中國電工技術(shù)學(xué)會將于2016年12月23日（周五）在北京鐵道大廈舉辦“2016第三屆軌道交通供電系統(tǒng)技術(shù)大會”。

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黃河上游水電開發(fā)有限責(zé)任公司、黃河水電光伏產(chǎn)業(yè)技術(shù)有限公司的研究人員劉世隆、鄧薇，在2016年第10期《電氣技術(shù)》雜志上撰文介紹了塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)特點以及在國內(nèi)外的開發(fā)建設(shè)情況，闡述了我國發(fā)展塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)，通過分析我國發(fā)展塔式太陽能熱發(fā)電項目具備的優(yōu)勢及存在的問題，提出相關(guān)建議。

太陽能熱發(fā)電技術(shù)（CSP）是光熱資源高溫利用的一種，與光伏發(fā)電相比，太陽能熱發(fā)電技術(shù)更為節(jié)能環(huán)保，已物理方式進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，環(huán)境影響小。如在光伏電站設(shè)計上能考慮配套儲能系統(tǒng)，可跟好的發(fā)揮光熱電站的優(yōu)勢，在有云遮擋的情況下，儲能系統(tǒng)可持續(xù)釋放能量，確保發(fā)電機(jī)組運(yùn)行，保證電能供應(yīng)的穩(wěn)定性，提高電網(wǎng)運(yùn)行的靈活性。

根據(jù)聚熱方式的不同太陽能熱發(fā)電技術(shù)可以分為塔式、槽式、蝶式和菲涅爾式[1]。塔式發(fā)電聚光比高，聚光比一般可達(dá)到200～1000；吸熱器的平均熱流密度在300～1000kW/m2，工作溫度最高達(dá)1000℃以上。因此，塔式電站以其集熱效率高，熱工轉(zhuǎn)換效率高，系統(tǒng)綜合效率高，成本降低空間大，合適大規(guī)模應(yīng)用等優(yōu)點而成為光熱產(chǎn)業(yè)未來大規(guī)模應(yīng)用的主要方向。

1 塔式太陽能熱的技術(shù)特點

發(fā)電原理：利用定日鏡把太陽光聚焦到位于集熱塔頂部的吸熱器上，加熱吸熱器中的傳熱工質(zhì)產(chǎn)生熱能，再通過熱交換系統(tǒng)生成高溫蒸汽帶動汽輪機(jī)發(fā)電。塔式太陽能能的組成主要包括：定日鏡、吸熱器、換熱器、高低溫儲罐、集熱塔、汽輪發(fā)電機(jī)組等。傳熱工質(zhì)可以是空氣、水/蒸汽或是熔鹽等。

塔式技術(shù)能量集中過程是靠反射光線一次完成的，方法簡捷有效且聚光倍數(shù)高，容易達(dá)到比較高的工作溫度 ,其中鏡場中的定日鏡數(shù)目越多，其聚光比越大，吸熱器的集熱溫度越高，光熱轉(zhuǎn)換效率越高。

2國內(nèi)外塔式太陽能熱發(fā)電開發(fā)狀況

2.1國外

1950年，原蘇聯(lián)設(shè)計了世界上第一座小型塔式太陽能熱發(fā)電試驗電站，對太陽能熱發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了基礎(chǔ)性的探索和研究。從1981-1991年10年間，由于石油危機(jī)的影響，替代能源技術(shù)在全球興起，其他工業(yè)發(fā)達(dá)國家也陸續(xù)投資興建了一批試驗性電站。

據(jù)不完全統(tǒng)計，當(dāng)時全世界建造了裝機(jī)容量500kW以上的各種不同形式的兆瓦級太陽能熱發(fā)電試驗電站20余座，其中塔式電站為主要形式，最大發(fā)電功率為80MW。由于單位容量投資過大，因此太陽能熱發(fā)電站建設(shè)逐漸冷落下來。

近兩年，太陽能熱發(fā)電再次成為國際可再生能源領(lǐng)域的投資熱點。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，全球新增清潔能源投資流向大型太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域的趨勢正日益明顯，項目建設(shè)規(guī)模也越來越大，越來越多的商家將目光投向塔式太陽能熱發(fā)電。

目前國際上已經(jīng)投入商業(yè)化運(yùn)行的塔式太陽能熱發(fā)電站有西班牙PS10、PS20和Gemasolar，美國SierraSun Tower電站、Ivanpah電站和新月沙丘電站。

