大卫与露茜儿派克德基金会 威廉与弗洛拉休利特基金会 气 候 工 作 基 金 会 能 源 基 金 会 合盟中国太阳能集热发电的可行性 及政策研究报告 中国科学院清洁能源技术发展中心 二零零九年十二月 II I项目参加人员 李德贵，中国科学院清洁能源技术发展中心（ CCET, CAS） 龚思源，中国科学院清洁能源技术发展中心（ CCET, CAS） 田丰，中国科学院清洁能源技术发展中心（ CCET, CAS） 赵丽凤，中国科学院工程热物理研究所（ IET, CAS） 肖飞，中国科学院清洁能源技术发展中心（ CCET, CAS） 满燕微，上海联和投资有限公司 SAIL 专家顾问 肖云汉，中国科学院高技术研究与发展局（ BHT, CAS） 王志峰，中国科学院电工研究所 IEE, CAS II III致谢 感谢美国能源基金会（The Energy Foundation）中国可持续发展能源项目（The China Sustainable Energy Program）对于本项目所提供的资助。特别感谢 Ryan Wiser，Ric O’Connell，Wen Zhang等专家，在项目过程中所给予的无私 的合作与分享，感谢你们对项目所做出的一切极富价值的、极其出色 的贡献与建议。同时感谢美国能源基金会北京办事处的管理和工作人员，王万 兴，芦红，王曼等对于项目的协调、帮助和支持。正是你们 共同的帮助和努力，使得这个项目得以顺利与成功进行。 此外，感谢中国科学院电工所的王志峰博士的研究团队，以及其它各位专家， 对于项目所做出的工作， 以及提出的富有建设性的意见。 IV V摘要 本项目由能源基金会中国可持续能源项目 CSEP 委托进行， 旨在研究 CSP在中国发展的可行性，并为政府制定 CSP 激励政策提出建议。 太阳能集热发电（ Concentrating Solar Power, CSP）是一种可集中进行规模化发电的清洁能源方式。上个世纪 70 年代暴发的石油危机使得 CSP 发电作为一种替代能源方式得到各国政府的重视，最早一批商业化的 CSP 电厂由此得以兴建，并运行至今。这些电站的成功运行验证了 CSP 技术上的可行性。虽然目前 CSP发电的成本仍高于传统化石能源发电，但未来随着技术的成熟和规模化的应用，CSP 发电的成本有望降低到和传统化石 能源相当的水平（本项目中通过对 CSP电站模型的经济性分析对此进行了说明） 。 作为一个化石能源相对贫乏的国家，发展 CSP 对中国有着重要的意义。本项目对中国集热发电的资源潜力和技术发展情况作了分析。我们借助BLACKVEATCH 协助本项目所做的一个简化的地理信息系统分析 （ Geographic Ination System, GIS） ，对中国的太阳能集热发电潜力进行了估算。中国符合太阳能集热发电基本条件（即 DNI≥ 5kWh/m2-day，坡度小于 3）的太阳能集热发电可装机容量约有 16000GW，与美国相近，远超过西班牙。以年发电量来讲，中国潜在的太阳能集热可发电量为 42000TWh/年，远大于目前的年用电需求3427TWh/年。 在技术方面， 虽然我国太阳能热发电技术的实际应用尚在起步， 但国家从 “七五”期间就已经开始设立有关太阳能集热发电技术项目以对其进行技术跟踪。因而在太阳能集热发电的单元技术和人才培养上，积累了一定的基础。我国科学家目前已经掌握了一批太阳能热发电的关键技术。例如，中科院电工所建立在北京延庆的“太阳能热发电技术及系统示范项目”是目前国内乃至亚洲唯一的一座兆瓦级的太阳能热发电示范项目。 该电站中的所有技术和装备都将是完全自主知识产权，已申请专利 34 项。 本项目还研究了在推进大规模 CSP 发电中可能会遇到的障碍因素，如高额初始投资、太阳能发电的间歇性、土地要求、电网输送、政策风险等等。