塔式光热电站现状及技术发展趋势

塔式光热电站现状及技术发展趋势

徐培培苏博

（河北省电力勘测设计研究院河北石家庄市050000）

摘要：本文结合国内外太阳能光热发电技术，重点介绍了该技术的发展现状。根据国内外降低光热发电成本的要求，展望未来塔式光热技术发展趋势，得出通过关键设备国产化，出台电价政策或是电价指导性意见，加快我国塔式热发电进程，最终实现共赢。

关键词：塔式；光热电站

1、前言

当前，在应对能源问题以及全球变暖问题的大背景下，在众多可再生能源类型中，太阳能是未来最理想的能源之一。太阳能光热发电可与储热系统及火力发电结合，实现连续发电，并且稳定性高，兼容性强，便于调节。成熟的火力发电技术降低了太阳能热发电整体技术开发的风险。储热系统的优势可以平滑发电出力，具备参与系统调峰的能力，提高电网灵活性和接纳波动性可再生能源的能力，友好的接入电网。因此，太阳能光热发电被视为未来取代煤电的最佳备选方案之一，已成为可再生能源领域开发应用的热点。

近年来，光热发电发展步伐迅速，太阳能资源开发相对较早的美国、西班牙两国，无论在技术上还是商业化进程，都在全球位列前茅。而我国的光热发电技术起步较晚，但随着太阳能光热发电示范项目和标杆上网电价重磅出台，我国光热发电开启了新的转折，确信太阳能光热发电产业必将在我国能源利用中发挥越来越重要的作用，未来发展前景广阔。

2、塔式光热发电技术现状

目前，根据聚光集热系统的不同，太阳能热发电的代表性技术有：抛物槽式系统、塔式系统、线性菲涅尔系统以及碟式系统。碟式光热技术没有热能储存装置，没有阳光机组就立即停运。目前国内外成熟项目主要集中在塔式熔盐、槽式导热油、线性菲涅尔三种光热发电技术，但菲涅尔式光热发电技术主要研究单位为国内新兴的企业，属于新兴技术，最终试验效果有待验证，未能实现成熟的商业化应用。

本文主要介绍塔式太阳能光热发电技术，此技术主要由聚光集热系统、热交换系统、蓄热系统以及发电系统四部分组成。

2.1聚光集热系统

（1）定日镜

定日镜是塔式太阳能发热系统中最基本的光学单元体，是能量转化最初阶段非常重要的设备。塔式太阳能热发电系统中通常采用几百或几千个定日镜，组成镜场。每面定日镜均通过各自独立的跟踪控制机构连续跟踪太阳的辐射能，并把能量聚焦到塔顶的吸收器上，继而以热能的形式加以利用。定日镜场的合理布置既可以有效的收集和利用太阳辐射能，又能够降低投资成本和发电成本。

（2）吸收器

吸热系统采用多棱柱外接触式吸热器，材质采用镍铬合金材料，吸热器管的最高壁面温度不宜大于650℃，外壁涂用选择性吸收材料以提高吸热器的光热转化效率。电站正常运营中，为了控制吸热器管壁的温度，采用测温装置实时监控吸热器表面的温度分布，根据吸热器的投入能量实时调整熔盐的流量，以保证熔盐吸热器管路的充分冷却，避免超温引起吸热器爆管。

（3）吸热塔

塔的高度决定各个定日镜反射线仰角，增加塔高，可降低定日镜前后排间距，但由于高度增加后，镜面反射角将增加，影响了镜场的利用率，进而镜场面积及形状发生变化。塔高选择是个系统问题，对镜场利用率、镜余弦效率等，都有一定影响，需要进行优化计算。

2.2热交换系统

热交换系统实现了对介质的预热、蒸发、过热和再热。各换热器之间通过合理的连接方式组合在一起，形成蒸汽发生系统。蒸汽发生器用于将熔盐存储的热量加热水产生蒸汽，以驱动汽轮发电机组发电，汽轮机乏汽经冷凝器冷凝后送入蒸汽发生器循环使用。放出热量的传热介质重新回到低温蓄热罐中，再送回吸热器加热。蒸汽发生器的额定新蒸汽参数与汽轮机相匹配，使蒸汽发生器和汽轮机性能达到最优。

