王光伟，苏子秦，陈颖锋，陈 泰

（天津职业技术师范大学电子工程学院，天津 300222）

太阳能光热发电，即太阳能聚光热发电（concentrating solar thermal power，CSTP）是太阳能利用领域的较新课题，在绿色可再生能源中占有一席之地。光热发电是目前太阳能利用领域中发展最迅速、最具研究价值的技术之一，相较于光伏发电，光热发电具有输出连续稳定可调、碳排放量低等独特优势[1-2]。光热发电基于平面镜、抛物镜面或碟形镜面阵列的反射收集太阳能，经吸热/换热介质传热给水，产生蒸汽，推动汽轮机带动发电机发电。CSTP 不用昂贵的光伏发电设备，太阳能发电成本低，过程操作简单，设备经久耐用，显著优势是利用太阳能烧开的水驱动汽轮机+发电机工作，余下的能量存贮于巨型蓄热罐中，在夜间或没有太阳光照时，可用存储的热能继续发电。CSTP电压输出平稳，给当地供电及调峰，也可并网。本文在探讨几种CSTP 系统仿真模型的基础上，结合工程案例分析改进聚光集热器材料、吸热/导热介质和储能系统方案的可行性，并介绍CSTP 领域的宏观政策和技术标准。

1 原理、组成和分类

CSTP 利用聚光器阵列，汇聚太阳光，反射到耐高温集热器上，产生几百度到上千度的局部高温，加热介质（如熔盐或导热油），传热给水，生成高温高压蒸汽，推动汽轮机组运转，带动发电机组发电，该发电系统组成简洁，工艺流程较短。聚光集热器、导热介质、蓄热和保温容器是稳定输出电力的主要因素。

CSTP 系统由反射镜阵列、聚光集热器、传质+传热系统、蓄热系统、汽轮机组、发电机组、阀门、管路及智能控制系统组成。反射镜通常有曲面镜、旋转抛物面和平面镜3 种。CSTP 系统有塔式、槽式、蝶式和菲涅尔式，这4 种发电系统各有优缺点。塔式CSTP 具有聚光比大、运行温度高、系统容量大、热损耗较小和热电转换效率高等优点，但项目前期投入高，应开发新技术和新工艺降低成本。槽式CSTP 系统结构相对简单，技术较为成熟，但是存在聚光比小、工作温度低、真空管加热技术尚待改进、吸热管内表面涂层不稳定等问题。这在一定程度上限制了槽式太阳能发电的推广。碟式CSTP 利用抛物面聚光，其工作原理是把照射到抛物面上的太阳光，汇聚到焦点（通常是斯特林发电机），热能推动斯特林发电机循环运动，将热能转化成机械能，带动发电机运转，把机械能变为电能输出。菲涅尔式CSTP 技术是槽式技术的特例，其基本原理与槽式技术类似，与槽式不同的是使用平面反射镜，其集热管为固定式，菲涅尔式热发电的建设成本相较槽式技术更低一些。在工程实践中应用较多的是塔式和槽式CSTP 系统，系统图如图1 所示。

图1 塔式和槽式CSTP 系统图

目前，塔式和槽式CSTP 实现了商业化，蝶式和菲涅尔式系统处于示范阶段。4 种系统既可以单独运行，也可与燃料混合（如与天然气等）互补系统以及和火力发电厂联合运行，可调度性好，污染物排放量很低，这是突出的优点。槽式CSTP 系统有较高的性价比，塔式热发电技术成熟度不如槽式，但发电容量大，而配以斯特林发电机的可运动抛物面盘式热发电系统虽然技术性能优良，但造价昂贵，当前主要用于边远地区的小型独立供电，大规模应用则略逊一筹。

