太陽能熱發電

太陽能熱發電，也叫聚焦型太陽能熱發電（Concentrating Solar Power，簡稱CSP），通過大量反射鏡以聚焦的方式將太陽能直射光聚集起來，加熱工質，產生高溫高壓的蒸汽，蒸汽驅動汽輪機發電。

基本介紹

• 中文名：太陽能熱發電
• 外文名：Concentrating Solar Power
• 英文簡稱：CSP
• 主要分類：聚光類、槽式、塔式、蝶式

簡介

人類利用太陽能雖然已有3000多年的歷史，但把太陽能作為一種能源和動力加以利用，卻只有不到400年的歷史。自17世紀初以來可以按照太陽能利用發展和套用的狀況，把現代世界太陽能利用的發展過程大致劃分為8個階段。

近代太陽能利用的歷史，一般從1615年法國工程師所羅門，德·考克斯發明世界上第一台利用太陽能驅動的抽水泵算起；所以，1900年以前，統視為第一階段；

第二階段，20年，即，1901～1920年。這一階段世界太陽能研究的重點，仍然是太陽能動力裝置。但採用的聚光方式多樣化，並開始採用平板式集熱器和低沸點工質；

第三階段，25年，即，1921～1945年。由於化石燃料的大量開採套用及爆發了第二次世界大戰的影響，此階段太陽能利用的研究開發處於低潮，參加研究工作的人數和研究項目及研究資金大為減少；

第四階段，20年，即，1946～1965年。這一階段，太陽能利用的研究開始復甦，加強了太陽能基礎理論和基礎材料的研究，在太陽能利用的各個方面都有較大進展；

第五階段，8年，即，1966～1973年。此階段由於太陽能利用技術還不成熟，尚處於成長階段，世界太陽能利用工作停滯不前，發展緩慢；

第六階段，7年，即，1974～1980年。這一時期爆發的中東戰爭引發了西方國家的“石油危機”，使得越來越多的國家和有識之士意識到，現時的能源結構必須改變，應加速向新的能源結構過渡，客觀上使這一階段成了太陽能利用前所未有的大發展時期；

第七階段，11年，即，1981～1991年。由於世界石油價格大幅度回落，而太陽能產品價格居高不下，缺乏競爭力，太陽能利用技術無重大突破；

第八階段，28年，即1992～2019。1992年6月聯合國“世界環境與發展大會”在巴西召開之後，世界各國加強了對清潔能源技術的研究開發，使太陽能的開發利用工作走出低谷，得到越來越多國家的重視和加強。

未來階段，約從2020年開始起算，太陽能熱發電，將作為開路先鋒，引領全世界綜合利用太陽能，進入人類新時代。

分類

2013年，太陽能熱發電的技術路線主要有四類：技術相對成熟、目前套用最廣泛的拋物面槽式，效率提升與成本下降潛力最大的集熱塔式，適合以低造價構建小型系統的線性非涅爾式，效率最高、便於模組化部署的拋物面碟式。

類型

聚光類

聚光類太陽能熱發電

太陽能熱發電通常叫做聚光式太陽能發電，與傳統發電站不一樣的是，它們是通過聚集太陽輻射獲得熱能，將熱能轉化成高溫蒸汽驅動蒸汽輪機來發電的。當前太陽能熱發電按照太陽能採集方式可劃分為（1）太陽能槽式發電；（2）太陽能塔式熱發電；（3）太陽能碟式熱發電。

槽式系統是利用拋物柱面槽式反射鏡將陽光聚焦到管狀的接收器上，並將管內的傳熱工質加熱產生蒸汽，推動常規汽輪機發電；塔式系統是利用眾多的定日鏡，將太陽熱輻射反射到置於高塔頂部的高溫集熱器(太陽鍋爐)上，加熱工質產生過熱蒸汽，或直接加熱集熱器中的水產生過熱蒸汽，驅動汽輪機發電機組發電；碟式系統利用曲面聚光反射鏡，將入射陽光聚集在焦點處，在焦點處直接放置斯特林發動機發電。這三種太陽能熱發電技術都有其自身的特點，優勢和缺點，其中一些列在表2-1。

