氢氧化物的热分解反应等几种。化学反应储热材料组分主要包括氨化物、无机氢氧化物、碳酸钙、碳酸铁、金属氢化物、氧化镁等。,7,二、光热发电技术与储热材料,（一）储热材料,3、显热储热材料,显热储热是利用储热材料的温度变化进行热量的储存与释放，显热储热的热量与储热材料的质量、比热容、温度变化成正比。显热储热材料原料丰富，成本较低，是目前技术最成熟且已经取得商业化应用的储热材料。一般来说，显热储热材料又分为液态和固态2类。液态显热储热材料主要是熔融盐。熔融亚硝酸盐、熔融硝酸盐、熔融碳酸盐
6、等均属于熔融盐，熔融盐是盐类的熔融态液体，包括无机盐的熔融体、氧化物熔体和熔融有机物，通常所说的熔融盐是指无机盐熔融体。固态显热储热材料主要包括铸铁、铸钢等金属储热材料、耐火砖类、混凝土等。相较于液态，固态显热储热材料可以满足更高温度的储热，同时可以降低储热成本。,8,二、光热发电技术与储热材料,（一）储热材料,3、显热储热材料,图11 液态显热储热材料的性能及成本,9,二、光热发电技术与储热材料,（一）储热材料,3、显热储热材料,图12 固态显热储热材料的性能及成本,10,二、光热发电技术与储热材料,（一）储热材料,4、潜热储热材料,潜热储热又称相变储热，是利用储热材料（PCM）相变时潜热非
7、常大的特点，进行热量的吸收和释放。盐类材料与金属材料均可用作潜热储热材料。潜热储热具有储热密度大、使用时可保持在一定温度（相变温度附近）下进行吸热和放热、化学稳定性好和安全性好的突出优点，但在发生相变时，液-固两相界面处的热传导效果较差，换热器设计困难，成本较高，这些因素导致潜热储热在实际应用中规模较小，进展缓慢。,11,二、光热发电技术与储热材料,（一）储热材料,4、潜热储热材料,可用作潜热储热的非金属材料即是盐类潜热储热材料、而其中碳酸盐、氯化盐、硝酸盐是盐类潜热储热材料的主体，主要有NaNO3、NaNO2、NaOH、KNO3、KOH、NaOH/Na2CO3(7.2%)等。这类储热材料特性
8、主要表现在使用温度范围广（280-850），且具有较好的稳定性、蒸汽压低、储热密度较大、导热系数较好、吸热-放热过程近似等温易于控制等。可用作潜热储热的金属材料主要有46.3%Mg/53.7%Zn、96%Zn/4%Al、34.65%Mg/65.35%Al、60.8%Al/33.2%Cu/6%Mg等，具有储能密度大、储热温度高、热稳定性好、导热系数高等良好特点， 具有很高的性价比。金属相变储热材料在工程中应用的关键技术之一是控制高温液态金属对容器的浸蚀。,12,二、光热发电技术与储热材料,（一）储热材料,5、总结,3种类型的储热材料具有不同的特点和适用范围，存在问题也不同。用于传热和显热储热的各
9、种导热油，由于工质的使用温度不超过400，成本普遍较高。熔融盐的使用温度相比导热油有所提高，特别是在利用熔融盐作为传热储热一体化工质的电站中，可以通过换热产生500以上的高温高压蒸汽，熔融盐传热工质和显热/潜热储热材料将在超临界机组的太阳能热发电系统中占主导地位。高温混凝土的成本很低，储热系统工作温度较高，但高温混凝土是显式固体储热，其储热密度和导热系数较小，占地面积较大。包覆相变储热材料的混凝土储热系统将是研究和应用的方向。,13,金属材料用作显热储热材料时，由于比热容太小致使储热成本很高，缺乏竞争力和应用前景。但是金属合金作为潜热储热材料应用时，储能密度大、储热温度高、热稳定性好、导热系数
10、高、性价比良好，具有很好的应用潜力，不过，由于腐蚀性等原因，目前还没有大规模应用。高温离子液体的成本较高，但当前对其传热储热特性的研究不足；化学储热材料应用前景广阔，但还需要解决腐蚀性和循环稳定性等问题。,二、光热发电技术与储热材料,（一）储热材料,5、总结,14,二、光热发电技术与储热材料,（二）光热发电技术分类,根据收集太阳辐射方式的不同，太阳能热发电技术可分为塔式太阳能热发电、槽式太阳能热发电、碟式-斯特林太阳能热发电和线性菲涅耳式太阳能热发电四种类型。,15,二、光热发电技术与储热材料,（二）光热发电技术分类,1、塔式太阳能热发电太阳能塔式发电是通过多台跟踪太阳运动的定日镜将太阳辐射反
