太阳能热发电技术

太阳能热发电技术

研发报告

2016年12月12日

一、太阳能热发电技术发展趋势

1．1太阳能热发电技术特点

太阳能热发电是指将太阳能转化为热能，通过热功转换进行发电的技术。根据收集太阳辐射能方式的不同，通常可分为塔式、槽式、碟式和线性菲涅耳尔式四种类型。

太阳能热发电技术有如下特点：

（1）发电功率相对平稳可控。太阳能资源具有间歇性和不稳定性的不足，通过在发电机组前端配置技术上相对成熟的大容量储热系统，可以对发电功率进行有效调节。如图1所示的西班牙2015年夏季太阳能热发电站电力典型输出与电网负荷的变化趋势保持一致。

图1西班牙2015年夏季太阳能热发电站电力典型输出（蓝色为需求对应左轴，红色为太阳能热发电输出对应右轴）

(数据来源:Country Report Spain,90th Meeting of the SolarPACES Executive Committee,5.–7.April,2016,Zurich,Switzerland）

2015年西班牙太阳能热发电对全国电力贡献率达到2%，全年发电量达到5113GWh。最大日贡献达到5%。这已充分显示了该技术能

承担大容量供电的能力。研究显示，一座带有储热系统的太阳能热发电站，年利用率可以从无储热的25%提高到65%；利用长时间储热系统，太阳能热发电可以在未来满足基础负荷电力市场的需求。

(2)易于与其他能源形式联合运行。太阳能热发电技术集热过程产生的高品质热能可以与燃煤、燃油、天然气及生物质发电系统等发电系统进行联合，实现多种能源方式的联合发电。

(3)可实现热电联供。太阳能热发电站的热能可以直接用来供热，用于工业高温蒸汽供给或进行建筑采暖等；

(4)全生命周期二氧化碳排放极低。太阳能热发电站的全生命周期二氧化碳排放约17g/kWh，远远低于燃煤电站以及天然气联合循环电站。

总体而言，太阳能热发电是可承担基础电力负荷及调峰负荷的可再生能源电力技术。具有资源丰富、综合能量利用效率较高、经济竞争力较强、生命周期碳排放较小、电网友好性较好等优势。系统余热利用的热电联供技术会对解决我国北方冬季采暖的问题给出革命性的方案。2025年到2035年将是太阳能热发电补充光伏发电的大发展时期，届时由于电网中可再生能源比例较高，为满足用户要求，对可再生能源的电力的要求将比目前更高。带有大容量储热的太阳能热发电承担了电力系统稳定连续的重任，其价值将进一步显现。太阳能热发电是未来支撑我国经济发展和能源结构变革的重要能源技术之一。

1．2国外太阳能热发电发展现状与趋势

1.2.1国外太阳能热发电发展现状

目前国际上主流的太阳能热发电技术包括槽式、塔式、线性菲涅尔式和碟式等。自2006年以来，由于西班牙等国家有良好的政策支持，太阳能热发电站的装机容量一直保持稳步增长。目前，美国、西班牙、阿联酋、印度、以色列、南非、智利、中国等国已经建成或在建多座商业运行的太阳能热发电站。截止到2016年10月底，全球太阳能热发电站的在运行装机容量超过5GW。

（1）槽式太阳能热发电方面，以导热油为传热流体的系统日趋成熟，单台机组的最大装机容量为160MW，槽式聚光器的最大开口尺寸为7.5m，最高年均效率为16%。以熔融盐为传热流体的槽式集热器最高出口温度可达550℃，极具发展潜力，但目前仍处于实验研究阶段。

（2）塔式太阳能热发电方面，水/蒸汽电站的集热温度为567℃，单台机组最大装机容量为133MW（美国Ivanpha电站）。熔融盐电站吸热器出口温度为565℃，单台机组最大装机容量为110MW(美国星月沙丘电站)。

（3）线性菲涅尔式太阳能热发电方面，以水/蒸汽电站的集热温度为330℃，单台机组最大装机容量为30MW（西班牙PE2电站）。

（4）碟式太阳能热发电方面，以碟式斯特林机发电为主，由于其分布式应用的特征，目前尚无大规模的商业应用电站案例。

（5）储热方面，双罐式熔融盐储热是目前唯一大规模运行的高温储热技术，温度范围为290℃-565℃。以西班牙安达索1号槽式太阳能热发电站为典型参数的10余座电站均带有1010MWh的储热系

统可以满足50MW汽轮机满负荷工作7.5小时。西班牙Gemasolar塔式电站设计容量19.9MW，系统储热容量实现可满负荷15小时发电，实现电站的24小时连续运行。美国星月沙丘电站配备了可满足110MW汽轮机满负荷发电10小时的储热系统，是目前储热容量最大的太阳能热发电站。

（6）关键装备方面，全球在将近50座商业化电站的建设带动，培育形成了定日镜，吸热器，储热，槽式聚光器，槽式真空管、曲面玻璃镜等装备的专业制造商。德国肖特公司和索莱尔几乎提供了所有槽式商业化电站的真空集热管。曲面玻璃方面以Flabeg、Glasstech 公司等为代表，形成了热弯钢化玻璃生产技术和产能，并研发了热弯钢化玻璃生产设备，成为全球主要的热弯钢化设备供应商。同时，相关商业化电站建设，也带动并形成了以Abengoa，Bright Source,Solar Reserve公司等为代表的一批系统集成公司。伴随着全球太阳能热发电商业化电站建设步伐的加快，全球基本形成了以欧美国家为垄断太阳能热发电转装备制造和系统集成总包产业链集成建设能力。

1.2.2太阳能热发电国外发展趋势

光学聚光比是太阳能热发电技术的主要指标，如图2所示，一般来讲，聚光比越大，太阳能热发电系统可实现的集热温度就越高，热机效率也就越高，技术发展呈现单个发电机组容量不断增大，太阳能集热场获得的传热流体温度不断提高，进入汽轮机的蒸汽温度和压力不断提高；储热系统容量不断增大，太阳能热发电站的容量因子不断提高；太阳能热发电站的全年效率不断提高的发展趋势。面向高温大

容量的太阳能热发电技术研发是全球主要研究机构的重点研究方向，超临界水蒸汽/二氧化碳发电、布雷顿循环、燃气蒸汽联合循环、太阳能驱动的燃料制备等方向是未来发展重点。

图2聚光比、吸热器温度和系统效率的关系世界主要发达国家在研究体系中，在太阳能热发电方面部署了专门的重大科技计划。

美国SunShot计划预计，太阳能热发电成本目标是在2020年降到每千瓦时电成本为6美分。其成本预测如图3所示。其中镜场降低7美分/kWh（2010年，9美分/kWh）；发电部分降低2美分/kWh（2010年，4美分/kWh）；吸热器/传热降低2美分/kWh（2010年，3美分/kWh）；储热降低4美分/kWh（2010年，5美分/kWh）。在技术经济指标方面，镜场（成本≤$75/㎡，光学误差≤3mrad，风速≥85MPh，寿命≥30年）；吸热器（传热介质出口温度≥650℃，热效率≥90%，寿命≥1万次循环，成本≤$150/kWth）；发电模块（净循环效率≥50%，空冷，成本≤$1200/kWe）；传热流体（热稳定性≥800℃，Cp≥3J/（gK），熔点Pt≤250℃，成本≤1$/kg）；储热（发电循环入口温度≥600℃，（火用）