• 三種聚光式發電的優缺點
  槽式發電
  優點：
  1.具有商業運行的經驗（1.2×10 kWh），潛在的運行溫度可達500°C(商業化運行的溫度已達到400°C)。
  2.商業化的年淨效率14 %。
  3.最低的材料要求。
  4.可以模組化或聯合運行
  可以採用蓄熱降低成本。
  缺點：導熱油傳熱工質的使用限制了運行溫度只能達到400 °C，只能停留在中溫階段

塔式發電

優點:

1.從中期來看具有高的轉化效率和潛在的運行溫度超過1000°C（56 5°C在10MW的電站中實現）。

2.可高溫蓄熱。

3.可聯合運行

缺點：處於實驗示範階段，商業化的投資和運行成本需要證實。

碟式發電

優點:

1.非常高的轉化效率，峰值效率30 %。

2.可模組化或聯合運行。

3.處於實驗示範階段。

缺點：商業化的可行性需要證實。大規模生產的預計成本目標需要證實

在這三種系統中，2013年只有槽式發電系統實現了商業化。從1981年至1991年的10年間，相繼在美國加州的Mojave沙漠相繼建成了9座槽式太陽能熱發電站，總裝機容量353.8MW（最小的一座裝機14MW，最大的一座裝機80MW），總投資額10億美元，年發電總量為8億KWh。太陽能熱發電技術同其它太陽能技術一樣，在不斷完善和發展，但其商業化程度還未達到熱水器和光伏發電的水平。太陽能熱發電正處在商業化前夕，專家預計2020年前，太陽能熱發電將在已開發國家實現商業化，並逐步向開發中國家擴展。

槽式

槽式太陽能熱發電

槽式發電是最早實現商業化的太陽能熱發電系統。右圖為一個槽式太陽能熱發電系統。它採用大面積的槽式拋物面反射鏡將太陽光聚焦反射到線形接收器（集熱管）上，通過管內熱載體將水加熱成蒸汽，同時在熱轉換設備中產生高壓、過熱蒸汽，然後送入常規的蒸氣渦輪發電機內進行發電。槽式拋物面太陽能發電站的功率為10~1000 MW，是目前所有太陽能熱發電站中功率最大的。通常接收太陽光的採光板採用模組化布局，許多採光板通過串並聯的方式，均勻的分布在南北軸線方向。為了保證發電的穩定性，通常在發電系統中加入化石燃料發電機。當太陽光不穩定的時候，化石燃料發電機補充發電，來保證發電的穩定性和實用性。一些國家已經建立起示範裝置，對槽式發電技術進行深入的研究。早在1973年石油危機的前幾百年就開始了利用太陽光開發可再生能源的研究工作了，石油危機的爆發觸發了可再生能源的近代發展。最早的試驗是19世紀60年代，Auguste Mouchout的以太陽能為動力的第一輛汽車，在一玻璃封閉的鐵釜內生產蒸汽來驅動汽車。19世紀80年代，美國人John Ericsson採用槽式拋物面太陽能集熱裝置驅動了一台熱風機。接著在20世紀初，AubreyEneas的第一輛商業化的太陽能汽車出現了。1907年，德國阿倫的Wilhelm Meier 博士和斯圖加特的Adolf Remshardt，申報了一項用槽式拋物面太陽能集熱裝置生產蒸汽的專利，他們採用拋物槽式接受器吸收太陽輻射，直接產生蒸汽來發電。1912年Shumann和Boys在這個專利的基礎上設計了一台用槽式拋物面太陽能集熱裝置生產蒸汽驅動45kW的蒸汽馬達泵，集熱裝置長62m，光線總通徑寬度4m，總通徑面積1200 m。1916年德國議會還批准撥款20萬馬克，在西南非洲領地進行槽式拋物面太陽能集熱裝置示範試驗，遺憾的是由於第一次世界大戰的爆發和近東地區石油的發現，阻礙了這項計畫的實現。