从我国VI 太阳能资源的分布来看，我国最适合建设 CSP 电站的地方多半集中在西部人口稀少的地区，因此土地使用成本相对较低。由于中国太阳能资源的分布不均匀、远离用电中心的特性，电力传输必然造成成本增加，对未来中国 CSP 的发展可能会造成一定的障碍。虽然在电力输送方面，中国电网基本属于国家管理，不像国外完全由私人企业分割控制，在统一规划上会具有一定的优势。我国未来还将建设全国性的智能电网，解决新能源发电的间歇性问题。 本项目还结合 CSP在中国的发展情况提出了中国 CSP阶段性发展的路线图，分析了 CSP 在中国的发展前景。 目前 CSP 技术发展还不成熟，因此其发电成本仍远高于传统化石能源发电。再加上建设 CSP 电站初始投资过高，因此 CSP 发电在实现大规模应用和自由市场化发展之前，仍需要政府相关政策的引导和支持。在报告后半部分，我们参考了世界各国的新能源激励政策，分析了中国现有的政策基础，最后结合我们提出的中国 CSP 阶段性发展的路线图， 为政府制定 CSP 相关的激励政策提出了建议。 VII目录 第一章 背景 1 第二章 资源潜力 .4 第三章 太阳能集热发电技术发展概况 .10 第四章 太阳能集热发电的商业化 17 第五章 太阳能集热发电的驱动因素以及障碍风险分析 .27 第六章 CSP 的成本与电价分析 33 第七章 光热与光伏商业化的竞争分析 .45 第八章 中国太阳能集热发电的技术及装备制造水平概况 48 第九章 中国太阳能热发电的成本研究 .55 第十章 北京延庆八达岭 1MW 塔式发电示范项目 .61 第十一章 中国太阳能集热发电发展的路线图 64 第十二章 国外的可再生能源政策分析 .74 第十三章 中国现有的政策基础和分析 .78 第十四章 政策建议 84 参考文献 89 VIII IX表格索引 表 1 中国可再生能源的资源可开发量 4 表 2 中国、美国和西班牙的太阳能集热发电的资源总潜力 7 表 3 按 DNI 值分类，中国各省份的太阳能集热发电的资源分布 8 表 4. SEGS 电站的历史和运行参数 20 表 5 用来分析的槽式电站的基本数据 34 表 6 槽式支架成本比较 34 表 7 槽式的吸热器成本比较 35 表 8 槽式聚光镜的造价比较 35 表 9 太阳能其它辅助设施的成本比较 36 表 10 电站发电部分的成本比较 37 表 11 双罐式热储存系统成本明细 37 表 12 热储存成本比较 38 表 13 槽式太阳能热发电电站的的固定资产成本投资的比较 38 表 14 槽式太阳能热电站的年运行和维护费用（ OM ）比较 39 表 15 槽式电站的 LCOE 比较 （crf9.37） 39 表 16 太阳能塔式发电的固定成本比较 40 表 17 塔式运行和维护成本的比较 41 表 18 太阳能塔式热发电的平准化成本 LCOE 的比较 crf 9.37 42 表 19 SargentLundy 对太阳能集热发电技术的 LCOE 的预测 .43 表 20 内蒙古与德国 Solar Millennium AG 合资 50MW 槽式项目的预期国产化比例 53 X 表 21 CSP 投资成本中相关产品与服务价格的对比 55 表 22 中国槽式电站成本与欧美的比较 .56 表 23 中国与德国的人员在开支上的对比 57 表 24 关于对 CSP 的规模的预测对比 64 表 25 2030-2050 年间，新增 CSP 发电量在总的发电增长量中所占的比例72 图形索引 图 1 太阳能集热发电示意图 10 图 2 槽式发电系统 11 图 3 菲涅尔发电系统 12 图 4 塔式发电系统 13 图 5 西班牙 PS10 塔式发电站（ 11MW） 13 图 6 斯特林（碟式）发电系统 14 