聚光光热发电系统的研究与展望

梁玉红

(湖北汽车工业学院电气与信息工程学院，湖北 十堰 442002)

1 引言

太阳能是取之不尽用之不竭的资源，聚光光热系统发电(CSP)是目前发展迅速的一种太阳能发电技术。它的基本原理是利用汇聚的太阳能光将热量接收器的介质(液体或者气体)加热到非常高的温度，然后把这部分热量转换为机械能，再从机械能转化为电能。相对的，传统晶硅、薄膜太阳能发电和CPV系统发电有较大的区别(图1)。目前主要有4种CSP技术路线，分别是抛物面槽式、集热塔式、线性菲涅尔式、抛物面碟式。其中抛物面槽式CSP系统拥有最成熟的技术和最低的单位建设成本，因此是目前在运行的CSP电站中采用最广泛的技术路线，而这同时也意味着它提高效率或压缩成本的空间已十分有限。

图1 聚光光热CSP发电的能量转换过程

以融盐等新型导热介质替代目前所采用的合成油或许是槽式CSP电站在效率上更上一层楼的唯一方式，但低温凝结、管道腐蚀等问题，仍然是进行这一技术改造所必须面对的障碍。

目前运行中的商业化大型集热塔式CSP电站还不多，规模化以后，定日镜等用量较大的组件将有比较大的成本下降空间;另外，由于管道结构相对槽式系统要简单得多，对其进行融盐化导热介质改造的难度也较低［1～3］。

2 CSP系统分类技术解析与对比

抛物面槽式CSP系统拥有最成熟的技术和最低的建设成本，因此是目前在运行的CSP电站中采用最多的技术路线，而这同时也意味着它提高效率或压缩成本的空间已十分有限。

以融盐等新型导热介质替代目前所采用的合成油或许是槽式CSP电站在效率上更上一层楼的唯一方式，但低温凝结、管道腐蚀等问题，仍然是进行这一技术改造必须面对的障碍。

目前运行中的商业化大型集热塔式CSP电站还不多，规模化以后，定日镜等用量较大的组件将有比较大的成本下降空间;另外，由于管道结构相对槽式系统要简单得多，对其进行融盐化导热介质改造的难度也较低(图2、图3)。

图2 抛物面碟式聚光系统

图3 抛物面碟式CSP电站

线性菲涅尔的CSP系统结构简单、且通过直接以汇聚的太阳光加热水产生蒸汽发电的方式，因此对于小规模系统其建设投资的绝对数额会较小，然后，由于工作效率明显低于另外3种技术路线，实际折合到单位功率的建设成本则一点也不便宜，甚至是4种技术中最贵的。并且，也很难为该类型系统配置储热装置。

改进光学结构的设计或许是线性菲涅尔CSP系统进一步提升效率的唯一出路;发挥其结构简单、建造方便的优点，作为分布式电源对一些电力需求不高的偏远地区进行供电或许是适合该类型CSP电站的市场定位。

从技术的角度看，抛物面碟式CSP系统优势明显:高效率和模块化部署的特点使该技术有足够的理由被看好，实现大规模生产后，如果零部件供应链的配套能够及时跟上，成本也有明显的下降空间。

斯特林发动机并非抛物面碟式CSP系统唯一能量转换方案，目前有些碟式系统开发商也正研究采用微型蒸汽轮机作为热电转换单元，同样能够发挥碟式系统高聚光效率的优势。

模块化部署能力是除碟式系统外的另3种技术路线所不具备的，因此碟式CSP系统是唯一具有“大小通吃”能力的CSP技术，然而由于其本身没有任何储热能力，因此百兆瓦级大型电站的运行效率和经济性仍有待观察(表 1)［4～8］。

表1 4种CSP电站类型的技术特点、性能、及成本对比

3 全球CSP系统电站项目发展现状

CSP装机规模将迎来爆发式增长，各项技术类型占比格局发生明显变化，2006年，随着发达国家对可再生能源使用比例的强制要求和相关激励性合同电价政策的出台，CSP在以西班牙和美国为代表的市场开始兴起。

目前，全球运行中和建设中的CSP电站已分别超过了800MW和900MW的装机规模，规划中的工程(包括已签合同或开发协议的2013年之前动工项目)则高达 12.5GW(图 4)。

据统计，至2011年，西班牙投用新设施后，已超过美国成为世界最大的太阳能光热发电能量生产国。西班牙设置的发电能力已超越了位于榜首位置的美国。加上投用新设施，西班牙现已拥有11套设施在运作，另有 20 套处于建设阶段(图 5)［9～11］。

图4 至2050年全球CSP电站累计装机容量预测

图5 全球GSP电站规模及各种技术类型所占比例

4 结语

从发电成本来看，以平准化电力成本(LCOE)衡量的大型槽式CSP电站发电成本目前处在200～300元/MWh的水平，并主要受电站所在地的直射阳光资源水平的影响。当为CSP电站配置大容量储热系统时，虽然储热系统本身和为其增加的集热场面积将明显抬高电站的单位装机容量建设成本，但由于发电利用小时数的提高，单位电量发电成本的变化将十分有限。长期来看，随着CSP电站成本的逐步降低和火电价格的不断提升，CSP发电的价格优势将逐渐显现。

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