武漢凱迪電力工程有限公司 ■ 趙志華 劉劍軍

一 引言

太陽能熱發(fā)電是利用聚光器將太陽輻射能匯聚，生成高密度的能量，通過熱功循環(huán)來發(fā)電的技術(shù)[1]。我國太陽能熱發(fā)電技術(shù)的研究開發(fā)工作始于70年代末，一些高等院校和科研所等單位和機構(gòu)，對太陽能熱發(fā)電技術(shù)做了不少應用性基礎(chǔ)實驗研究，并在天津建造了一套功率為1kW的塔式太陽能熱發(fā)電模擬實驗裝置，在上海建造了一套功率為1kW的平板式低沸點工質(zhì)太陽能熱發(fā)電模擬實驗裝置[2、3]。

二 太陽能熱發(fā)電技術(shù)概況

目前主流的太陽能熱發(fā)電技術(shù)主要有4種方式：塔式、槽式、碟式和線性菲涅爾式[4]，這4種太陽能光熱發(fā)電技術(shù)各有優(yōu)缺點。

塔式太陽能聚光比高、運行溫度高、熱轉(zhuǎn)換效率高，但其跟蹤系統(tǒng)復雜、一次性投入大，隨著技術(shù)的改進，可能會大幅度降低成本，并且能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模地應用，所以是今后的發(fā)展方向。槽式技術(shù)較為成熟，系統(tǒng)相對簡單，是第一個進入商業(yè)化生產(chǎn)的熱發(fā)電方式，但其工作溫度較低，光熱轉(zhuǎn)換效率低，參數(shù)受到限制。碟式光熱轉(zhuǎn)換效率高，單機可標準化生產(chǎn)、既可作分布式系統(tǒng)單獨供電，也可并網(wǎng)發(fā)電，但發(fā)電成本較高、單機規(guī)模很難做大。線性菲涅爾式結(jié)構(gòu)簡單、發(fā)電成本低、具有較好的抗風性能，但工作效率偏低、且由于發(fā)展歷史較短，技術(shù)尚未完全成熟，目前處于示范工程研究階段。

各聚光熱發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)比較見表1。

三 我國太陽能熱發(fā)電應用典型示范電站

近年來，我國積極探索太陽能熱發(fā)電技術(shù)，建立了一批示范電站。在塔式方面建設(shè)的示范電站有：

2010年中科院電工所、皇明太陽能和華電集團聯(lián)合開發(fā)在北京八達嶺建成的1MW塔式太陽能熱電站，該項目于2012年8月成功發(fā)電，采用皇明太陽能的定日場，主要用于試驗研發(fā)，是國際上第一臺成功運行的直接生產(chǎn)過熱蒸汽的光熱電站。

2012年青海省德令哈50MW塔式太陽能發(fā)電站項目一期發(fā)電裝機容量10MW，分兩個5MW的聚光鏡場，各對應一個集熱塔，塔總高約92m。第一臺塔于2012年8月投運，第二臺塔2012年12月投運，見圖1。

表1 各聚光熱發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)比較

該項目采用多塔模塊化的方式，旨在實現(xiàn)模塊化分期建設(shè)，多塔運行，并得以推廣應用。定日鏡采用小平面鏡(2m2)的模塊化塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)路線，水工質(zhì)直接生成飽和蒸汽技術(shù)與中高溫儲熱技術(shù)相結(jié)合。一期總占地面積約40萬m2。系統(tǒng)流程為通過定日鏡場聚光到集熱器，集熱器內(nèi)導熱介質(zhì)為水工質(zhì)，加熱成飽和蒸汽，蒸汽參數(shù)為：9.8MPa、310℃，產(chǎn)汽量22.5t/h；兩集熱器出口蒸汽共同接入到燃氣鍋爐內(nèi)，進行過熱，鍋爐出力45t/h，過熱蒸汽參數(shù)：8.83 MPa、510℃，再進入汽輪發(fā)電機發(fā)電。

項目系統(tǒng)效率：鏡場光學峰值效率69%，集熱器峰值效率88%，汽輪機峰值效率40%。年峰值效率24%，實測平均效率達15.7%。一期工程總投資2.1億元，其中太陽島成本占50%。