图 7 当前世界范围内的太阳能集热发电的装机情况（按国家分类） 17 图 8 当前世界太阳能集热发电的装机容量的技术占比情况 17 图 9 世界范围内在建的太阳能集热发电的容量（按国家分类） 18 图 10 世界范围内在建的太阳能集热发电的装机容量的技术占比情况 18 图 11 世界范围内宣布的规划中太阳能集热发电装机容量（按国家分类）19 图 12 世界范围内已宣布的规划中太阳能集热发电装机容量的技术占比情况 19 图 13 位于 Kramer Junction 的 SEGS III 到 SEGS VII 的空中俯瞰景象 .21 图 14 Nevada Solar One 21 XI图 15 西班牙 Andasol 1 （ 50MW）槽式发电站 .22 图 16 Solar Two 的接收塔和定日镜 23 图 17 西班牙塔式太阳能热发电站 PS10 24 图 18 PS10（左）和 PS20.24 图 19 西班牙 Andasol1（ 50M）电站的投资组成 28 图 20 到 2010 年中国规划的 HVDC/AC 传输网络 30 图 21 2015-2020 年中国规划的 HVDC/AC 传输网络 31 图 22 太阳能集热发电的价值链 32 图 23 ESTELA 对太阳能槽式发电预测的至 2025 年的成本降低情况 .43 图 24 不同太阳能集热发电电价降低的原因，按技术分类所占的比例 .44 图 25 中国的太阳能槽式热发电固定投资的基本组成 56 图 26 100MW 的北美槽式太阳能热发电站的日常运行和维护费（ OM ）的分布 57 图 27 中国太阳能热电站的日常运行和维护费用（ OM ）的分配比例 58 图 28 到 2020 年槽式电站的成本降低趋势 59 图 29 三种情景之下的中国太阳能槽式热发电的成本预测 .59 图 30 IEA 对于中国电力需求增长的预测（ TWh） .65 图 31 CSP 在中国发展规模的预测（保守情况） .71 图 32 CSP 在中国发展的规模预测（常规情况下） 72 XII 1第一章 背景 1.1 太阳能集热发电世界未来能源版图中的重要角色 作为一种可集中进行规模化大型发电的清洁能源方式，太阳能集热发电（ Concentrating Solar Power, CSP） 近期在全球范围内掀起了一股新的投资和建设热潮。根据国际绿色和平组织、欧洲太阳热电协会和国际能源署下属的太阳能热动力和太阳化学能系统计划（ SolarPACES Program）在 2009 年世界太阳能集热发电概况中的预测，如果发展顺利，到 2030 年，太阳能热发电有可能满足全球 7的能源需求， 2050 年时甚至可满足高达 25的全球能源需求1。美国华盛顿地球政策研究对太阳能集热发电所做出的预测则更为乐观， 他们预测在未来5 年内，全球的集热型太阳能发电能力每隔 16 个月就将翻一番2。基于中国现有的太阳能集热发电的技术和商业化水平，太阳能集热发电在中国，极有可能会先经过技术验证（ 2010-2015 年）、商业起步（ 2016-2020 年）、规模化商业发展（ 2021-2030 年）的阶段性的发展过程，最终进入自由市场竞争阶段 2030 年 -。到 2050 年，我们预计太阳能集热发电可满足中国大约 8的电力需求。到那时，中国的 CSP 技术将与世界一起，成为能源版图中重要的组成部分。 1.2 历史和现状 全球对能源安全和能源环境危机的认识是太阳能热发电的根本动力 从 1998-2008 年， OECD 国家和地区使用的能源占年消费总量的 54，但是OECD 国家人口不到世界人口的 16（ BP 世界能源统计 2009） 。显然，依赖化石能源支持经济增长的方式无法使全球人口实现工业化。