王鼎，時雨，胡婧婷，劉宸，袁野

（1.國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院，吉林長春 130000；2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，吉林長春 130000）

太陽能熱發(fā)電技術(shù)綜述及其在我國適用性分析

王鼎1，時雨2，胡婧婷1，劉宸1，袁野1

（1.國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力科學(xué)研究院，吉林長春 130000；2.國網(wǎng)吉林省電力有限公司電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院，吉林長春 130000）

太陽能熱發(fā)電技術(shù)是開發(fā)利用太陽能源的重要手段，對未來我國調(diào)整能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、改善環(huán)境質(zhì)量、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略起到舉足輕重的作用。通過對比分析所有類型太陽能熱發(fā)電技術(shù)的原理、技術(shù)特點、經(jīng)濟(jì)適用性及發(fā)展現(xiàn)狀，參考近四十年來國內(nèi)外太陽能熱發(fā)電工程的重要參數(shù)，結(jié)合我國不同地區(qū)光照、人口密度等實際情況，對太陽能熱發(fā)電技術(shù)在我國的適用性進(jìn)行深入研究。最后對太陽能熱發(fā)電技術(shù)在我國未來的發(fā)展方向提出有益建議。

太陽能熱發(fā)電（STPG）；光電轉(zhuǎn)換；清潔能源

隨著化石能源可采年限的不斷減少以及CO2排放對環(huán)境的負(fù)面影響，未來世界對新能源的開發(fā)利用刻不容緩。新能源發(fā)電技術(shù)中，太陽能發(fā)電技術(shù)（solar power generation，SPG）由于其簡便、可靠、取之不盡用之不竭的優(yōu)點，成為世界公認(rèn)最有發(fā)展希望的新能源之一。除光伏發(fā)電技術(shù)外，近年來以西班牙和美國為主的各國學(xué)者對太陽能熱發(fā)電技術(shù)（solar thermal power generation，STPG）的研究也逐漸增多。圖1展示了STPG的分類。

圖1 太陽能熱發(fā)電技術(shù)（STPG）分類Fig.1 Classifications of solar thermal power generation（STPG）

STPG尚處于發(fā)展與推廣階段，其中以聚光太陽能熱發(fā)電技術(shù)（concentrating solar power，CSP）最為成熟。CSP自2010年以來在全世界得到飛速發(fā)展，截止2015年底，世界裝機(jī)容量已達(dá)4 900 MW，成為太陽能利用一個新的發(fā)展方向。本文全面總結(jié)了世界上現(xiàn)有的各類STPG，參考其過去近四十年的研究建設(shè)經(jīng)驗，詳細(xì)分析其特點、經(jīng)濟(jì)性及發(fā)展現(xiàn)狀，并結(jié)

合我國不同地區(qū)的實際情況，討論STPG成為我國新能源發(fā)展途徑的可能性，最后對STPG未來在我國的發(fā)展方向提出有益建議。

1 間接太陽能熱發(fā)電技術(shù)（ISTPG）

1.1 聚光太陽能發(fā)電技術(shù)（CSP）

1.1.1 塔式太陽能發(fā)電技術(shù)（SCR）

塔式太陽能發(fā)電技術(shù)（solar central receiver，SCR）的集熱系統(tǒng)由反射器和能量塔組成，如圖2所示。反射器由多個呈扇形分布在能量塔下的反射鏡組成，每個反射鏡各自追蹤陽光，將陽光焦聚600～1 000倍反射至塔頂接收器，產(chǎn)生800～1 000℃的高溫[1]6；能量塔矗立于反射器扇形圓心部位，接收器位于塔頂，用于接收并儲存熱能；熱能供入朗肯循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電。SCR中使用的朗肯循環(huán)系統(tǒng)與火力發(fā)電中的朗肯循環(huán)系統(tǒng)相同。

圖2 基于朗肯循環(huán)的塔式太陽能發(fā)電技術(shù)（SCR）原理Fig.2 Principle of solar central receiver（SCR）based on Rankine cycle