2 相关技术应用

2.1 塔式CSTP定日镜阵列

在地面上排列定日镜阵列，需考虑3 个因素：充分利用土地，便于地下铺设穿管的线缆，留出适当的维修通道。安装前，实地勘察现场，进行系统优化设计。根据占地面积，初步确定定日镜的个数和行距、列距及朝向分布。定日镜场可等效为太阳灶，镜场的面积决定焦距和聚光比，定日镜的排列方式决定了汇聚太阳光焦斑的大小和集热器可获得的最高温度。所以，先建立数学物理模型，写出经验方程（组），输入相应的参数，利用计算机软件仿真，计算得到最优解，以免疏漏或失误。如李浩[3]在PAnySimu 仿真平台上建立

了基于平行太阳光的定日镜模型，研究了定日镜反射到聚光集热器上能量的变化情况；用Matlab 软件研究了定日镜场余弦效率的分布；计及太阳光的发散性，建立了能流密度光斑成像模型，仿真了单个定日镜反射至吸热器表面的能流分布。贾亚晴[4]建立了塔式CSTP 模型，基于STAR-90 平台，搭建了塔式CSTP 仿真系统，与某350 MW 机组仿真系统相连，构建塔式太阳能光热配套发电系统模型，仿真光热配套电站的运行包括启动、运行、暂停和停止，同时做太阳光辐照度、给水流量、调节阀开度的扰动试验，结果表明模型较好地反映了CSTP 系统以及火电机组的运行情况，其动态特性变化合理；同时，CSTP 系统的运行对火电机组影响很小，火电机组的控制系统不需大的改动即可实现光热配套电站的正常运行。总体上，定日镜场有3 种控制方式：传感器控制、程序时钟控制以及程序传感器混合控制[5]。基于传感器的控制流程图如图2 所示。

图2 基于传感器控制的流程图

光电传感器把太阳光强转换为电信号，经信号处理电路处理后，向控制器发送，将信号与系统设定值比较，超出时，驱动电机和减速器逐步减少偏差，直到入射光路与设定光轴平行为止[6]。

2.2 聚光集热器（吸热器）

固定式聚光集热器的受光面不到表面积的一半，所用材料一般是镍基合金，对其要求是轻质、耐高温、可承载受光面和背光面温差大而产生较大的表层应力[7]。从已投用的塔式太阳能光热发电系统看，熔盐罐泄漏、管道冻盐及结块、阀门泄漏等故障是值得关注的问题。塔式太阳能光热发电站水泥吸热塔从几十米到一百多米高，如在顶端安装旋转式集热器，接受太阳光更均匀，施工难度虽然大，但并非不可能。研究表明，吸热塔高从50 m 增加到150 m，余弦效率平均增大0.4，聚光效率提高；在太阳辐照度降低20%～30%扰动时，扰动幅度越大，汽包出口蒸汽温度和压强下降越大，下降量与扰动幅度具有一致性[8]。

2.3 吸热和导热介质

随着CSTP 工艺技术的发展，系统要求的吸热/传热介质温度越来越高，热导率越来越大。吸热和导热介质常用熔盐，它通过选取不同种类的单晶盐，严格按一定比例，复配成性能稳定的混晶盐。在选用的单晶盐中，一些杂质离子（如Cl-、SO42-、CO32-、NH4+等）含量超标，会使熔盐性能大打折扣，影响传热效率，严重时，腐蚀设备和管路造成熔盐泄漏或者堵塞管路，导致电站瘫痪。对于塔式CSTP 系统，考虑光热转换效率、介质特性、热容量和规模化商业运行等要素，以质量分数分别为0.6 和0.4 的NaNO3和KNO3的混合物作为吸热和导热熔盐，该盐凝固点为220 ℃，最高耐温620 ℃，实际运行温度为290～565 ℃[9]。槽式光热发电常用导热油作为吸热和储热介质，目前在介质温度不高于400 ℃时，通常用联苯-联苯醚导热油。