另一方面，全球对气候变化问题终于从怀疑走向行动。为了避免走上气候变化的不归路，保障地球和人类的可持续发展，世界各国再次把目光转向清洁的可再生能源。 从太阳能集热发电的技术和商业化情况来看， 太阳能集热发电并不是一种新的技术。上个世纪 70 年代暴发的石油危机开始迫使人们寻找其它可替代能源，太阳能集热发电因此得到各国政府的重视， 最早一批商业化的太阳能热发电厂由此得以兴建，并运行至今。太阳能集热发电在经历了 80 年代的第一次起飞之后，由于石油价格回落，能源的政治敏感度相应降低，而太阳能集热发电自身，又面2 临着单位投资大，短时间内缺乏必要的降低成本的技术突破等问题，发展渐趋缓慢，十几年中甚至接近于停滞。近年来，由于能源安全和环境问题，各国相应的经济扶持和激励政策相继出台，太阳能集热发电产业也随之再次升温成为热点，为 2008 年后一度低迷的世界经济大背景带来了新的刺激和产业希望。如果我们对太阳能集热发电的历史发展轨迹认真检视的话，会发现，太阳能集热发电产业的起伏涨落，和政府对于可再生能源的重视以及政策的推动是息息相关的。 1.3 中国太阳能集热发电还须快速发展才能赶上世界的脚步 相比起来，我国对太阳能热发电技术的研究起步较晚， 20 世纪 70 年代才开始一些基础研究。 20 世纪 80 年代初，湘潭电机厂与美国太空电子公司合作，试制了 2 台 5KW 碟式抛物面点聚焦太阳能热发电装置。但由于价格过高，加上工艺、材料、部件及相关技术等没有得到根本解决，而未能得到推广使用。国家“ 八五”计划安排了小型部件和材料的攻关 项目，于中国科学院电工研究所内建成了小型抛物面槽式真空管高温集热装置。 南京江宁地区与以色列合作在 2005年建立了国内第一座塔式的 70KW 的示范装置3。 2009 年 3 月由中国科学院电工所主持的第一个兆瓦级的塔式示范电站开始建设动工。而商业化项目，目前进入实质项目审批阶段的只有内蒙古与 Solar Millennium 共同开发的 50MW 的槽式发电项目。随着近期清洁能源产业的升温，更多的商业化项目的意向被各方在各地纷纷提出，但总体来说，中国的太阳能集热发电的商业化应用，还在起步阶段。如果说，现今的太阳能集热发电产业，不约而同地被世界上多家与能源相关的权威评测机构， 诗意而热情地描写为一个沉睡了十几年， 正在迅速觉醒的巨人的话，那么中国的太阳能集热发电离成长为这样举足轻重的巨人，还有很长的路要走。但是如果给予适当的政策扶持和鼓励，一旦经 过最初的技术验证和初步发展阶段，我们预测在中国，到 2020 年，太阳能集热发电有可能经历与风电和光伏产业类似的爆发式发展，成为新能源中替代传统 大型集中式发电的主力。到 2050年，有可能满足全国电力需求的 8甚至更多。 1.4 中国太阳能集热发电的发展在前期 离不开政策的推动和支持 由于现阶段环境污染和治理的成本因素并没有反映到传统化石能源发电的价格上，如果没有政府政策的干预，单纯依靠市场自身调节，新能源在价格上还3缺乏和传统能源竞争的能力。 和火电相比，虽然在运行阶段，太阳能集热发电不像火电那样需要燃料才能运行，电站本身的维护运行成本较低，尤其是在固定资产投资全部回收之后，在设备的维修和维护费用之外，因为无需燃料成本，营运的利润更是远大于一般的火电厂。但是太阳能集热发电技术还未成熟，产业还在起步阶段，设备制造未到达规模经济，因而造成初始投资成本和单位发电成本远高于火电。 因此，政府政策支持和扶助则是必不可少的。 有关政府政策的制定，我们会在报告的后部，结合我们提出的太阳能集热发电阶段性发展的路线图，提出更为详尽的建议。 4 第二章 资源潜力 2.1 中国是一个太阳能资源非常丰富的国家 相比于其它可再生能源，太阳能取之不尽，用之不竭。