2.3蓄热系统

由于太阳能受昼夜和季节等规律变化的影响，以及阴、晴、云、雨等随机因素的制约，其辐射强度也不断发生变化，具有显著的周期性、间断性和不稳定性。为了提高系统发电效率、稳定性和可靠性，降低发电成本，光热电站需设置储热系统，在太阳能不足时释放出来以满足发电需求。实现在不需要化石燃料补充的情况下连续稳定发电。储热系统对非连续的太阳能辐射起到平抑作用，确保发电系统的安全性，并且提供更多的运行时间，保证系统稳定运行。

2.4发电系统

根据太阳能光热发电原理采用“光－热－电”的发电方式，成千上万的定日镜把太阳光反射到位于太阳塔顶的吸热器表面，形成800℃以上的高温。通过传热介质产生500℃以上的蒸汽，推动蒸汽轮机发电。发电部分与常规火电机组发电基本一致，本文不再赘述。

3、塔式光热电站发展趋势

现在国内外已有数个光热电站投入商业运行，但成本高，电价高，还要靠政府补贴，这严重制约了光热大规模推广。如美国现在太阳热发电厂基建投资为每千瓦4000~8500美元。而在中国，适用于国家能源局2016年组织实施的示范项目的核定太阳能热发电（含4小时以上储热功能）标杆上网电价为每千瓦时1.15元。

根据美国2011年美国能源部制定了“SunShot”计划，目标是到2020年太阳热发电电价降到6美分/千瓦时[1]。根据我国发布的《国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》，我国光热发电将得到积极推广，到2020年上网电价有望降至0.8元/千瓦时[2]。

要实现发电成本及电价降低，就要提高动力机械的循环效率；提高传热流体的温度；把储热系统工质和传热流体一体化等。其中最关键的是提高热机的循环效率，目前正在研究的具体方案是采用“超临界CO2布雷顿循环”。

超临界CO2是气态和液态并存的流体，密度接近于液体，粘度接近于气体，扩散系数约为液体的100倍。其临界条件容易达到，化学性质不活泼，无色无味无毒，安全，价格便宜，纯度高，且易获得。超临界CO2作为循环工质和传热流体，用于太阳热发电，可做到运行温度高于蒸汽，在温度较低条件下效率又比氦气的布雷顿循环高。

整体来看，超临界CO2循环系统的研发在全球范围内目前仍是一个新课题，但其优良的特性和对发电技术可能带来的颠覆已经受到了越来越广泛的认知，其技术研发和商业化应用进程的速度也正在逐步加快。反观国内，国内电力系统目前对超临界CO2循环技术的认识还处于十分初级的层面，对该系统进行研发和示范的机构也少之又少，这一点应引起我们的足够重视。

4、结论

总体来讲，中国的太阳能热发电产业还刚刚起步，中国的气候和环境特点决定了光热发电技术路线将向高聚光比、高光热转换效率的技术倾斜，电站建设也将向规模化发展。而塔式熔盐技术也存在一些特有的问题：如熔盐塔的凝固问题。因此在塔式光热电站实际运行中，优化预热、进盐及疏盐策略，增加自动检测及判断机能是必要且必须的。

为了实现太阳能热发电无补贴发展，发展新型光热发电技术，实现关键设备国产化是必要的手段。加快出台电价政策或是电价指导性意见，根据我国光资源分布情况，建立各地光热电站建设标准。利用我国巨大的产业与产能优势，加快我国光热发电进程，实现共赢新局面。

参考文献

[1]超临界CO2循环或带来光热发电技术革命.

[2]金建祥.中控德令哈10MW塔式熔盐光热电站运行经验[R].甘肃:CSPPLAZA光热发电媒体平台，2016.