西班牙50MW槽式熱發電站

1977年發生石油危機以後，對槽式拋物面太陽能集熱裝置的興趣被重新激起。在這期間，美國能源部（DOE）和聯邦德國研究和技術部都在資助裝有槽式拋物面太陽能集熱器的加熱裝置和水泵系統的發展。國際能源機構(IEM)的9個成員國共同參與了一項總功率為500kW示範試驗，該示範試驗項目於1981年投入運營；Acurex公司的10000m系統也於1977年至1982 年在美國的一台示範裝置上裝機使用。

1991年加利福尼亞的槽式拋物面太陽能熱利用發電站的運營成功，促進了南歐和其他擁有豐富太陽輻射的開發中國家太陽能熱利用計畫的開展。1998年以來，由歐盟支持的DISS (Direct Solar Steam)計畫和Euro Trough 計畫，以及西班牙和摩洛哥研究計畫，啟動了歐洲槽式拋物面太陽能技術的發展。2000年德國聯邦議會決定，為太陽能發電實施一項3年投資計畫，計畫資金的三分之二用於槽式拋物面太陽能熱發電項目。

隨著製造工藝的不斷改進，建造費用由5976美元/KW降低到3011美元/kW，發電成本由26.3美分/KWh降低到了12美分/kWh。當發電成本降到8美分/KWh時，太陽能熱發電可與常規礦物能源發電相媲美。隨著熱能存儲設備的加入，可使槽式發電的效率比最初提高7%，可使一個80MW的發電站的光電轉換效率達到13.8%。熱能存儲設備可以存儲剩餘的熱量，保證發電的平穩，同時它也為獨立的太陽能發電提供了保障。

世界槽式太陽能熱發電站列表

當前正在發展的技術方向為直接蒸汽（DSG）技術。典型的PTC發電廠動力範圍30-150MW，工作溫度約為400°C。如圖所示為2013年世界上太陽能槽式發電站列表。

塔式

塔式太陽能熱發電

塔式太陽能熱發電是採用大量的定向反射鏡(定日鏡)將太陽光聚集到一個裝在塔頂的中央熱交換器(接受器)上，接受器一般可以收集100MW的輻射功率，產生1100°C的高溫。

1950年，原蘇聯設計了世界上第一座塔式太陽能熱發電站的小型實驗裝置，對太陽能熱發電技術進行了廣泛的、基礎性的探索和研究。1952年，法國國家研究中心在庇里牛斯山東部建成一座功率為1MW的太陽爐。1980年美國在加州建成太陽I號塔式太陽能熱發電站，裝機容量10MW。經過一段時間試驗運行後，在此基礎上又建造了太陽II號塔式太陽能熱發電站，並於1996年1月投入試驗運行。

西班牙PS10塔式電站

塔式太陽能熱發電技術最初用蒸汽，它可以直接推動汽輪機發電；但是由於太陽能隨氣候變化不定，因此蒸汽參數很難控制，而且熱量損失大。上世紀90年代初，美國發明了一種鹽塔式太陽能熱發電裝置，它改用鹽熔液作為熱載體並建立了一個10MW實驗電站，所用的鹽熔體由硝酸鉀、硝酸鈉和氯化鈉的混合物構成，價格低廉、熱傳導性良好，可以在常壓下儲存在大型容器里；但是由於熔鹽有相對高的凝固點（120°C~140°C）所流經的管路在系統啟動時要進行預熱。上世紀80年代後期，還有人提出採用空氣作為熱載體；空氣的熱傳導性雖然不好，但它的工作溫度範圍大、操作簡單、無毒性，不僅能和蒸汽驅動的汽輪機相連，還可以直接利用高溫空氣驅動燃氣輪機，效率更高；在這種方案中，聚焦的光線被投射到一種透氣材料（例如一種金屬絲編織物），空氣從這種被加熱的材料中通過，由於空氣和這種集熱材料的接觸面很大，故傳熱很快，效率很高，而且可以把空氣加熱到700°C的高溫。