太阳能每秒钟到达地球的能量达 8 1013kW，如果我们可以把地球表面仅仅 0.1的太阳能转为电能，转化率为 5，每年的发电量即有望达到 5.61016kWh，相当于目前全世界能耗的40倍。 中国是一个太阳能资源非常丰富的国家。 全国陆地面积接受的太阳能辐射能约为 17000亿吨标准煤。其中年日照时数大于 2200h，辐射总量高于 5000MJ／ m2的太阳能资源丰富或较丰富的地区约占全国总面积的 2／ 3以上， 具有良好的太阳能利用条件。特别是人口密度稀少的西北，青海、西藏等地区，更具有发展大规模的太阳能集热电站的潜力。 表 1 中国可再生能源的资源可开发量 种类 资源可开发量 折合标准煤 （亿 tce）太阳能 17000 亿 tce 17000 风能 10 亿 kW 8 水能 经济可开发 4.0 亿 kW 技术可开发 5.4 亿 kW 4.86.4 生物质发电 3亿秸秆 3 亿吨林业废弃物 1.53.03.5 液体燃料 5000 万吨 0.5 沼气 800 亿 m30.6 生物质能总计 4.6 地热能 33 亿 tce 33（但适用于发电的少）根据国家统计局在 2009年 12月 25日发布的第二次全国经济普查结果4，中国52008年一次能源生产总量为 26.5亿吨标准煤，能源消费总量为 29.1亿吨标准煤。如果参照国家发展改革委员会在 2007年发布的可再生能源中长期发展规划中所罗列的各种资源的可开发量（表 1），我们可以看出，太阳能是唯一在数量上能够完全满足中国未来能源能源消耗的可再生能源。 其次，根据国土资源部发布的 2004年国土资源公报，全国荒漠化土地面积已达 262万平方公里，占国土面积近三分之一。每年新增荒漠化面积 2400多平方公里。大部分在太阳能资源丰富的西部地区，仅新疆地区 166万平方公里的土地面积中就有荒漠戈壁 111万平方公里5。 下面，我们将借助 BLACKVEATCH 协助本项目所做的一个简化的地理信息系统分析（ Geographic Ination System, GIS） ，通过其分析假设和数据结论的简要说明，对中国的太阳能集热发电潜力来做一个粗略的量化的估算6。 2.2 中国太阳能集热发电的潜力 2.2.1 太阳集热发电的选址条件 太阳能集热发电和太阳能光伏发电不同，只能利用太阳法向直射辐射 Direct Normal Insolation，简称为法直辐射 , DNI 。因此， DNI 数值是太阳能集热发电站选址布局的首要依据。其次，太阳能集热发电对地面坡度有比较严格的要求。槽式发电系统一般要求地面坡度不得大于 1，塔式发电对地面坡度的要求相对宽松一些。在本模型中，坡度大于 3的地面被视为完全不适合发展太阳能集热发电（有坡度的地面虽然可以进行人工整平，但对于建电站所需的大面积土地来说，这么做显然缺乏经济适用性）。此外 , 电站选址还需要通过地理信息系统所提供的信息，将水体、流沙、沼泽、森林、盐盆，以及城市，自然保护区、矿区等不适合发展太阳能电站的地方扣除。如果电厂采用水冷方式冷却的话，则对附近水资源的可取性也有一定的要求。 2.2.2 GIS 分析的基本假设 在本文计算中， 采用的是由美国 National Renewable Energy Lab根据天气日辐照模型（ Climatological Solar Radiation Model）提供的分辨率为 40km 40km的DNI数据，其中已经考虑了云遮盖、水汽、气溶胶、和痕量气体等因素。由于在6 本文中的 GIS分析还只是比较粗略的估算，很多可影响到电站选址以及上网电价的因素，如当地的水资源供给、人口密度、距交通干道和电网的距离等，为了简化原因，并没有包含在当前的评价系统当中。 