2.4 智能控制系统

CSTP 智能控制系统包括聚光集热器控制、反射镜跟踪控制和远程控制等。一种CSTP 集热器控制系统能控制集热器在同一纬度上摆动（改变方位角），最大限度接收反射的太阳光[10]。王明达[11]提出太阳能光热发电站整体控制网和定日镜场的无线网控制结构，根据运行模式和定日镜的控制要求，设计定日镜的控制策略；结合无线局域网，提出基于模糊理论的参数自调节PID 算法，运用Matlab/Simulink 中的相关模块设计控制器；基于TrueTime 工具箱，编写源代码，搭建无线网控制的仿真模型，验证了参数自适应模糊PID 算法对电机控制精度更高，更适用于塔式太阳能光热电站无线网络控制系统。

2.5 储能系统及控制

CSTP 储能系统主要由熔盐罐、管路、阀门、循环泵及控制器等组成。熔盐储能是在白天利用太阳能把加热后的熔盐存储并在夜间释放，通过换热产生蒸汽推动汽轮机发电。相对于光伏发电，光热发电储能补齐夜间及阴雨天无法发电的短板，可持续发电和调峰发电。CSTP 全天候运行是其他新能源发电不具备的优势，高温储能是整个系统中最关键的部分，也是新能源电力行业的发展瓶颈之一。据报道，青海德令哈10 MW 塔式太阳能光热发电站，吸热器设计为饱和蒸汽吸热器和过热器，部分饱和蒸汽经过熔盐过热器后推动汽轮机发电；电站的高温熔盐储热系统，有效储热时间2 h 以上，24 h 内熔盐降温不超过10 ℃，实现了单套容量5 MW 时中高温熔盐储热系统正常运行，是我国首座具备熔盐储热的太阳能光热电站[12]。熔盐温度控制要结合传统PID 控制与智能PID 自适应模糊控制，将2 项控制策略置于Matlab/Simulink 平台进行建模与仿真，结果显示，自适应模糊控制策略优势比较明显，能有效控制罐中熔盐温度[13]。一种常见的塔式CSTP 及储热系统如图3 所示。

图3 一种常见的塔式CSTP 及储热系统图

3 宏观政策和技术标准

CSTP 是太阳能利用的新领域之一，已成为市场关注的投资热点。随着CSTP 工艺技术的不断改进和完善，将在我国未来能源战略中起到重要的支撑作用。当前，全球范围内，太阳能光伏发电市场份额远高于光热发电，因为虽然光热发电建成投用后的收益高，但前期投资更高。塔式太阳能电站的定日镜场的聚光倍数可达到500～1 000，要提高发电量，一是增高水泥塔的高度，二是增加定日镜的数量[14]。CSTP 电站建造，首先要做好规划设计，准确掌握当地太阳能和气象资料及历史数据，熟悉可再生能源政策，选择最优的建设方案[15]。2014 年11 月，国家发展与改革委员会公布《国家应对气候变化规划（2014—2020 年）》，提出了限制温室气体排放的9 条措施，指出拓展太阳能热利用技术应用的领域，支持CSTP 项目示范。2016年9 月，国家能源局印发了《关于组织太阳能光热发电示范项目建设的通知》，决定建设一批CSTP 示范项目，全方位、多角度扶持，此举宣告我国光热发电示范项目建设进入新阶段，太阳能光热发电市场激发出新活力。同年，国家发展与改革委员会下发《关于太阳能光热发电标杆上网电价政策的通知（发改价格[2016]1881 号）》，明确2018 年12 月31 日之前建成投用的示范项目执行1.15 元/kW·h（含税）标杆上网电价。根据实际情况，首批示范项目建设期限放宽至2020 年12 月31 日，逾期实行投运项目电价退出机制。