圖3 基于布雷頓循環(huán)的塔式太陽能發(fā)電技術(shù)（SCR）原理Fig.3 Principle of solar central receiver（SCR）based on Brayton cycle

為SCR光電轉(zhuǎn)換效率在8%～10%[1]2，單位投資成本為2～3.5萬元/kW且隨發(fā)電站總?cè)萘吭黾佣档?，占地面積約60～70 m2/kW[3]；裝機(jī)容量占CSP的10.6%。我國現(xiàn)有北京延慶1 MW SCR發(fā)電站投產(chǎn)，以及青海德令哈50 MW SCR發(fā)電站和敦煌10 MW SCR發(fā)電站正在施工建設(shè)。

1.1.2 槽式太陽能（SPT）和線性菲涅爾反射器（LFR）發(fā)電技術(shù)

槽式太陽能發(fā)電技術(shù)（solar parabolic trough，SPT）和線性菲涅爾反射器發(fā)電技術(shù)（linear fresnel reflector，LFR）同樣基于朗肯循環(huán)或布雷頓循環(huán)，但聚光設(shè)備不同。圖4為SPT基本原理，其使用拋物線弧度的槽式鏡面反射器將陽光焦聚到呈南北向的陽光焦聚線上；管型接收器置于陽光焦聚線，用于收集熱能并送入朗肯循環(huán)系統(tǒng)，最終產(chǎn)生電能。槽式集熱器可將分散的陽光焦聚70～100倍，產(chǎn)生350～550℃的溫度[1]3。SPT是目前最為成熟的CSP，其光電轉(zhuǎn)換效率為10%～15%，單位投資成本為1.5～3.1萬元/kW，占地面積為21～38 m2/kW[4]；裝機(jī)容量占現(xiàn)有CSP的88.5%。我國現(xiàn)有位于青海德令哈和鄂爾多斯的兩座50 MW SPT發(fā)電站正在建設(shè)。

圖4 槽式太陽能發(fā)電技術(shù)（SPT）原理Fig.4 Principle of solar parabolic trough（SPT）

LFR基本原理如圖5所示。該技術(shù)使用數(shù)個反射角不同的平面反射鏡將陽光焦聚至陽光焦聚線，線上放置接收器收集熱能并供入朗肯循環(huán)系統(tǒng)。LFR光電轉(zhuǎn)換效率為9%～11%，單位投資成本為1.5～3.1萬元/kW，占地面積為14～23 m2/kW[5]；裝機(jī)容量占CSP的1%左右。

1.1.3 碟式太陽能發(fā)電技術(shù)（SDE）

菲式八寶冰則是一種把甜豆、果凍等一同摻在有煉乳的碎冰里食用的菲律賓甜點。在加祿語里Halo-Halo有“把東西混在一起”的意思。還有蒜香牛肉飯、肉蔬面、椰奶芋頭葉、菲式酸湯等，也是區(qū)別于許多東南亞菜的菲式風(fēng)味，值得一試。

碟式太陽能發(fā)電技術(shù)（solar dish engine，SDE）基于斯特林循環(huán)，基本原理如圖6所示。由圖6（a）可知，SDE使用旋轉(zhuǎn)拋物面反射器將分散的陽光焦聚于一點，為斯特林發(fā)電機(jī)提供熱能。圖6（b）為斯特