該電站鏡場主要采用小平面鏡多塔運行方案，實現(xiàn)規(guī)模化、標準化生產(chǎn)，提高了抗風性能，減少每單元實施技術(shù)難度，降低了制造難度和成本。但控制系統(tǒng)相當復雜，每面鏡子均設(shè)有一個控制執(zhí)行機構(gòu)，兩個鏡場約30000面鏡子，根據(jù)太陽運轉(zhuǎn)規(guī)律開環(huán)控制，在聚光方面通過相機塔和塔下方的BCS板光斑對比來校正和補償反射鏡的聚光定位。

該項目采用國內(nèi)中控自主知識產(chǎn)權(quán)，并實現(xiàn)了全部裝備的國產(chǎn)化與產(chǎn)業(yè)化，具有技術(shù)先進、性能可靠、效率高、建設(shè)周期短等特點；項目的實施為國內(nèi)塔式太陽能規(guī)?；l(fā)展提供了重要的示范作用，模塊化設(shè)計可根據(jù)電站裝機總需求和地理環(huán)境靈活配置不同規(guī)模的鏡場模塊，達到經(jīng)濟最優(yōu)；積累了工程推廣應用的經(jīng)驗，為下一步機組大型化、標準化、儲熱技術(shù)和降低成本方面的研發(fā)奠定了堅實的基礎(chǔ)。

國內(nèi)槽式示范電站主要有：

國電青松吐魯番180kW槽式太陽能熱發(fā)電站，2010年6月并網(wǎng)，總投資1500萬元。中廣核在青海德令哈50MW槽式太陽能光熱發(fā)電項目2012年動工，占地246公頃，總投資25億人民幣，年發(fā)電2億kWh，實現(xiàn)太陽能24h全天候發(fā)電，電源穩(wěn)定程度接近火電。

碟式太陽能示范電站有：

中科院電工所于2006年建立的1kW碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。在直射輻射強度大于450W/ m2的條件下，系統(tǒng)成功完成可穩(wěn)定連續(xù)的輸出線電壓為100V左右的三相交流電的測試，成為國內(nèi)第一個可以連續(xù)發(fā)電的碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)。

菲涅爾太陽能示范電站主要為小型試驗項目：

皇明太陽能公司在山東德州廠房頂部建設(shè)的2.5MW線性菲涅爾聚光技術(shù)的示范工程，聚光面積27000m2，輸出溫度320℃，2010年底完成建設(shè)。

南京工業(yè)大學的菲涅爾試驗裝置采用東莞中能陽光科技有限公司的線性菲涅爾聚光系統(tǒng)及跟蹤機構(gòu)，聚光面積435m2，集熱器內(nèi)吸熱介質(zhì)為導熱油，使用溫度200℃左右，產(chǎn)生飽和蒸汽，用于體育館制冷、供熱系統(tǒng)，2012年11月成功投入運行。

四 國內(nèi)主要設(shè)備生產(chǎn)現(xiàn)狀

1 國內(nèi)的主要光熱發(fā)電集成商現(xiàn)狀

浙江中控太陽能技術(shù)有限公司為國內(nèi)最早從事塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)研究的企業(yè)之一。該公司在杭州設(shè)有試驗基地，在青海德令哈建設(shè)總裝機容量50MW，其鏡場多次經(jīng)歷沙塵暴和低溫考驗。另外，皇明太陽能公司為較好的塔式光場集成商，是中科院電工所的北京延慶1MW塔式電站光場總承包商，提供設(shè)計、供貨、調(diào)試，已完成投運。

槽式熱發(fā)電系統(tǒng)集成商較好的有北京中海陽、常州龍騰、康達機電等公司，均可提供光場整體技術(shù)集成和供貨。幾家公司均有相應的小單元槽式樣機，有專門的實驗基地和正規(guī)專業(yè)的研發(fā)團隊。

菲涅爾光熱發(fā)電方面有東莞中南能源科技有限公司在南京中業(yè)大學的菲涅爾示范項目。蘭州大成科技股份有限公司在蘭州建有槽式與菲涅爾串聯(lián)運行示范裝置，發(fā)電功率為200kW，該公司是國家綠色鍍膜技術(shù)與裝備工程技術(shù)研究中心?；拭魈柲芄疽苍谄涞轮葜袊柟葟S房頂上建設(shè)有2.5MW菲涅爾示范太陽能發(fā)電站。