Gemasolar是全球首個實現(xiàn)24小時連續(xù)發(fā)電的塔式太陽能熱發(fā)電站，于2011年10月份正式投運(yùn)，裝機(jī)容量19.9兆瓦，年發(fā)電量1.1億度，年運(yùn)行小時數(shù)達(dá)6450小時。 Gemasolar發(fā)電站的聚光系統(tǒng)由2600多個聚光鏡面板組成，散布在185公頃的空地上。單個鏡面板接收到的光能被積聚在中央的接收器，將熔鹽罐加熱，通過熱傳導(dǎo)形成高溫壓力蒸氣，推動渦輪機(jī)發(fā)電。

Ivanpah是目前最大的塔式電站，于2014年2月13日正式并網(wǎng)投運(yùn)，總裝機(jī)容量392MW，由三座裝機(jī)分別為133MW、133MW和126MW的塔式電站構(gòu)成，電站年發(fā)電量為1079GWh。

Ivanpah電站單塔裝機(jī)最高為133MW，首次實現(xiàn)了百MW級塔式電站的開發(fā)，從實踐層面驗證了塔式電站大規(guī)模開發(fā)的可行性。Ivanpah為水工質(zhì)光熱電站，未配置儲熱系統(tǒng)，由于當(dāng)?shù)厝彼捎昧丝绽湎到y(tǒng)，每度電水耗為0.11L，較水冷系統(tǒng)大大的節(jié)約了用水量。

美國新月沙丘電站為全球首個百MW級塔式熔鹽電站，于2016年2月22日實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，裝機(jī)110MW，配10小時儲熱系統(tǒng)，設(shè)計年發(fā)電量50萬MWh，電站的熔鹽換熱器、定日鏡集熱場控制與跟蹤系統(tǒng)均由SolarReserve設(shè)計及生產(chǎn)，作為首個百MW級商業(yè)化大規(guī)模塔式熔鹽電站，目前新月沙丘的發(fā)電情況還未達(dá)到預(yù)期設(shè)計。

2.2國內(nèi)

相比于國外，我國的太陽能熱發(fā)電還處于產(chǎn)業(yè)化起步階段，對于其技術(shù)的的掌握和研究明顯滯后。為了探索塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的研發(fā)，國內(nèi)首座70kW 塔式實驗示范電站于2004年在南京市科技局的支持下開始建設(shè)，該電站定日鏡場由32臺20m2的定日鏡組成，集熱塔高33m，吸熱器采用的是以色列提供的有壓腔體式接收器。

由中國科學(xué)院電工研究所等單位聯(lián)合設(shè)計和建設(shè)的北京延慶塔式實驗示范電站于2012年8月首次發(fā)電成功，裝機(jī)容量1MW，定日鏡由100臺面積100m2組成，集熱塔高118m，采用了腔體式吸熱器，傳熱介質(zhì)為水/蒸汽，該電站是我國首座自主研發(fā)、設(shè)計和建造的MW級塔式太陽能電站。

中控集團(tuán)青海德令哈50MW塔式太陽能熱發(fā)電站一期10MW項目是我國首個塔式發(fā)電商業(yè)化示范電站，于2013年7月正式投運(yùn)，電站分東、西兩塔各5MW，鏡場由3萬面2m2的定日鏡組成。為推進(jìn)塔式熔鹽技術(shù)的商業(yè)化，目前正進(jìn)行10MW項目的熔鹽系統(tǒng)改造。

首航節(jié)能敦煌10MW熔鹽塔式電站于2014年8月底開工建設(shè)，目前處于安裝調(diào)試期，該項目帶儲熱15小時設(shè)計，倘若按期建成，將是我國首個帶儲熱的塔式太陽能熱發(fā)電站，其定日鏡的結(jié)構(gòu)設(shè)計類似于Gemasolar電站，由35面反射鏡組成，按5×7順序排列，單臺定日鏡采光面積120平方米，共1525套定日鏡。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1定日鏡及其控制技術(shù)

定日鏡是塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的聚光單元，它通過跟蹤系統(tǒng)準(zhǔn)確地將太陽輻射反射到聚光塔頂?shù)奈鼰崞魃?，為確保整體系統(tǒng)的正常、高效運(yùn)行，定日鏡必須具有高的反射性和定位精確度。因其長期暴露在戶外環(huán)境中，還需具有一定的耐腐蝕、耐磨損、抗變形、易清洗等特性。鏡場成本一般占整個塔式光熱電站投資成本的40%～50%。