林發(fā)電機(jī)詳圖，該發(fā)電機(jī)由2部分組成：斯特林熱機(jī)和線性往復(fù)發(fā)電機(jī)。位于圖6（b）右側(cè)的是斯特林熱機(jī)，它由氣缸、熱核、活塞和置換塞組成。氣缸中封裝惰性氣體介質(zhì)，分為膨脹區(qū)和壓縮區(qū)；熱核由熱交換器、冷交換器和蓄熱器組成，用于吸收太陽熱能并形成溫度梯度；活塞用于控制氣缸內(nèi)氣體的壓縮和膨脹；置換塞可將氣體壓入膨脹區(qū)或壓縮區(qū)，以控制氣體的升溫和降溫。活塞和置換塞分別用彈簧固定在氣缸上，且活塞的機(jī)械諧振在相位上落后置換塞90°。斯特林熱機(jī)工作時，氣體介質(zhì)與活塞、置換塞及熱核的相互作用使氣體在氣缸內(nèi)完成“等體積升溫-等溫膨張-等體積冷卻-等溫壓縮”的斯特林循環(huán)，使活塞和置換塞形成有相位差的正弦往復(fù)振動，將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。圖6（b）左側(cè)為線性往復(fù)發(fā)電機(jī)，其動子受活塞或置換塞驅(qū)動做正弦往復(fù)運動，從而形成正弦變化的磁場發(fā)電，完成機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)換。

圖5 線性菲涅爾反射器發(fā)電技術(shù)（LFR）原理Fig.5 Principle of linear Fresnel reflector（LFR）

圖6 碟式太陽能發(fā)電技術(shù)（SDE）原理Fig.6 Principle of solar dish engine（SDE）

除斯特林發(fā)電機(jī)外，歐洲科學(xué)家近年來還提出一種新型的熱聲熱機(jī)，如圖7所示。熱聲熱機(jī)由熱核和氣體介質(zhì)傳導(dǎo)管組成。其中，熱核用于吸收太陽熱能并形成一個線性溫度梯度，作用與斯特林熱機(jī)中熱核相同；氣體介質(zhì)傳導(dǎo)管中封裝高壓惰性氣體，用于傳導(dǎo)氣體振動產(chǎn)生的聲波并形成回路。由于熱聲效應(yīng)，當(dāng)氣體分子在熱核中受熱時會產(chǎn)生正弦聲波，進(jìn)而由于熱脹冷縮效應(yīng)產(chǎn)生正弦氣壓波，驅(qū)動活塞做正弦往復(fù)運動，將熱能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。活塞驅(qū)動線性往復(fù)發(fā)電機(jī)發(fā)電，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。相較于斯特林發(fā)電機(jī)，熱聲發(fā)電機(jī)由于其移動部件少，具有穩(wěn)定、可靠、高效率和低成本等優(yōu)勢。

圖7 熱聲發(fā)電機(jī)原理Fig.7 Principle of thermo-acoustic generator

SDE光電轉(zhuǎn)換效率為16%～18%，單位成本為0.4～1.1萬元/kW[1]3，單位占地面積為50～60 m2/kW[6-7]；裝機(jī)容量不到100 MW，主要位于西班牙、美國和印度。我國現(xiàn)有1臺寧夏石嘴山SDE示范機(jī)組及鄂爾多斯1 MW SDE發(fā)電站投運，此外還與以色列Helio Focus有限公司簽訂內(nèi)蒙古200 MW SDE發(fā)電項目協(xié)議。

1.2 非聚光太陽能發(fā)電技術(shù)（NCSP）

1.2.1 煙囪式太陽能發(fā)電技術(shù)（SUT）

煙囪式太陽能發(fā)電技術(shù)（solar updraft tower，SUT）基于溫室效應(yīng)和煙囪效應(yīng)，如圖8所示。集熱棚即為溫室效應(yīng)棚，其末端開放，可由空氣自由進(jìn)入；煙囪豎立于集熱棚圓心，頂端為空氣出口；渦輪發(fā)電機(jī)置于煙囪內(nèi)部。集熱棚受陽光照射時觸發(fā)溫室效應(yīng)，其中空氣被加熱升溫。由于煙囪效應(yīng)，熱空氣從集熱棚上升到煙囪頂部，從空氣出口排出，并帶動渦輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。此時集熱棚和煙囪中氣壓降低，周邊空氣從集熱棚末端吸入，再次加熱并從煙囪排出，形成持續(xù)穩(wěn)定的氣流。SUT結(jié)構(gòu)中，集熱棚