在鹽塔式太陽能熱利用發電站里，熔鹽通過泵從冷鹽儲存器輸送到接受器中加熱，溫度從265°C升到565°C，然後送到熱鹽儲存器里，通過熱交換產生蒸汽，放熱冷卻後又重新回到冷鹽儲存器里。1996年至1999年間美國建造的兩個10MW電站的運行結果表明，這種設備對技術故障的承受能力很差，但都能找到解決的辦法。例如為防止腐蝕，在接受器管路中使用了新材料；又如鹽循環系統中使用潛水泵可簡化控制系統，減少價格昂貴且容易發生故障的閥門，保證排空系統正常運行，減少故障發生。這兩個電站的定日鏡由於長期使用和早期製造水平不高，2013年已出現一系列問題，新型的更大的定日鏡正在研製中。美國研製和試驗成功的新部件使人們相信，鹽塔式太陽能熱發電完全可能商業化。右圖為世界太陽能塔式熱發電站。

世界塔式太陽能熱發電站

碟式

碟式太陽能熱發電

碟式（又稱盤式）太陽能熱發電系統是世界上最早出現的太陽能動力系統，是目前太陽能發電效率最高的太陽能發電系統，最高可達到29.4%。碟式系統的主要特徵是採用碟（盤）狀拋物面鏡聚光集熱器，該集熱器是一種點聚焦集熱器，可使傳熱工質加熱到750℃左右，驅動發動機進行發電。這種系統可以獨立運行，作為無電邊遠地區的小型電源，一般功率為10~25Kw，聚光鏡直徑約10~15m；也可用於較大的用戶，把數台至十台裝置並聯起來，組成小型太陽能熱發電站。早在1878年，一個小的太陽能動力站在巴黎建立，該裝置是一個小型點聚集太陽能熱動力系統，碟式拋物面反射鏡將陽光聚焦到置於其焦點處的蒸汽鍋爐，由此產生的蒸汽驅動一個很小的互交式蒸汽機運行。1983年美國加州噴氣推進試驗室完成的碟式斯特林太陽能熱發電系統，其聚光器直徑為11m，最大發電功率為24.6 kW，轉換效率為29%。1901年，美國工程師研製成功7.35 kW的太陽能蒸汽機，採用70平方米的太陽聚光集熱器，該裝置安裝在美國加州做實驗運行。1992年，德國一農工程公司開發的一種盤式斯特林太陽能熱發電系統的發電功率為9 kW，到1995年3月底，累計運行了17000h，峰值淨效率20%，月淨效率16%，該公司計畫用100台這樣的發電系統組建一座1MW的碟式太陽能熱發電示範電站。

碟式拋物面鏡點聚焦集熱器

美國熱發電計畫與Cummins公司合作，1991年開始開發商用的7千瓦碟式/斯特林發電系統，5年投入經費1800萬美元。1996年Cummins向電力部門和工業用戶交付7台碟式發電系統，計畫1997年生產25台以上。Cummins預計10年後生產超過1000台。該種系統適用於邊遠地區獨立電站。

美國熱發電計畫還同時開發了25千瓦的碟式發電系統。25千瓦是經濟規模，因此成本更加低廉，而且適用於更大規模的離網和併網套用。1996年在電力部門進行實驗，1997年開始運行。下表為世界太陽能碟式熱發電站列表。

名稱	地點	發電功率; （kW）	採光口面; 積（㎡）	反射鏡類型	工作介質
Vanguard	美國	25	91	平面玻璃鏡	氫
NcDonnel	美國	25	91	平面玻璃鏡	氫
SBP	沙特	52.5	227	鍍銀玻璃與鋼板結合，張膜結合	氫
SBP	西班牙; 德國	9	44.2	鍍銀玻璃與鋼板結合，張膜結合	氫
Cummins CPG	美國	7.5	41.5	鍍鋁塑膠與鋼板結合，張膜結合	氫
Aisin/Miyako	日本	8.5	44	鍍鋁塑膠與鋼板結合，張膜結合	氫
STM-PCS	美國	25			氫

就幾種形式的太陽熱發電系統相比較而言，塔式熱發電系統的成熟度在2013年不如拋物面槽式熱發電系統，而配以斯特林發電機的拋物面盤式熱發電系統雖然有比較優良的性能指標，但2013年主要還是用於邊遠地區的小型獨立供電，大規模套用成熟度則稍遜一籌。應該指出，槽式、塔式和盤式太陽能熱發電技術同樣受到世界各國的重視，並正在積極開展工作。美國政府的太陽能熱電發展計畫並列塔式、槽式和盤式三種熱發電技術，目的在於滿足不同高層套用的需求。