目前，關(guān)于塔式定日鏡的研究主要集中在定日鏡支架結(jié)構(gòu)設(shè)計與力學(xué)分析、鍍銀反射鏡的耐候性、支架與反射鏡的結(jié)合方式、高精度傳動系統(tǒng)及控制系統(tǒng)以及關(guān)于定日鏡場的優(yōu)化設(shè)計[2]。

3.2 吸熱器材料及設(shè)備

塔式太陽能熱發(fā)電中，太陽能接收器是實現(xiàn)發(fā)電的關(guān)鍵，它將定日鏡所捕捉、反射、聚焦的到的太陽能直接轉(zhuǎn)化為可利用的高溫?zé)崮?，為發(fā)電機(jī)組提供動力源，從而實現(xiàn)熱發(fā)電。吸熱器按結(jié)構(gòu)形式，分為管式吸熱器和容積式吸熱器，吸熱與傳熱介質(zhì)主要有水/蒸汽、熔鹽和空氣，目前管式熔鹽工質(zhì)吸熱器被業(yè)內(nèi)普遍青睞。

管狀太陽能接收器的優(yōu)點是它可以接收來自塔四周360°范圍內(nèi)定日鏡反射、聚焦的太陽光，有利于定日鏡鏡場的布局設(shè)計和太陽能的大規(guī)模利用。吸熱器內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計和換熱管金屬材料的耐高溫、耐腐蝕性能的研究，管壁耐高溫選擇性吸收涂層材料的研究、吸熱器內(nèi)熔鹽高溫分解和腐蝕問題和低溫凝固問題均為關(guān)鍵核心技術(shù)。

3.3 傳儲熱技術(shù)

塔式太陽能熱發(fā)電站，多選用熔鹽作為儲熱和傳熱介質(zhì)，熔融鹽的流動與傳熱特性，直接關(guān)系儲熱傳熱循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計與布置。熔鹽儲熱傳熱的關(guān)鍵技術(shù)包括對低溫熔鹽的開發(fā)、高溫傳熱儲熱材料的制備以及熔鹽傳儲熱系統(tǒng)設(shè)備的設(shè)計與布置[3,4]。

尤其傳儲熱單元管道系統(tǒng)的預(yù)熱保溫、疏通、溶堵技術(shù)，能在600℃以上工作溫度下長時間穩(wěn)定工作的大流量高溫熔鹽泵的設(shè)計和制造，以及整個熔鹽系統(tǒng)的可靠性仍是塔式太陽能熱電站研究的重點。

4 塔式太陽能熱發(fā)電在我國的發(fā)展前景

4.1 我國發(fā)展塔式太陽能熱發(fā)電具備的優(yōu)勢

我國太陽能資源非常豐富，青藏高原、新疆、內(nèi)蒙古、甘肅等地是太陽能的高輻射地區(qū)，其中約有80多萬平方公里荒漠區(qū)域太陽能資源最為豐富，發(fā)展塔式太陽能熱發(fā)電工程具有明顯的環(huán)境優(yōu)勢。

按照35%的熱電轉(zhuǎn)換效率計算，這80多萬平方公里荒漠，僅利用1/8面積，就可以產(chǎn)生滿足我國1年的電能消耗。因此在我國發(fā)展太陽能發(fā)電非?？尚卸冶匾?，對于緩解我國能源緊張和環(huán)境惡化的局面具有非常重要的戰(zhàn)略意義。

2014年4月國家能源局召開《光熱發(fā)電示范項目技術(shù)要求及申請報告大綱征求意見討論會》，確定示范工程采用槽式和塔式兩種集熱方式，考慮項目規(guī)模和效益等特點，示范工程按照單機(jī)容量50MW及以上等級建設(shè)，并對不同太陽能技術(shù)的儲熱容量提出要求。

目前，國家能源局已基本確定了我國太陽能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的進(jìn)度表，即先通過示范電價政策扶持完成一批商業(yè)化示范項目建設(shè)，后進(jìn)入大規(guī)模開發(fā)建設(shè)階段。