下面是 GIS分析中所做的一些假设 z DNI 值的简化处理 为了简便，如果某地区的日 DNI 量小于 5kWh/m2-day 的话，在分析中被忽略不计，即 0kWh/m2-day；对于 DNI 数值在 5-6 kWh/m2-day 范围内的地区，计算时被统一简化为 5.5 kWh/m2-day；同理， 6-7kWh/m2-day 被简化为 6.5 kWh/m2-day； 7-8 kWh/m2-day 被简化为 7.5kwh/m2-day； 8-9 kWh/m2-day 被简化为 8.5 kWh/m2-day， DNI 在 9 kWh/m2-day 以上的被统计为 9 kWh/m2-day。 z 坡度的简化处理 对于坡度小于 3的，我们认为此地区是 100可为太阳能集热电站所用；坡度大于 3的则为彻底不可用，全部被忽略。 z 自然和经济原因造成的土地可使用程度 城市、 水体、 矿区 （正在开采区与矿藏区） ， 和受保护地区 （如自然保护区） ，均不做考虑，土地可用率被视为零。沙漠和荒原则按照 100可用来处理；草地、牧区、农业区做 50考虑；森林和灌木区，可用率被定为 10。 在扣除了上述使用率折扣之后， 就是综合考虑了坡度和自然经济因素的可用于太阳能集热发电的土地使用面积。 例如，在西藏自治区内，日平均法直辐射量在 7-8kWh/m2-day 之间的土地面积为 38,260km2，其中坡度小于 3的土地面积为 22,726km2，而在这其中又有20,736km2为草地，由于草地的利用率被估计为 50，那么在乘以 50的系数以后，在西藏自治区，日平均法直辐射量在 7-8kWh/m2-day 之间，适用于太阳能集热发电的有效总面积共计为 10,368km2。 z 太阳能集热发电站的效率 在计算中， 我们将太阳能发电站的光电转化效率假设为在现阶段比较典型的7不带储能装置的槽式 CSP 的发电效率，即 15。并且，在经过上述 GIS 分析的假设后得出的适用于发展太阳能集热发电站的面积， 与其中真正用于收集阳光的有效面积的比例， 即一个发电厂中所安装的聚光镜面积和发电厂总面积之间的比例，被定为 25。此外，太阳能集热电站的装机容量 与地面面积的比率估算为30MW/km2。 z 太阳能集热发电的可年发电量和潜力估算 基于上面的假设， 我们可以根据可用于发展太阳能集热发电的有效土地面积和 DNI，乘以转化效率等，来估算中国太阳能集热发电的潜力 年发电的瓦时数 地区内 CSP 有效面积 DNI电厂发电效率 如槽式无储能 15聚光镜占发电厂总面积的比例（如 25） 发电潜力（瓦） 地区内 CSP 有效面积 CSP 电站的容量与地面的比率（如30 MW/km2） 2.2.3 GIS 的分析结果 采用上述相同的假设和计算方法，对中国、美国和西班牙做出的 GIS 分析结果显示（表 2），相对于美国的 15000GW 和西班牙的 720GW，中国符合太阳能集热发电基本条件，即 DNI≥ 5kWh/m2-day，坡度小于 3的太阳能集热发电可装机容量约有 16000GW，与美国相近。以年发电量来讲，中国潜在的太阳能集热可发电量为 42000TWh/年，远大于目前的年用电需求 3427TWh/年。 表 2 中国、美国和西班牙的太阳能集热发电的资源总潜力 GW TWh/年DNI≥ 7 kWh/m2的功率（ GW） 中国 16,000 42,000 1,400 美国 15,000 40,000 1,300 西班牙 720 1,900 0.7 这意味着，即便在未来，所有的化石能源枯竭之后，中国仍然有着远大于自8 给自足能力的丰富的太阳能集热发电资源。因此，发展太阳能集热发电，对于保障中国未来的能源安全，具有深刻的战略意义。 