下的土壤可作為天然熱儲能裝置，白天吸收熱能并在夜晚釋放，保證機(jī)組晝夜連續(xù)運行。

圖8 煙囪式太陽能發(fā)電技術(shù)（SUT）原理Fig.8 Principle of solar updraft tower（SUT）

SUT光電轉(zhuǎn)換效率在1.5%左右，單位投資成本為2.6～4.5萬元/kW，占地面積為140～220 m2/kW[8]；在歐美國家建有一些示范項目，單個發(fā)電站容量為50 kW～100 MW，且未來美國、澳大利亞、印度等國均有SUT發(fā)電站建設(shè)計劃。我國現(xiàn)有內(nèi)蒙古烏海200 kW SUT發(fā)電站。

1.2.2 太陽能鹽池發(fā)電技術(shù)（SPPG）

太陽能鹽池發(fā)電技術(shù)（solar pond power generation，SPPG）利用鹽池作為太陽熱能熱收集器，如圖9所示。鹽池深1～2 m，鹽溶液在池中分為3層，形成密度梯度。其中，上對流層為清水，密度1 000 kg/m3，起隔熱保溫作用；非對流層為不飽和鹽溶液，密度1 000～1 200 kg/m3且呈梯度增加，用于形成溫度梯度；下對流層為飽和鹽溶液，密度1 200 kg/cm3，起儲熱作用。陽光射入鹽池時，鹽溶液受密度梯度影響產(chǎn)生溫度梯度，并在下對流層儲熱；下對流層的高溫溶液被送入朗肯循環(huán)系統(tǒng)發(fā)電。

圖9 太陽能鹽池發(fā)電技術(shù)（SPPG）原理Fig.9 Principle of solar pond power generation（SPPG）

SPPG光電轉(zhuǎn)換效率不足3%，單位占地面積約為185 m2/kW。SPPG具有可利用散射光發(fā)電，可長時間儲能以保證機(jī)組在夜晚連續(xù)運行的優(yōu)點，但其近年來發(fā)展逐漸停滯，主要因為該技術(shù)熱效率過低，存在鹽溶液密度分層困難的技術(shù)障礙以及發(fā)電站選址要求很高——必須依水源而建且周圍土地?zé)釋?dǎo)率不宜過高[9]。

2 直接太陽能熱發(fā)電技術(shù)（DSTPG）

DSTPG可分為4種子技術(shù)：太陽能熱離子發(fā)電技術(shù)（solar thermionic power generation，STIPG）、太陽能熱溫差發(fā)電技術(shù)（solar thermo-electric power generation，STEPG）、太陽能熱光伏發(fā)電技術(shù)（solar thermo-photovoltaic power generation，STPV）和太陽能熱磁流體發(fā)電技術(shù)（solar magnetohydrodynamic power generation，SMPG）。其中，STIPG、STEPG和STPV的發(fā)電原理相似：使用與CSP類似的聚光技術(shù)焦聚陽光產(chǎn)生熱能，之后使特定的熱電材料受熱產(chǎn)生電子流，將熱能轉(zhuǎn)換為DC電能。STIPG的光電轉(zhuǎn)換效率為12%～20%，而STEPG和STPV的光電轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到2%～5%。SMPG利用太陽熱能產(chǎn)生導(dǎo)電性較好的等離子氣體，并使其高速通過固定磁場而產(chǎn)生電能，光電轉(zhuǎn)換效率在15%左右。

相較于ISTPG，DSTPG具有穩(wěn)定可靠、無移動部件、體積小、質(zhì)量輕及模塊化等優(yōu)點，但其至今仍處于研究階段，主要存在以下技術(shù)難關(guān)尚未攻破：輸出阻抗普遍偏高，單個熱電材料輸出電壓僅在幾伏到十幾伏；熱電材料能量損失嚴(yán)重，光電轉(zhuǎn)換效率普遍偏低；溫差造成發(fā)電元件熱脹冷縮而導(dǎo)致使用壽命降低；小規(guī)模發(fā)電經(jīng)濟(jì)性較差等。由于DSTPG尚不具備推廣條件，此處不作詳細(xì)討論。