2 國內(nèi)的主要光熱關(guān)鍵設(shè)備的制造商概況

(1)在集熱管方面有青島奧凱利、天瑞星、匯銀公司、常州龍騰、皇明太陽能，這幾家為國內(nèi)集熱管技術(shù)較好的供貨商。據(jù)了解，奧凱利槽式系統(tǒng)集熱管在新疆國電180kW的槽式試驗裝置有一年的運行經(jīng)驗，運行效果較好； 南京工業(yè)大學菲涅爾示范裝置用的集熱管也為奧凱利產(chǎn)品?；拭鞴旧a(chǎn)的高溫集熱鍍膜鋼管向德國諾瓦蒂公司供應鍍膜鋼管用于其在西班牙建立的世界上第一個商業(yè)菲涅爾式太陽能熱發(fā)電示范站，已成功運行兩年且實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電。

(2)聚光反射鏡供貨商在國內(nèi)應用最多的是浙江大明、臺玻，這兩個廠家均有出口業(yè)績，并有國外引進的成熟的生產(chǎn)線。蘭州大成、武漢圣普、北京中海洋也有用于光熱發(fā)電反射鏡的產(chǎn)品。在反射鏡規(guī)格和參數(shù)方面，關(guān)鍵技術(shù)為鍍膜，槽式反射鏡的規(guī)格基本上均為標準化尺寸，拋物面開口尺寸為5770mm。 塔式和菲涅爾反射鏡尺寸還沒有標準化，因各家技術(shù)特點，鏡面大小選擇不同。

(3)導熱油換熱、熔鹽儲熱技術(shù)方面：目前國內(nèi)光熱示范電站沒有采用熔鹽儲熱的。我國熔鹽儲熱技術(shù)還在研發(fā)階段，中科院電工所、北京工業(yè)大學均在熔鹽儲熱方面做了大量的研究。目前國內(nèi)槽式電站多數(shù)采用導熱油換熱，陶氏生產(chǎn)的導熱油在全球光熱電站項目中應用較多，陶氏合成有機導熱油最高使用溫度400℃。國內(nèi)的廠家導熱油供貨商也有幾十家，例如無錫曉揚、山東恒利、北京燕山等，高溫合成油最高溫度標牌是300℃以上，但據(jù)了解，一般性能較差，運行溫度基本在300℃以下。

五 熱發(fā)電技術(shù)未來發(fā)展和研究方向

聚光太陽能熱發(fā)電在未來的研發(fā)和應用中，將朝著“高參數(shù)、大容量、連續(xù)發(fā)電、低成本”[5]方向發(fā)展。目前，我國聚光型太陽能發(fā)電還處在示范項目建設(shè)階段，沒有連續(xù)穩(wěn)定運行的示范電廠，國內(nèi)生產(chǎn)的集熱管、聚光反射鏡、導熱油、熔鹽還沒有經(jīng)過項目的連續(xù)長期運行檢驗。

未來幾年的發(fā)展要在提高聚光比、提高運行溫度和提高熱電轉(zhuǎn)換效率方面攻克難關(guān)，在高反射率反射鏡、高精度跟蹤控制系統(tǒng)、高傳熱、太陽能熱電轉(zhuǎn)換等核心技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備方面加大研發(fā)力度；建設(shè)大型聚光熱發(fā)電項目示范工程、增大發(fā)電規(guī)模，加大國產(chǎn)化設(shè)備力度，旨在向攤薄投資成本和單位發(fā)電成本目標發(fā)展。同時因高溫熔鹽具有導熱系數(shù)大、熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性好、質(zhì)量傳遞速度快、溫度極限高等優(yōu)點，是光熱發(fā)電連續(xù)運行的發(fā)展需求，所以蓄熱技術(shù)的研究和攻關(guān)將是光熱發(fā)電商業(yè)化運行的重點研究范疇。

[1] 李和平.加快太陽能熱發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)的研究和開發(fā)[J].高科技與產(chǎn)業(yè)化.2008(11): 27.

[2] 郝雷, 顧寶霞, 王樹茂, 等.太陽能熱發(fā)電的研究現(xiàn)狀與前景展望[J].陽光能源.2009(3): 40.

[3] 許繼剛, 王正.太陽能熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].2009年全國發(fā)電廠熱工自動化年會論文

[4] 王澤凱.太陽能光熱發(fā)電技術(shù)應用與發(fā)展[J].玻璃.2012(6): 30.

[5] 杜鳳麗.太陽能熱發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J] .新材料產(chǎn)業(yè).2012(7):8.