【正文】 5 電成本 與上網(wǎng)電價 ， 其 將會為國家提供根本的可再生能源解決方案。 EER 預(yù)測報告全球 CSP 有望在 2020 年達到 25GW，截止 2022 年 4 月 止 ，全球有 CSP 系統(tǒng)在建，已宣布的 系統(tǒng)裝機容量將于 2022 年前建成 [8]。據(jù)悉，以降低設(shè)備造價與成本， 開展系統(tǒng)和部件開發(fā)與研究，拓展應(yīng)用市場為主題的 CSP 計劃已在美國和歐洲各國制定。美國、西班牙和中國等多個國家制定公布了太陽能行動計劃，特別是 2022 年 7 月 DII 公司在德國慕尼黑簽署啟動的 “沙漠行動計劃 ”——為滿足歐洲 15%的建站國家的部分電力需求，在中東及北非地區(qū)建立可并網(wǎng)發(fā)電的 CSP 電站。 美國能源部發(fā)展 CSP（聚光式太陽能熱發(fā)電）的目標 [9]是 ： 2022 年 CSP 電力成本 由 目前的 1316 美分 /KWh（無儲能）降到 810 美分 /KWh（儲能 6 小時），且在 2020 年低于 7 美分 /KWh（儲能 1217 小時）。 目前美國只有 75MW 裝機容量的 CSP 正在建設(shè)中，但處于準備階段的項目約有 ， 并 計劃于 2022 年建成 [8]。截止 2022 年 4 月，正在進行的商業(yè) CSP 項目共計 5979MW， 其中 9 個為1614MW 的槽式 項目。 西班牙有全球最早的兩座塔式電站 PS10 和 PS20， 和準商業(yè)化槽式直接產(chǎn)生蒸汽的 2MW DISS 和 5MW INTETEP 電站正在運行 。 據(jù) 2022 年 7 月的 EER 研究專欄，西班牙 處于太陽能熱發(fā)電飛速發(fā)展時期 ， 2022 年至 2022 年 發(fā)展 目標為2440MW，這必將促使西班牙繼續(xù)保持在太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)地位。 據(jù)美國 EER(Emerging Energy Research)最新報告顯示，盡管全球經(jīng)濟形勢嚴峻， 但 2022 年初全球就有 480MW 已建 CSP 電站，另有 800MW 在西班牙在建 [8]， EER 在其研究報告《 20222020 年全球聚光型太陽能熱發(fā)電市場和戰(zhàn)略》[10][11]中指出，全球 CSP 產(chǎn)業(yè)正在迅速增長。由于西班牙的開發(fā)和美國的潛在實力，全球 CSP 市場正在進入新的生長 階段，預(yù)計未來 10 年內(nèi)，由于資源和政策支持的雙重因素，美國和西班牙將繼續(xù)引領(lǐng)全球 CSP 市場的發(fā)展。 中國的太陽能行動計劃于 2022 年 1 月正式啟動，成立了太陽能技術(shù)研究中心（含太陽能光熱轉(zhuǎn)化及規(guī)?；芯渴痉吨行摹⑻栯姵匮芯恐行牡?5 個研究與示范中心），并且設(shè)定了： 2022 年分布式利用， 2025 年替代利用， 2035 年規(guī)模利用的階段性目標。根據(jù)發(fā)改委公布的 2022 年發(fā)展規(guī)劃，我國太陽能熱發(fā)電站的裝機容量將達到 150MW[9]。 據(jù) 863 太陽能熱發(fā)電項 目總體組組長王志峰，未來 20 年的太陽能熱發(fā)電技術(shù) 主要 發(fā)展任務(wù)是 發(fā)電成本相比 2022 年 降低 50%，總體達到 2025 年燃煤發(fā)電成本（每度電 美元）的約 倍， 2025 年中國計量學(xué)院碩士學(xué)位論文 6 建成 1000MW 級大規(guī)模電站，全國太陽能熱發(fā)電站裝機容量達到 1 105 MW。 我國 已建成 并 并網(wǎng)的 第一座 容量為 75KW 的 塔式太陽能熱發(fā)電示范電站、已 擬建的 300MW 新疆吐魯番槽式太陽能熱發(fā)電站 、 計劃 于 2022 年 12 月 建 成的1MW 北京八達嶺太陽能塔式電站 [12]、 已于 2022 年 2 月 發(fā)電成功 的 中航 空港 通用 設(shè)備有限 公司自主研發(fā)設(shè)計的 槽式太陽能熱發(fā)電工程樣機 ， 和擬建的 內(nèi)蒙古50MW 槽式太陽能熱發(fā)電 示范 項目 等， 已說明我國 CSP 技術(shù)的實際應(yīng)用已 起步，工業(yè)化的裝置和應(yīng)用實例隨著 其 相關(guān)技術(shù)的深入研究而增加 ，發(fā)展前景廣闊 。 