余热锅炉２０１７．１ 聚焦式太阳能热发电技术（ＣＳＰ）及其前景 杭州锅炉集团股份有限公司刘可亮姚飞奇 摘要 聚焦式太阳能热发电技术（Ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｎｇ Ｓｏｌａｒ Ｐｏｗｅｒ，ＣＳＰ）通常具有 大容量、高参数、高转换效率等特点，与光伏、风电相比较，还具有功率输出稳定可 控、适合带基本负荷及参与电网调峰等优势，并可以实现与光伏、风电的互补，规模 化后成本下降迅速。本文简要介绍了光热发电的工作原理、发展现状、技术路线等， 并对杭锅在太阳能热发电方面所做的研究进行了概述，供读者参考。 关键词：聚焦式光热发电；可再生能源；塔式熔盐技术；能源结构 １ 前言 我国的一次能源储量约占世界总储 量的ｌ０％．而人口占世界人口的比例约为 ２０％。在能源结构中，将近７０％的能源消费 依靠煤、石油等化石能源，由此带来的资源、 环境问题突出。从长远来看，以太阳能为首 的可再生能源将是人类未来的希望。目前情 况下光伏技术是太阳能利用的主流，至２０１６ 年底我国光伏装机容量已达到７７４２万ＫＷ， 运行的光热装机容量却仅有２８ＭＷ。但从长 远看，太阳能热发电技术因其固有的优势特 。 ， ，，０ 图１．碟式与槽式热发电技术 征将在未来的能源结构中占据重要位置。 ２光热发电技术概述 太阳能热发电在文中特指聚焦型光热 发电技术，也即通过大量反射镜将太阳光汇 集起来，直接或间接产生高品质的蒸汽，然 碟式为点聚焦方式，旋转抛物面把太阳 光线汇聚成一点，该技术具有聚光倍数高、 聚光温度高的特点，通常采用斯特林机直接 发电，具有较高的发电效率，但该技术路线 的单碟功率通常不大，约１０—２５ｋＷｅ，并且储 热困难限制了该技术的发展。 ２ 余热锅炉 ２０１７．１ 槽式热发电为线聚焦方式，槽式抛物面 把光线汇聚在焦线上，在焦线上布置有吸热 管，吸收太阳能并转化成需要的热能再转化 塔式技术聚焦倍数通常能达到 ５００～１０００倍，局部热负荷甚至达到１０００— １５００ｋＷ／ｍ２。塔式热发电技术具有聚光倍数 成电能。槽式技术的聚光倍数通常小于１００， 常用导热油作为吸热介质，以熔盐作为储热 介质。该技术路线成熟，国外应用的范例多， 美国、西班牙等有一大批在运行的机组，但 槽式技术（指以导热油为工质）受参数较 低的限制，是三种太阳能热发电技术中效率 高，蒸汽参数高、发电效率高等特点，同时采 用熔盐工质的塔式技术还具有储热容量大、 储热成本低等优势，因此在太阳能热发电的 新建项目中，塔式热发电逐渐成为了主流。 除上述三种主要技术外，由槽式技术衍 生成一种线性菲涅尔光热发电技术，在该技 最低的一种。槽式技术也在不断进行创新， 目前直接采用熔盐为吸热、储热介质的示范 回路在国内、国外都已经建成，熔盐工质技 术可以简化热力回路、提高系统的参数及效 率，成功后可以提高该技术的竞争力。 术方案中，并列布置的长条形反射镜，把太 阳光反射到焦线上加热吸热管内的工质，该 技术相当于把槽式反射面分割成长条形并 展开成平面，直接安装在地面上，由此可以 使焦线上的吸热器固定安装，不再跟随反射 镜旋转，由此增加了系统的可靠性，同时也 降低了反射镜的加工难度。塔式与菲涅尔式 的工作原理如图２所示。 