住房和城乡建设部发布公告，自2018 年12 月1日正式实施《塔式太阳能光热发电站设计标准（GB/T 51307—2018）》。该标准由中国电力企业联合会组织，中国能源建设集团有限公司主编，填补了国内外太阳能光热发电站设计标准的空白。该标准是我国第一部同时也是世界首部关于太阳能光热发电站设计的综合性技术标准，其针对塔式太阳能光热电站的工程特性，结合我国国情编写而成，反映了目前国内外太阳能光热发电领域的最新设计理念、要求和技术水平，达到国际领先水平，为我国塔式太阳能光热发电站设计提供了依据，对今后CSTP 领域的相关标准的编制具有指导意义。2018 年，国家电网有限公司通过了《光热发电站接入电网技术规定》企业标准，对光热发电站启动、停机、发电量预测、有功功率控制、无功/电压调节、二次系统、模型和参数、系统入网等方面作出了具体规定，保障了光热发电站规范、有序并网。我国太阳能光热发电技术标准体系如图4 所示[16]。

图4 太阳能光热发电技术标准体系

4 工程案例和光热发电产业

我国首个塔式太阳能光热电站10 年前在北京延庆竣工，该电站具有自主知识产权，装机容量为1 MW，属于示范项目。电站年发电量为270×104kW·h，相当于810 余t 标准煤的发电量（按1 t 标准煤发电3 333 kW·h计算），减排CO2约230 余t、SO2约21 t、氮氧化合物约35 t。该电站的定日镜固定在地面上，有效抵御风、雨、雪、雹的破坏，省去了支架开销。镜面反光材料、聚光集热器、太阳能中高温管路和储能罐实现了国产化，克服了制约CSTP 在中高温领域内应用的技术障碍，为中高温太阳能光热发电系统设备制造标准化开辟了道路。2019 年8 月10 日，我国第1 个百MW 级塔式熔盐太阳能光热电站在甘肃敦煌戈壁滩建成投用。该电站占地7.8 km2，发电场区内安装了超1.2×104面以同心圆排列的定日镜，环绕在260 m 高的吸热塔周围，年发电量约3.9×108kW·h，这是我国自行研发、拥有完全自主知识产权的全球聚光规模最大、吸热塔最高、储热罐容量最大、可实现24 h 全天候连续发电的塔式熔盐太阳能光热电站。每年减排CO2约35×104t，获得相当于666.667 hm2森林的环保效益，创造经济效益3～4 亿元。敦煌百MW 级塔式熔盐太阳能光热电站俯视实景图如图5 所示。从此，我国成为全世界少数几个掌握百MW 级光热电站技术的国家之一。据不完全统计，2020 年，我国太阳能光热发电总装机容量超4 800 MW，步入世界CSTP 强国行列。

图5 敦煌百MW 级塔式熔盐太阳能光热电站俯视实景图

太阳能光热发电产业涉及聚光、中高温热转换、机械传动、传质/传热、储能、发电并网和输配电等技术。CSTP 对于环保以及开拓新能源发挥积极作用[17]，其优点是电能输出平稳，可做基础电力和调峰；可靠的储能（储热）配置可在夜间持续发电。目前，我国存在核心技术不够先进、一些关键设备靠进口和电价偏高等问题。此外，产业链长，投资大，资金回收周期长，虽长期收益可观，还需要政府、高校、科研院所和相关企业合作。太阳能光热电站适合建在人口密度小、日照丰富的地区，因此近10 年内，应把掌握塔式、槽式太阳能光热发电核心技术、关键装备以及在中西部人口稀少地区建造电站作为优先发展方向。

5 结语

太阳能光热发电技术的快速发展和项目投产，对聚光集热器、传质传热、智能监控和储能技术提出了更高的要求。聚光集热器要求更轻质、更耐高温和更抗应力的材料，采用新的集热器制造工艺，开发黏滞系数更小、熔点和热导率更高的熔盐；智能监控需要研发耐受更高温度的传感器，借助网络，通过手机或电脑，实现实时监控和远程监控，这是监测系统正常运行的必要措施。在储能基本满足系统要求的情况下，开发可耐受更高温度、更大热容量的储能介质，又不会对蓄热罐、管路和循环泵等造成不良影响是需要进一步关注的课题。