與國外對槽式太陽能熱發電技術在材料、設計、工藝及理論方面進行了長達20多年的研究相比，我國太陽能熱發電起步較晚。在太陽能熱發電領域中，涉及槽式太陽能熱發電中的關鍵技術是聚光集熱裝置，其中聚光鏡片、跟蹤驅動裝置、線聚焦集熱管是實現槽式太陽能順利發電的三項核心技術。在我國，大力發展槽式太陽能熱發電是當前階段比較符合國內產業發展的方向。我國是世界上最大的低溫熱水器生產大國，在真空管的技術上已經掌握了國際領先技術，玻璃熱彎與鍍銀技術處於世界先進水平。槽式熱發電的產業基礎已經存在，上下游產品供應也可以得到保障。其中由德州華園新能源套用技術研究所掌握核心技術參與的，包括國內外數個熱發電站依照規格合計可達900MW，這些國內外項目的成功實施，也必將為我國其它地區實施太陽能熱發電站提供經驗，為我國更多更快建設太陽能熱發電站作出貢獻。

實例

實驗電站

亞洲首座太陽能熱發電實驗電站——歷經6年科研攻關和施工建設，我國首個、亞洲最大的塔式太陽能熱發電電站——八達嶺太陽能熱發電實驗電站在延慶建成，並於2012年8月成功發電。這也使我國成為繼美國、西班牙、以色列之後，世界上第四個掌握太陽能熱發電技術的國家。

作為國家“863”計畫重點項目，整個項目研發從2006年年底啟動，實驗電站部分於2009年7月破土動工。由於國內沒有先例，項目開始時沒有技術參數、設計規範，光是定日鏡的設計，就經歷了四代研究才最後定型。

該實驗電站位於八達嶺鎮大浮坨村，熱發電實驗基地占地208畝，基地內包括一個高119米的集熱塔和100面共1萬平方米的定日鏡。此次集熱塔正式竣工後，原來被放置在鋼塔上的吸熱器被成功安裝到集熱塔塔頂，正式投入使用。

2013年6月，該電站發電可併入國家電網。下半年，電站還將開始建設1兆瓦槽式熱發電系統，投入使用後，發電量將進一步增加。

特點

太陽能有兩種利用途徑：一種通過光電池把太陽輻射轉化為電能，常見的利用途徑是太陽能電池；另外一種通過太陽能集熱器把太陽輻射轉化為熱能，最簡單的就是居家使用的屋頂熱水器。

利用太陽熱能發電目前已成為全球風險投資的一個重點領域，其原理是通過聚光裝置把太陽光線聚集在裝有某種液體的管道或容器。藉助太陽熱能，液體被加熱到一定溫度，產生蒸汽然後驅動渦輪機發電，熱能轉化為電能。這種發電方式被人們稱為太陽能熱發電。

由於太陽能熱發電需要充足的太陽直接輻射才能保持一定的發電能力，因此沙漠是最理想的建廠選址地區。與傳統的電廠相比，太陽能熱電廠具有兩大優勢：整個發電過程清潔，沒有任何碳排放；利用的是太陽能，無需任何燃料成本。

太陽能熱發電還有一大特色，那就是其熱能儲存成本要比電池儲存電能的成本低得多。舉例來說，一個普通的保溫瓶和一台筆記本電腦的電池所存儲的能量相當，但顯然電池的成本要高得多。能夠將太陽熱能儲存，就意味著太陽能熱電廠可以克服傳統電廠發電可能中斷的弊端。

然而，價格成為影響太陽能熱發電推廣的一大障礙。例如，在美國西南部，考慮聯邦稅收優惠之後，太陽能熱電廠的電價約合每度13美分到17美分。美國能源部已經設定目標，力圖到2015年把太陽能熱發電的電價降到每度7美分到10美分，到2020年進一步降到每度5美分到7美分，以使太陽能熱發電可以與煤電等傳統發電方式相競爭。