3 太陽能熱發(fā)電技術(shù)在我國的適用性

目前STPG技術(shù)中較為成熟的有SCR、SPT、LFR、SDE和SUT；其余STPG由于存在關(guān)鍵技術(shù)難題尚未攻破，還不具備推廣條件。本節(jié)將對上述5種具備推廣條件的STPG技術(shù)與PV對比進(jìn)行詳細(xì)分析，并討論其在我國的適用性。

5項STPG技術(shù)及PV的各項參數(shù)見表1。就光電轉(zhuǎn)換效率和成本而言，SDE最具優(yōu)勢；SCR、SPT和LFR效率低于PV，在成本上也不具有優(yōu)勢，有待進(jìn)一步優(yōu)化；SUT效率極低、成本最高，在上述STPG中性價比最低。就技術(shù)特點而言，上述5種STPG均具有儲能裝置；SCR、SPT和LFR 3類基于朗肯循環(huán)系統(tǒng)的技術(shù)

支持與火力發(fā)電聯(lián)合使用及電熱聯(lián)生，而SDE和SUT并不具備這兩項優(yōu)勢；此外，SPT、LFR和SDE為模塊化系統(tǒng)，具有生產(chǎn)組裝便捷、易于維修、方便擴(kuò)展等優(yōu)點。就經(jīng)濟(jì)運行容量而言，SCR、SPT、LFR和SUT均適用于建造大容量發(fā)電站，且單位投資成本隨裝機(jī)容量增高而降低；而SDE所使用的斯特林循環(huán)和線性往復(fù)發(fā)電機(jī)組合適用功率不高，不適合建造大容量發(fā)電站。

要討論各類SPG對陽光輻射功率密度的要求，需先介紹我國光照情況。依照陽光輻射功率密度，我國可分為3類地區(qū)：一類地區(qū)輻射最強(qiáng)，功率密度為1 500～2 000 kW·h/m2，主要集中在我國西北地區(qū)及華北北部地區(qū)，人口密度較低；二類地區(qū)輻射中等，功率密度為1 000～2 000 kW·h/m2，主要為我國華北、東北地區(qū)及西北、西南少數(shù)地區(qū)，人口密度屬中等水平；三類地區(qū)輻射最低，功率密度為1 000～1 600 kW·h/m2，主要集中在華東、中南地區(qū)及西南、西北南部少數(shù)地區(qū)，人口密度較大[10]。從表1中可以看出，SUT即可利用直射光也可利用散射光發(fā)電，對陽光輻射要求較低，我國一至三類地區(qū)均滿足要求；然而，SUT占地面積非常大，只適用于人口稀少的荒蕪地區(qū)，因此更適合我國一類地區(qū)和部分人口密度較低的二類地區(qū)。SPT、LFR、SCR和SDE只能利用直射光發(fā)電，要求1 500 kW·h/m2以上的陽光輻射功率密度，只有我國一類和部分二類地區(qū)滿足要求。其中，SPT和LFR占地面積較小，適用于城鎮(zhèn)及周邊地區(qū)；而SCR和SDE占地面積偏大，適用于人煙稀少的地區(qū)。