總之， 在當今低碳經(jīng)濟時代與可持續(xù)發(fā)展觀的要求下， 綠色環(huán)保的 CSP 技術(shù)在 “ 規(guī)?；?、低成本、高效率、 低碳化 ” 方面發(fā)展?jié)摿?十分 巨大。 槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù) 發(fā)展優(yōu)勢 據(jù)《中國新能源和可再生能源 1999 白皮書》 與《科學(xué)研究動態(tài)監(jiān)測快報》[13]中對 CSP 三種熱發(fā)電方式進行的全面比較，及太陽能熱發(fā)電技術(shù)三亞國際論壇簡報所述，槽式 系統(tǒng)、塔式系統(tǒng)和碟式系統(tǒng)實體電站如圖 所示。 如圖 （ a）所示為拋物槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)實體電站，其工作原理 為 多個串并聯(lián)排列的拋物槽聚光集熱器 聚集 太陽熱能用以加熱工質(zhì)，產(chǎn)生蒸汽，驅(qū)動汽輪機發(fā)電機組發(fā)電。其建站規(guī)模大、技術(shù)易于實現(xiàn)（單軸跟蹤）和便于商業(yè)化（真空管集熱器可投入大批量生產(chǎn)、安裝）的 優(yōu)勢 ，非常適合商業(yè)并網(wǎng)發(fā)電。美國魯茲 (LUZ)公司是槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)最早應(yīng)用的典范 [14]，其九座電站從 1991 年開始運行至今運行良好 [15]。 具 一定傾角的集熱器 將 引入槽式太陽能熱發(fā)電直接蒸汽 DSG（ Direct Steam Generating）技術(shù) ，而且 一種低成本、 85%循環(huán)效率的儲熱系統(tǒng)將開發(fā)并應(yīng)用于 DSG 系統(tǒng) 。 20202030 年槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的性能將在 2022 年基礎(chǔ)上提高 5%10%，其變化主要是 DSG 技術(shù)改良與精 度 的調(diào)整，由此 DSG 技術(shù)是槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)的主要發(fā)展方向。 圖 1. 3 CSP 實體電站 中國計量學(xué)院碩士學(xué)位論文 7 如圖 （ b）所示為塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)實體電站 圖 ， 其 利用 雙軸獨立跟蹤太陽的定日鏡群， 聚集 陽光 到已固定 在 塔頂?shù)募療崞魃?，以點或面聚焦產(chǎn)生高溫，加熱吸 收管中工質(zhì)以產(chǎn)生高溫氣體或過熱蒸汽，再進入汽輪機發(fā)電機組，驅(qū)動其運轉(zhuǎn)并發(fā)電 。 具有 擴大 規(guī)模、 縮短 熱傳遞路程、 減少熱損耗 、 提高效率 、 降低 造價和可蓄能的優(yōu)點， 非常 適合大規(guī)模 化 并網(wǎng)發(fā)電。其典型電站有1982 年 4 月投運的美國 10Mw 的 “太陽一號 ”Solar one 和 1996 年 4 月并網(wǎng)發(fā)電的 10MW 的 “太陽二號 ”Solar Two 塔式太陽能熱發(fā)電站。 據(jù)悉， 2020 年塔式太陽能熱發(fā)電 將會 得到 一系列的 改進 ，如 定日鏡制造技術(shù)、集熱器選用發(fā)射率低 且高溫運行性能好的 選擇性涂 層 。尚在 研究的先進集熱器頗具吸引力，若 研究成功，屆時 大 型塔式太陽能熱電站將有望達到 60%甚至更高的聯(lián)合循環(huán)效率，我們翹首以待這些設(shè)想的實現(xiàn)。 