太阳能热发电采用的工质主要有：有 水（水蒸汽）、熔盐、导热油、空气、二氧化 碳、液态金属、有机工质等。目前应用最广的 是水（水蒸汽）、熔盐和导热油。水（水蒸 汽）作为吸热介质通常在塔式技术和线性 塔式Ｈｅ的ｓ ａ ｓ 菲涅尔技术上均有应用，导热油介质通常使 用在槽式系统上，而熔盐目前在塔式上应用 最广，并有逐渐向槽式、菲涅尔式扩散的趋 势。以水（水蒸汽）为介质的光热发电系统， 具有回路简单，技术成熟度高、成本较低等 优势，但也具有储热困难、工作压力高等问 题。导热油作为载热介质在工业上的应用非 常广泛，因此成了槽式热发电技术的首选， 但导热油的工作温度通常不高（一般小于 ４００℃），制约了导热油的应用范围。熔盐介 图２．塔式与菲涅尔式热发电技术 质具有传热性能好、储热能力强、成本低廉 余热锅炉 ２０１ ７．１ ３ 等优势，虽然也具有凝固点高的风险，但可 到２８０ＭＷ，并带６ｈ储热。西班牙的Ａｎｄａｓｏｌ 以通过方案设计、管路伴热、运行优化等方¨ 电站、Ｅｘｔｒａｓｏｌ电站分别包括了ｊ台容艟为 以解决，从长远看熔盐介质将逐渐成为光热 ５０ＭＷ，蓄热７．５ｈ的槽式光热电站。最近投 发电的 选。 产的为摩洛哥ＮＯＯＲ Ｉ槽式电站，电站的发 ３光热发电现状及特点 电容量为１７０ＭＷ，－ｉｔ：带３ｈ储热。 已经投产运行的塔式光热发电站 要 外，太阳能热发电技术的研究历史 已超过３０年。截＿Ｊ｝：到２０ｌ５年底，全球光热 有西班牙的Ｇｅｍａｓｏｌａｒ电站，美冈的Ｉｖａｎｐａｈ 发电在运行的装机容量达到了，４９４０ＭＷ，其 电站和Ｃｒｅｓｃｅｎｔ Ｄｕｎｅｓ（新门沙丘）电站，如 中西班牙约２３００ＭＷ，美国约１８００ＭＷ，印 图３所示。２０ｌ １年４ Ｊ Ｊ， 班牙Ｇｅｍａｓｏｌａｒ 度、摩洛哥、南非、中困等也有一定容量的光 爪阳能电站投入商、ｌ 化运营，该电站 ｊ｝ｊ了 熔盐为吸热、储热介质，可以实现２４小ＩＩ、ｆ．７ 热电站建成投运。 天不问断运行。Ｉｖａｎｐａｈ电站十２０ｌ４ 投入 前述的四种技术路线【ｆ】，碟式系统应 ｆ｝］较少，典型项目为２００９年Ｔｅｓｓｅｒａ Ｓｏｌａｒ在 商业运行，该电站 Ｊ月水／水蒸汽为介质，包 括三 装机容 分刖为１３３ＭＷ、ｌ３３ＭＷ、 美困Ａｒｉｚｏｎａ建成了容 为１．５ＭＷｅ的碟 １２６ＭＷ的塔式电站，总反射镜 枞达２６０ 式光热电站，该电站包括了 碟功率２５ｋＷ 万平方米，Ｊ 牛的过热蒸汽参数为ｌ６ＭＰａ， 的６０个发电 元，发电效率约２６％。线性菲 ５６５℃。Ｃｒｅｓｃｅｎｔ Ｄｕｎｅｓ电站Ｊ ２０１５ ４Ｉ＂１１ 涅尔技术研发起步较晚：法国ＣＮＩＭ公司 ２０１５年 Ｌｌｏ市建成了容最为９ＭＷ的锥 月投产，采用熔盐为吸热、储热介质，装机容 遣为１１０ＭＷ，１０ｈ储热，年发电 约５亿度。 涅尔示范系统，该系统包括反射面积１２万 闰外在建的人 能热发电站项Ｈ｛ 分布 平方，产生参数为７ＭＰａ，２８５℃的饱和蒸汽， 年发电齄约１７００万度；２０１４年投运、 量 作太 能资源中寓的南美、北荚、 洲、 亚 等地区，而澳大利 、中罔、印度的人ｌ ５ｆｉ＿能热 为１２５ＭＷ的印度Ｄｈｕｒｓａｒ项目是目前单机 发电市场ｌ 处ｊ 逐渐升温的状念。 容量最人的菲涅尔电站，该项目采Ｈｊ水冷系 统，年发电量约２．８亿度。 仡 建成的项日Ｌ｝Ｊ惜式光热发电项 目最多，约占光热总装机容量的７０％。