綜上所述，在5類基本具備推廣條件的STPG技術(shù)中，SDE相較于PV各方面優(yōu)勢明顯；雖然其占地面積偏大，但若在人煙稀少、地價便宜的地區(qū)建設(shè)性價比會大大提高，非常具有競爭優(yōu)勢。SCR、SPT和LFR各項參數(shù)相較PV和SDE不具優(yōu)勢，但其具有支持與火力發(fā)電聯(lián)合運行、支持電熱聯(lián)生的優(yōu)點；此外，CSP技術(shù)還可配備廉價的熱儲能裝置，比PV更具有運行穩(wěn)定性，具備進(jìn)一步發(fā)展的希望。SUT各項參數(shù)均不及PV和CSP，但也具有可利用散射光發(fā)電、陽光輻射要求低、無需附加儲能設(shè)備、結(jié)構(gòu)簡單可靠等優(yōu)點，有進(jìn)一步研究價值。因此，CSP和SUT技術(shù)可以成為我國未來新能源發(fā)展的一個新方向，而其他STPG技術(shù)有待進(jìn)一步研究。

表1 SCR、SPT、LFR、SDE、SUT及PV詳細(xì)參數(shù)Tab.1 Detailed parameters of SCR，SPT，LFR，SDE，SUT and PV

4 結(jié)語

詳細(xì)論述了現(xiàn)有STPG技術(shù)的原理、特點、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀及在我國的適用性。經(jīng)分析，STPG技術(shù)中，CSP和SUT技術(shù)可以成為我國未來新能源發(fā)展的一個新方向。其中，SDE優(yōu)勢在于其光電轉(zhuǎn)換效率和投資成本，劣勢在于占地面積較大；SCR、SPT和LFR優(yōu)勢在于其支持與火電聯(lián)合運行、支持電熱聯(lián)生，劣勢在于大部分參數(shù)不及PV和SDE；SUT優(yōu)勢在于其可利用散射光發(fā)電、陽光輻射條件要求低、無需附加儲能設(shè)備、結(jié)構(gòu)簡單可靠，劣勢在于效率極低、占地面積極大，各方面有待大幅提高。上述5種STPG技術(shù)均適用于我國一類地區(qū)，即西北、華北北部地區(qū)，同樣也有選擇性的適用于我國二類地區(qū)，即華北、東北地區(qū)。

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[10]中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會．關(guān)于發(fā)揮價格杠桿作用促進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的通知[R]．北京：發(fā)改價格[2013]1638號，2013．

（編輯 張曉娟）

Review and Applicability Analysis of Solar Thermal Power Generation Technology in China

WANG Ding1，SHI Yu2，HU Jingting1，LIU Chen1，YUAN Ye1
（1.State Grid Jilin Electric Power Research Institute Co.，Ltd.，Changchun 130000，Jilin，China；2.State Grid Jilin Electric Power Economic and Technical Research Institute Co.，Ltd.，Changchun 130000，Jilin，China）

Solar thermal power generation（STPG）technology is an important method of solar energy utilization，playing an essential role in the adjustment of energy industry structure，the improvement of environment quality and the sustainable development of China in the future.This paper presents an indepth investigation in applicability of STPG in China through a comparative study on all sub-categories of STPG，which takes principles，technical characteristics，economic applicability and current development of STPG as well as some important parameters from STPG plants in past forty years in the world and solar power density and population in each district of China into consideration.Based on this research，useful recommendations on future development direction of STPG in China are proposed.

solar thermal power generation（STPG）；photoelectric conversion；clean energy

2016-03-25。

王 鼎（1988—），男，博士，工程師，從事電網(wǎng)仿真、滾動計算、運行方式計算、風(fēng)電并網(wǎng)設(shè)計及新能源方面研究；

時 雨（1988—），女，碩士，工程師，從事電力技術(shù)經(jīng)濟(jì)及建設(shè)方面研究；

胡婧婷（1986—），女，博士，工程師，從事電力行業(yè)用油、氣分析檢驗方面研究；

劉 宸（1988—），男，碩士，工程師，從事新一代智能電網(wǎng)及新能源方面研究；

袁 野（1984—），男，碩士，工程師，從事電能質(zhì)量檢測與治理及新能源方面研究。

吉林省科技創(chuàng)新專項資金項目（20160901）。

Jilin Province Special Foundation of Science and Technology Innovation（20160901）.

1674-3814（2016）09-0151-06

TM615

A