如圖 （ c）所示為碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)實體電站， 其采用雙軸跟蹤太陽的方式， 先將入射的太陽輻射點聚焦到旋轉(zhuǎn) 拋物面反射鏡 上 ， 而受熱器安裝在反射鏡的焦點處，受熱器 接收聚焦后的輻射能， 轉(zhuǎn)化為熱能驅(qū)動 熱機 (如燃氣輪機、斯特林發(fā)動機或其它類型透平等 )，將熱能轉(zhuǎn)換成電能。碟式太陽能 熱發(fā)電系統(tǒng)維護費用少、 自動控制性好 、 運行成本低 、建設(shè)周期短及可獨立或模塊化結(jié)合動作 。 作為分布式供電方式 ，其 不僅適合發(fā)達國家更適合發(fā)展中國家 和 經(jīng)濟落后地區(qū) 使用 [16]。 據(jù)悉， 2022 年及以后，碟式太陽能熱發(fā)電技術(shù)的性能發(fā)展取決于 熱管集熱器，當該集熱器年產(chǎn)量 較高 時，碟式熱發(fā)電技術(shù) 有 望發(fā)展成熟。20202030 年期間，定日鏡、集熱器及斯特林發(fā)動機設(shè)計將有較大革新，屆時安裝成本將有所下降 ，碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)極有可能用于商業(yè)化運行。 據(jù) IEA（ International Energy Agency） 預(yù)測 的從 1997 到 2030 年 間，這 三種類型 CSP 系統(tǒng)的性能和經(jīng)濟參數(shù)對比 [13][17]，如表 所示 。 表 1. 3 三種 類型 CSP 系統(tǒng)的 性能 和經(jīng)濟參數(shù) 對比 發(fā)電方式 槽式系統(tǒng) 塔式系統(tǒng) 碟式系統(tǒng) 規(guī)模 /MW 30—320 10—20 —30 太陽能場占地面積/萬 m2 運行溫度 /℃ 390/734 565/1049 750/1382 可否儲能 可以 可以 蓄電池 中國計量學(xué)院碩士學(xué)位論文 8 儲熱時間 /h 010 313 儲熱量 (MWht) 09678 1146760 容量因子 /% 34—50 20—77 峰值效率 /% 20 23 24 年熱電轉(zhuǎn)換效率 /% — — 單碟功率 /kW — 年產(chǎn)能量 /(GWh/yr) 單碟 (GWh/yr/dish) 投資成本 /($/kW) 39722756 43652523 125761324 運 行 維 護 成 本/($/kWyr) 10734 30025 商業(yè)化情況 可商業(yè)化 示范 示范 太陽跟 蹤方式 單軸 同步 雙軸 雙軸 技術(shù)開發(fā)風(fēng)險 低 中 高 互補系統(tǒng)設(shè)計 是 是 是 缺點 依賴管道和泵致低效率，真空管壽命未大規(guī)模驗證 及 定日鏡更換成本高 技術(shù)復(fù)雜 ，投資大且發(fā)電成本高，塔高 限制及聚光場與吸熱場優(yōu)化配合問題 聚光鏡系統(tǒng)造價較 高，達不到預(yù)定溫度，熱熔鹽儲熱技術(shù)危險性大 全世界太陽能熱發(fā)電站（ ）運行比例 93% 6% 不到 1% 技術(shù)障礙 抗風(fēng)性差，固 定 目 標 跟 蹤難，熱損耗大 光熱轉(zhuǎn)換率低，占地大 ，定日鏡兩維控制復(fù)雜，塔高有限 高聚光度優(yōu)點未充分發(fā)揮，儲熱難且技術(shù)危險大，造價高 由此表及 CSP 發(fā)展現(xiàn)狀我們了解到：塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)尚處于研究、開發(fā)、示范階段，碟式太陽能熱發(fā)電技術(shù)在美國、以色列等國家處于準商業(yè)化階段，槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)是最成熟的商業(yè)化技術(shù) [14][18]。 美國魯茲 (Luz)公司 SEGS（ solar electric generator system））系列電站總裝機容量 ，年發(fā)電高達 億 kWh。 已運行的九座電站 SEGSⅠ Ⅸ 使用了中國計量學(xué)院碩士學(xué)位論文 9 三代太陽能集熱器 ——Luz LS LS2 與 LS3。九座電站 [19]特征如表 所示： 表 1. 