最 著 的商业化槽式电站是化于美国南加州 Ｍａｊｏｖｅ沙漠地区的ＳＥＧＳ系列电站，该系 列电站Ｊ ９座，总容量３５４ＭＷ，于１９８５年 至ｌ９９１年期问建成。２０１３年投运的Ｓｏｌａｎａ 光热电站位于美国的Ａｒｉｚｏｎａ，单机容量达 ４ 余热锅炉 ２０１ ７．１ 期或２０ｌ７年投入运行。 ２０１６年０９月，一｝Ｉ 的光热示范电价与 示范项日（容量为１．３５ＧＷ）发布，町以预 太阳能热发电将迎来一个从示范验证到 商、ｌ 化运行的快速发展阶段。 目前太阳能利Ｊ｛Ｊ技术ｒ｝１，光伏发电应川 较为成熟，应用范围较广，度电成本也较仞 期有了大幅度下降，我国２０ｌ６年起实行的比 图３．已建成的Ｉｖａｎｐａｈ与新月沙丘电站 伏上网标杆电价已经降到０．８—０．９８元／度的 水ｌ半。与光伏相比，光热发电起步较晚，并典 有技术复杂、前期投资较人、运行维护ｐＮ难 等问题。但光热发电县有小呵替代的优势： 光热发电通常具有大容量的储热功能，把人 内，人 能高温热发【乜技术的研究 近 水处卜队速发展的阶段。热发电的几种 技术路线都仃科研院所、户： 链卡Ｈ哭企、ｌｋ深 入例‘究，ｊｉ：取得 系列突破性成果：巾科院 ＩＵ ｆ究所 家８６３汁划的支持，住几种 ５ｌＨ能的吸收转化与热功发电过程进行ｊ－解 耦，使光热发电的输出可控，冈此光热发电 可以承担电网的 本负倚甚 渊峰负荷，电 网友好性高。而光伏发电产牛的是“流Ｉ ， ）匕热发ＩＵ技术路线 均订探索，特别是塔式 热发ＩＵ技术，Ｊ‘ ， 北京曼正庆建成了１Ｍｗ 的人 能热发电项『Ｊ’该技术采用水为 Ｉ．质，Ｉ｛前 ｌｌＪ 以 脱 ｆ删发电；杭锅集 参股的ｒ｛，控爪Ｉ５｝旧邑公 ｄ 肯海省德令哈建 成ｊ，１０ＭＷ的塔式热发电 模化、，ｊ 范惟、 ７ ＪＪ ｝ 核的 ，是 内实现 通过直交流逆变装置并入到电网，血仃ｚ；－的 条件下，光伏发电的输｝ｎ波动剧烈，如果 一个区域电网内光伏发电的 比达剑’定 发电的第…’家，从２０１３ 规模，就会对电网的稳定性造成冲 。风力 发 ， 令 稳定运行超过３年； 热发｝Ｕ ５０ＭＷ项Ｈ（化ｒ 发电也具有光伏类似的特性，『人］此 太ｌｊＨ能 资源、风力资源良好的地 ，町以川太＿５Ｉ｛能 海悠令哈Ｉ∽ 取剑 洲开发银行的１．５亿 炎几贷款，｝ｌ｛ 已处ｊ 开Ｉ 建没阶段，预计 热发电米对光伏、风电的输出进行渊节。‘ 个 型光热发电站的运行方式如ｌ ４所示。 ｊ ２０１ ７ ｌｆ－．投， 。 除ｌ 述项Ｈ外，滨海光热廿肃阿克寒 ８００米熔盐梢式示范回路项目已经投入运 行： 航光热敦煌１０ＭＷ塔式熔盐电站、深 圳 强兆 张家ｕ ｌ５ＭＷｅ改良菲涅尔爪范 项Ｉ Ｉ、 州火成敦煌１０ＭＷ菲涅尔熔盐电 …＾一’＾＾， ● Ｉ＾＾’ ● １ｔ＾ … ｒ 一、 ｔ● 站、新躺新华能１．５ＭＷ槽式示范项目等大 ， 爪范项｝ｌ均处建设或调试状态，预计存近 图４．Ｇｅｍａ ＳＯｌａｒ电站的典型运行曲线 余热锅炉 ２０ｌ７．１ ５ 在上图中，直射辐射强度ＤＮＩ、集热场 热功率随时间不断变化，而发电机电功率 （Ｇｒｏｓｓ Ｐｏｗｅｒ）稳定运行在２０ＭＷ。