11、射至放置于支撑塔上的吸热器中，把太阳辐射能转换为传热工质的热能，通过热力循环转换成电能的太阳能热发电系统。塔式太阳能热发电系统主要由定日镜场、支撑塔、吸热器、储热器、换热器和发电机组等组成。按照传热工质的种类，塔式太阳能热发电系统主要有水/蒸汽、熔融盐和空气等形式。,16,二、光热发电技术与储热材料,（二）光热发电技术分类,1、塔式太阳能热发电,图1 水/蒸汽太阳能塔式热发电系统示意图,图2 熔融盐太阳能塔式热发电系统示意图,图3 空气太阳能塔式热发电系统示意图,17,二、光热发电技术与储热材料,（二）光热发电技术分类,1、塔式太阳能热发电目前国际上已经投入商业化运行的塔式太阳能热发电站共有三
12、座，分别为PS10和PS20以及 GemaSolar电站，均位于西班牙境内。 其中，GemaSolar电站是全球首座采用熔融盐作为传热和储热介质的商业化塔式电站，已于2011年5月投入商业化运行。,图4 GemaSolar 塔式电站,18,二、光热发电技术与储热材料,（二）光热发电技术分类,2、槽式太阳能热发电太阳能槽式发电通过抛物面槽式聚光集热器跟踪太阳，使得直射太阳光聚集到吸热管表面，以加热吸热管内传热流体，进而参加热力循环发电的系统。槽式太阳能热发电系统一般由抛物面槽式聚光器、吸热管、储热单元、蒸汽发生器和汽轮发电机组等单元组成。槽式太阳能热发电站中，抛物面槽式聚光集热器通过串联和并联方
13、式相互连接，并通过模块化布局形成集热场。其中，导热油是抛物面槽式太阳能热发电系统中广泛采用的传热流体。,19,二、光热发电技术与储热材料,（二）光热发电技术分类,2、槽式太阳能热发电,图5 槽式太阳能热发电系统示意图,抛物面槽式集热器将收集到的太阳能转化为热能加热吸热管内的导热油，并通过导热油/水-蒸气发生器产生高温高压的过热蒸汽，送至汽轮机发电机组做功发电。汽轮机出口低温低压蒸汽经过凝汽器冷凝后，返回导热油/水蒸汽发生器。经过导热油/水蒸汽发生器放热后的导热油返回抛物面槽式聚光集热器进行加热，形成封闭的导热油循环回路。,20,二、光热发电技术与储热材料,（二）光热发电技术分类,2、槽式太阳能
14、热发电,槽式技术是最早实现商业化的，也是目前在全球已经投入商业化运行中占比最多的太阳能热发电技术类型，约占 85%。,图6 Valle 1 槽式电站,图7 Valle 2 槽式电站,21,二、光热发电技术与储热材料,（二）光热发电技术分类,3、碟式太阳能热发电,碟式太阳能热发电系统是利用碟式聚光器将太阳光聚集到焦点处的吸热器上，通过斯特林循环或者布雷顿循环发电的太阳能热发电系统。碟式太阳能热发电系统通过驱动装置，驱动碟式聚光器像向日葵一样双轴自动跟踪太阳。碟式聚光器的焦点随着碟式聚光器一起运动，没有余弦损失，光学效率可以达到约90%。通常碟式聚光器的光学聚光比可以达到600-3000，吸热器工
15、作温度可以达到800C以上，系统峰值光-电转化效率可以达到29.4%。,图8 碟式太阳能热发电系统组成示意图,22,二、光热发电技术与储热材料,（二）光热发电技术分类,3、碟式太阳能热发电,由于每套碟式太阳能热发电系统都可以单独发电，所以这种技术既可以用做分布式发电，又可以进行集中式发电。目前全球只有一座投入商业化运行的碟式斯特林热发电站Maricopa，位于美国Arizona州，总装机容量为1.5MWe，由60台单机容量为25kW 的碟式斯特林太阳能热发电装置组成。,图8 Maricopa 碟式斯特林电站,23,二、光热发电技术与储热材料,（二）光热发电技术分类,4、线性菲涅耳式太阳能热发电
16、,线性菲涅耳式太阳能热发电系统是通过跟踪太阳运动的条形反射镜将太阳辐射聚集到吸热管上，加热传热流体，并通过热力循环进行发电的系统。系统主要由线性菲涅耳聚光集热器、发电机组、凝汽器等组成。目前国际上该技术形式有小规模的商业化示范。,图9 线性菲涅耳式太阳能热发电系统原理图,图10 西班牙Puerto Errado 2线性菲涅耳电站,24,二、光热发电技术与储热材料,（三）发展程度,图13 四种太阳能热发电技术的发展程度,目前四种太阳能热发电技术都已经达到了不同的发展时期。成熟度和发展程度可以用“代”来表示。,25,在能量的存储方面，光热发电优势明显，这是因为热量的存储技术比电能的存储技术成熟且廉价的多。这使得当前光伏电站依然无法满足全天候发电的愿望，而光热发电已经实现这一目标。,三、储热发电与光伏发电对比,（一）能量储存,在电网接入方面，光伏发电的不稳定性对电网运行造成了较大的挑战，而光热发电则可以像常规火电一样并入电网而不会对电网产生任何有害影响。这使得光热发电有希望成为基础负荷的绿色电力来源。,