4 SEGSⅠ Ⅸ 電站特征比較 SEGS 電站 并網(wǎng) 時間 凈輸出（ MWe） 太陽能場出口溫度（ ℃ /℉ ） 太陽能場面積 （ 104㎡） 太陽渦輪機效率（ %） 輔助燃料渦輪機效率（ %） 年輸出 能量（ MWh） Ⅰ 1985 307/585 30100 Ⅱ 1986 30 316/601 80500 Ⅲ amp。Ⅳ 1987 30 349/660 92780 Ⅴ 1988 30 349/660 91820 Ⅵ 1989 30 390/734 90850 Ⅶ 1989 30 390/734 92646 Ⅷ 1990 80 390/734 252750 Ⅸ 1991 80 390/734 256125 從 SEGSⅠ Ⅸ 系統(tǒng)效率隨著技術(shù)不斷提高，升高到 %，同時 投資成本 降低到 2890 美元 /kW，發(fā)電成本下降到 12 美分 /(kWh)[20]。最為典型的是 SEGSⅧ電站，峰值太陽能熱電轉(zhuǎn)換效率為 24%， 循環(huán)效率為 %， 年平均太陽能熱電轉(zhuǎn)換效率為 14%，電站的初始投資為 2650 美元 /kw，發(fā)電的成本僅為 8 美分/kWh[14][21]，可以說該電站的運行與發(fā)展說明系統(tǒng)效率、初期投資與發(fā)電成本等的矛盾可通過建站與關(guān)鍵設(shè)備開發(fā)技術(shù)的提高而進一步解決。 總之， 從技術(shù)、環(huán)境、經(jīng)濟、節(jié)能、集成和存儲耐久性等方面進行 評價，槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)十分成熟且 技術(shù)與資金風(fēng)險較低 ，當前商業(yè)化前景廣闊。但是 歐美研發(fā)運行經(jīng)驗 豐富 ，我國 才 進入實驗性階段，制約 我 國太陽能熱發(fā)電站發(fā)展的主要因素仍是技術(shù) 難題 ，可 商業(yè)化的 槽式 技術(shù)仍在研究突破階段。 DSG 槽式系統(tǒng) 組成 槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)由 聚光集熱子系統(tǒng)、導(dǎo)熱油、水 /蒸汽換熱子系統(tǒng)（采用 DSG 技術(shù)時無此子系統(tǒng)）、汽輪機發(fā)電子系統(tǒng)、蓄熱子系統(tǒng)和輔助能源子系統(tǒng) [22]構(gòu)成， 其中聚光集熱子系統(tǒng)是系統(tǒng)核心 [23]。 聚光集熱子系統(tǒng)由多個聚光集熱器 SCA(Sofar Collector Assembly)組成，而每個聚光集熱器 SCA 由若干個由聚中國計量學(xué)院碩士學(xué)位論文 10 光鏡、接收器 /集熱管和跟蹤裝置 組成 的聚光集熱單元 SCE(Solar Colleetor ElementS)構(gòu)成 。 目前，最常用 的集熱管為真空集熱管與熱管式集熱管 。 當工質(zhì)為油時， 系統(tǒng)有 導(dǎo)熱油、水 /蒸汽換熱子系統(tǒng) ，稱為 雙回路 。 如圖 (a)所示， 在 接收器中 被加熱的 工質(zhì)油， 在 換熱子系統(tǒng)中產(chǎn)生蒸汽，蒸汽進入發(fā)電子系統(tǒng)發(fā)電。采用導(dǎo)熱油作為吸熱介質(zhì)存在安全隱患，但工作壓力一般在，無高壓風(fēng)險 。 換熱子系統(tǒng)一般由預(yù)熱器、蒸汽發(fā)生器、過熱器和再熱器組成 [14]。若 以水為循環(huán)工質(zhì)直接產(chǎn)生蒸汽，簡化子系統(tǒng)稱為 DSG 槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)， 稱 為單回路，如圖 (b)所示 。 與雙回路相形之下， DSG 系統(tǒng)省去了換熱環(huán)節(jié)，簡化了系統(tǒng)，減少了產(chǎn)生蒸汽過程中的熱損失，提高了系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率 ， 用水作吸熱介質(zhì)，不存在安全隱患且節(jié)省了資金 ， 但其整個系統(tǒng)嚴格按照高溫、高壓標準設(shè)計，在高溫高壓下工作，易產(chǎn)生高壓及低流速問題 [24]。 圖 1.