可以看 出光热发电的功率输出与镜场集热过程实 现分离，光热发电可以根据电网的需求带基 进行资料收集与技术路线优选； ２０１１年０５月，中控太阳能公司成立，杭 锅是太阳能公司的第二大股东； ２０１１年０８月，在杭州试验基地进行水／ 蒸汽工质的试验研究； ２０１２年一２０ｌ３年，在杭州试验基地进行 熔盐工质的相关试验研究； ２０１３年Ｏ７月，德令哈１０ＭＷ水／水蒸 汽工质光热示范项目并网发电； ２０１４年．２０１５年，ｌ０ＭＷ光热发电熔 盐工质改造方案设计、制造等； ２０１５年一２０１６年，５ＯＭｗ、ｌ００Ｍｗ塔 式熔盐电站的优化设计、技术储备等； ２０１６年０８月，德令哈拌１塔熔盐改造完 成（带２ｈ储热），熔盐路线验证成功； 本负荷或参与调峰，这种特性在多云天气的 条件下体现更充分。 ４杭锅的研究开发工作 对国内的能源工作者、相关企业而言， 太阳能高温热发电是一个全新的领域，技术 难度高，市场潜力大，具有很强的挑战性。所 涉及的主要课题有大规模定目镜跟踪协调 控制技术、高热流密度条件下的吸热技术、 大容量的蓄热技术、以熔盐、导热油为工质 的蒸汽发生技术、及太阳岛在变工况下的工 作特性等。单独依靠一个企业进行该领域的 研究必然会进展缓慢。杭锅从战略高度出 发，与浙江中控、杭州汽轮动力集团等组成 了太阳能高温热发电产业技术产业联盟，并 合资成立了中控太阳能公司，重点对塔式热 发电技术进行攻关，研究该技术路线中的核 ２０１６年０９月，太阳能热发电示范电价 （１．１５元／ｋＷｈ）与１．３５ＧＷ容量的示范项 目发布，光热发电迎来加速发展期： 心问题及开发关键设备，通过项目示范促进 我国的光热发电产业向商业化推广。在上述 模式下，太阳能公司发挥各自的特长，依据 传统的技术优势分别在光热发电产业链中 承担相应的工作：浙江中控主要负责定日 镜跟踪控制技术；杭锅集团负责太阳能吸 热系统、蓄热系统、蒸汽发生系统的研究开 发；而杭汽集团主要负责汽轮动力系统等。 杭锅集团太阳能热发电技术的研发历 程如下： ２００９．２０１０年，关注太阳能热发电技术， 图５．运行中的德令哈１ ０ＭＷ示范电站 余热锅炉２０ｌ ７．１ 图５为德令哈１０ＭＷ示范工程≠｝１、ｊ！ｊ｝２ 号吸热塔运行中的图片，其中｝｝１为熔盐吸 热塔，≠｝２为水工质吸热塔。 程总包等。对于太阳能槽式热发电系统（以 导热油工质），由于采用的是真空管式的吸 热器，因此杭锅的产品覆盖范围是熔盐储热 系统、熔盐．导热油换热系统、导热油．蒸汽 换热系统等。 典型的塔式热发电系统（以熔盐为介 质）包括了定日镜系统、熔盐吸热系统、储 热系统、熔盐．蒸汽系统、动力发电系统等。 其中定日镜系统与熔盐吸热系统组成了太 阳岛。系统的工作原理如图６所示。 熔盐系统 经过多年的技术研发与示范验证积累， 杭锅己掌握了太阳能热发电技术中的关键 技术（以传热、储热、换热为核心的热力设 动力发电系统 ｆ、 ． 图６．太阳能塔式、熔盐工质热发电原理图 定日镜系统把太阳光反射到熔盐吸热 塔顶部的吸热器上，从冷盐罐出来的温度较 备及系统等），并申请了太阳能相关专利十 余项，其中已授权发明专利８项，授权实用 低熔盐，进入熔盐吸热器吸热升温，回到高 温熔盐罐内。从高温储罐出来的熔盐进入到 熔盐一蒸汽系统产生高参数的蒸汽，进入到 动力发电系统做功发电，冷却后的熔盐返回 新型５项，在国内光热发电领域取得了一定 的领先优势。 ５太阳能热发电前景 太阳能热发电利用镜面反射聚焦技 术，因此需要用法向直射辐射强度（Ｄｉｒｅｃｔ Ｎｏｒｍａｌ Ｉｒｒａｄｉａｎｃｅ，ＤＮＩ）来衡量一个地方 的太阳能资源。我国４０ｋｍ空间分辨率的太 到冷熔盐罐内，完成熔盐系统的循环过程。 杭锅在上述系统中的产品覆盖范围包 括：熔盐吸热系统（包括吸热塔）、熔盐储 热系统、熔盐一蒸汽发生系统、热力系统的工 余热锅炉 ２０ｌ ７．１ ７ 厂—Ｅ【 图７．太阳直射辐射强度在我国的分布 阳法向直射辐射分布如图７所示。 根据《中国太阳能热发电产业政策研 究报告》的数据计算分析：ＤＮＩ＞Ｉ６００ｋＷｈ／ ２０３０年中国可再生能源占终端能源消费比 重可由目前的ｌ３％到提高到２６％；在电源 结构中可再生能源发电的比重将由目前的 ｍ２／ｙｅａｒ的地区建设太阳能热发电站具有 ２０％上升到４０％，中国将成为全球最大的可 再生能源消费国。根据《中国可再生能源发 经济效益，可以作为光热电站的参考选址； ＤＮＩ＞Ｉ８００ｋＷｈ／ｍ２／ｙｅａｒ具有良好的太阳资 源条件。我国ＤＮＩ ５ｋＷｈ／ｍ２／ｄａｙ，坡度 ３％ 的太阳能热发电可装机潜力约ｌ６０００ＧＷ，与 美国接近；ＤＮＩ ７ｋＷｈ／ｍ２／ｄａｙ，坡度 ３％ 的太阳能热发电可装机潜力约１４００ＧＷ。而 展路线图２０５０９（中丹可再生能源发展项目） 预测，太阳能光伏、光热发电及低温利用的 发展规划如图８所示。 按基本情况预测，至２０２０年光热发电 装机容量达５００万千瓦（该值与电力发展 “十三五”规划中的目标一致），至２０３０年 光热发电装机达３０００万千瓦，至２０５０年光 热发电装机容量达１．８亿千瓦，太阳能热发 电潜在市场规模巨大。 目前光热发电尚处于起步阶段，单位造 价成本远高于传统的电源（火电、风电、光 截止到２０１５年底，我国的火电装机容量约 １０００ＧＷ，我国的太阳能资源可以满足对化 石燃料的有效替代。 根据国际可再生能源署（ＩＲＥＮＡ）和 中国国家可再生能源中心（ＣＮＲＥＣ）联合 发布的《中国可再生能源展望》报告，到 囤 余热锅炉 ２０１ ７．１ 图８．中国可再生能源发展路线图 伏等），但随着１．３５ＧＷ示范项目的推进，光 效益。在我国未来的能源结构中，如果顺利 实现以可再生能源（太阳能、风能、生物质 热发电逐步实现规模化，成本将 快速下降 阶段。根据相关模型测算，光热发电装机容 量达５．１０ＧＷ时，光热发电成本将下降到约 ０．７５元／ｋＷｈ，当装机容量达３０ ５０ＧＷ时， 光热发电成本将卜降到约０．６元／ｋＷｈ，实现 等）对化石能源的有效替代，则可以大幅降 低化石燃料对空气、水源及 壤的污染，碧 水蓝天可期。 更人装机规模时，光热发电的度电成本会下 降到０．５元／ｋｗｈ以下，届时光热发电可以 实现竞价上 。 ６结束语 参考文献： ［１】．中丹可再生能源发展项目管 理办公室．中国可再生能源发展路线 ２０５０．２０１４．１２． ［２］．国家发改委和国家能源局．电力发 展“十三五”规划．２０１６． 对ｒ一个 最为５０ＭＷ带６小时储热 的光热发电站，以我闰西北典型的气象参数 为 ‘算基础，该电站年发电量为ｌ＿３亿度，每 ｑ－叮节省标准煤４万多吨，减少ＣＯ，排放ｌ１ 万吨，同时减少硫化物及氮氧化物对环境的 排放，光热发电具有良好的经济效益和社会 ［３］．国家太阳能光热利用产业技术创新 战略联盟．中国太阳能热发电产业政策研究 报告．２０１３．