“大容量、高參數(shù)、連續(xù)發(fā)電”是將來太陽能光熱發(fā)電的趨勢，Ivanpah和新月沙丘已用工程實例驗證了塔式電站大規(guī)模開發(fā)的可行性，且塔式整體效率遠(yuǎn)高于槽式，特別是在我國西部晝夜溫差很大的環(huán)境下。

4.2 我國發(fā)展塔式太陽能熱發(fā)電存在的問題

從整體發(fā)展階段來看，我國塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)還處在示范工程的起步階段，在太陽能熱發(fā)電材料裝備方面、我國與國外差距約5年，在電站集成、服務(wù)方面，與國外差距更大。

已建成項目僅有1MW八達(dá)嶺延慶電站和中控德令哈電站10MW[5]。目前還沒有其他促進(jìn)太陽能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)化和市場化發(fā)展的明確政策，光熱發(fā)電的政策環(huán)境亟須改善。

我國發(fā)展塔式太陽能熱發(fā)電還欠缺部分關(guān)鍵技術(shù)如定日鏡的鍍層材料、吸熱器上的吸熱管材及涂層材料、吸熱器設(shè)備、高溫熔融鹽泵等制造技術(shù)。這些技術(shù)均屬于保密級別，引入困難。

另外塔式電站整體系統(tǒng)設(shè)計能力和集成技術(shù)、光熱電站系統(tǒng)模擬仿真及控制技術(shù)都剛剛起步，缺乏電站建設(shè)運(yùn)營經(jīng)驗和能力，而且國外的技術(shù)也大多在示范階段。

國外技術(shù)與我國特殊氣候條件的適用性仍需要驗證。由于我國“三北”地區(qū)、青藏高原等地海拔高、大風(fēng)、揚(yáng)沙等氣候特征顯著，DNI分布情況也存在很大差異，西班牙或美國的技術(shù)很難直接應(yīng)用于國內(nèi)，需要對國外技術(shù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整，或進(jìn)行自主研發(fā)。

塔式太陽能熱發(fā)電屬于典型的資本和技術(shù)雙密集型，其經(jīng)濟(jì)性和競爭力仍有待提高。目前塔式發(fā)電的成本仍比較高，除了需要技術(shù)的不斷進(jìn)步外，更需要關(guān)鍵設(shè)備國產(chǎn)化來降低成本。

5.結(jié)論

加快出臺電價政策或是電價指導(dǎo)性意見，根據(jù)我國光資源分布情況，建立各地光熱電站建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，如裝機(jī)量和儲能時長等，不僅限于電價，應(yīng)包括土地使用、電網(wǎng)接入、貸款優(yōu)惠等扶持政策或是意見。光熱發(fā)電政策要著眼于如何培養(yǎng)產(chǎn)業(yè)化和降低發(fā)電成本來考慮。

政府主動推動一批示范性項目建設(shè)，針對示范性項目出臺一些可行的優(yōu)惠政策，如對業(yè)主使用國產(chǎn)化關(guān)鍵設(shè)備給予一定補(bǔ)貼或政策優(yōu)待；鼓勵配套產(chǎn)業(yè)鏈，促進(jìn)成本降低；重點鼓勵關(guān)鍵設(shè)備和部件的制造、系統(tǒng)集成技術(shù)的研發(fā)。

在太陽能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的前期，既有巨大的利潤空間，也有巨大的風(fēng)險，鑒于塔式太陽熱發(fā)電技術(shù)難度及成本因素，建議有規(guī)劃的逐步推進(jìn)光熱電站建設(shè)。吸取光伏、風(fēng)電等經(jīng)驗教訓(xùn)，預(yù)防大規(guī)模蜂擁而至建電站，政府和有關(guān)單位要能起到有效的管控和監(jiān)督的作用。

我國塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)要步入良好的產(chǎn)業(yè)化環(huán)境，需要建設(shè)單位、科研單位、設(shè)備制造單位等共同的努力。光熱發(fā)電項目的研究屬于一個系統(tǒng)性的很強(qiáng)的項目，各界都持以開放的心態(tài)，以末端應(yīng)用為主，產(chǎn)、學(xué)、研結(jié)合有效合作才能使塔式發(fā)電的創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)化得到長足的發(fā)展。

另外，利用我國巨大的產(chǎn)業(yè)與產(chǎn)能優(yōu)勢，尋找適合的商業(yè)模式和國外聯(lián)合起來做科技創(chuàng)新，加快我國塔式熱發(fā)電進(jìn)程，實現(xiàn)共贏新局面。