表 3 按 DNI 值分类，中国各省份的太阳能集热发电的资源分布 5-6 kWh/m2-day 6-7 kWh/m2-day 7 kWh/m2-day 省份 GW TWh/yr GW TWh/yr GW TWh/yr 内蒙古 6,000 15,000 59 170 0 0 新疆 4,300 11,000 400 1,100 340 1,200 青海 2,000 4,900 720 2,100 31 100 西藏 320 770 300 860 1,100 3,900 甘肃 440 1,100 15 42 0 0 四川 56 140 0 0 0 0 河北 26 64 0 0 0 0 山西 18 44 0 0 0 0 陕西 9 21 0 0 0 0 黑龙江 7 17 0 0 0 0 吉林 4 10 0 0 0 0 总和 13,180 33,000 1,500 4,300 1,471 5,200 由表 3 可见，中国太阳能集热发电的总体潜力位居前五位的省份，分别是内蒙古、新疆、青海、西藏和甘肃。其中西藏具有高品质的太阳能集热发电资源，拥有 DNI 大于 7kw/m2-day 的总功率数为 1100GW，占全国总数的 78.5，在各省中遥遥领先。总体而言， GIS 分析得出结论与以前的中国太阳能资源调查基本一致，即中国太阳能资源丰富，且主要集中在内蒙古、新疆、青海和西藏这些人口稀少，地理位置比较偏远的省份。 9我国目前全面研究太阳能热发电站选址的科研成果不多。 中国科学院地理科学与资源研究所王劲峰的课题组根据影响选址决策的因素， 提出了自己的一个综合决策支持系统框架。并根据 GIS 系统和遥感系统，设计了对太阳能法直辐射的调查方案和实验7。 10 第三章 太阳能集热发电技术发展概况 3.1 太阳能集热发电是光转化为热， 然后再经由传统热发电的太阳能利用技术 传统的火力发电是通过燃烧，把化石中储存的能量，转化为热能，再转化为电能。 而太阳能集热发电则是通过数量众多的反射镜， 将太阳的直射光聚焦采集，通过加热水或者其他工作介质，将太阳能转化为热能，然后利用与传统的热力循环一样的过程，即形成高压高温的水蒸气来推动汽轮机发电机组工作，最终将热能转化成为电能。正是通过这样的环节，太阳能集热发电技术可和传统火电发电技术顺利地集成在一起。由于火电发电技术早已非常成熟，从而降低了太阳能集热发电整体技术开发的风险。更重要的是，利用热能发电的形式也使得 CSP 在能量储存和联合发电方面具有了独特的优势，是实现将来全天候 24 小时连续发电的根本基础。 图 1 太阳能集热发电示意图 3.2 四种主要的太阳能集热发电方式 目前，比较常用的一种分类方式，是根据对太阳能的采集方式的不同，把太11阳能集热发电主要可分为槽式、菲涅尔式、塔式和斯特林（碟式）发电系统。其它的还有太阳烟囱式发电系统，由于其占地过大，将来大规模商用的可能性比较低，在此不做讨论。 z 槽式系统是目前四种太阳能集热发电方式当中 ，技术成熟度和商业化验证程度最高的 槽式发电使用抛物面（ parabolic）长槽型 trough的聚光器和吸热管；工作介质一般在 400 C。采用合成油、熔盐等作为工作介质的双回路系统技术成熟。应用的代表案例有从上世纪 80年代到 90年代在美国在加州莫哈维沙漠 （ Mojave）建造的由 9 座电站组成的 354MW 的 SEGS 系列电站、西班牙 Andasol 1 号（ 50MW） ，和美国的 Nevada Solar One（ 64MW） 。 图 2 槽式发电系统 z 菲涅尔系统就是简化了的槽式系统 菲涅尔系统其实就是用一组平板镜来取代槽式系统里的抛物面型的曲面镜聚焦。 通过调整控制平面镜的倾斜角度， 将阳光反射到集热管中， 实现聚焦加热。为了简化系统，一般采用水 /水蒸气作为吸热介质（油和熔盐介质在技术上也是可行的） 。相比于抛物面式的曲面镜，平面反 射镜制造难度低，因此大大降低了初始投资成本，但聚焦精度比槽式差。目前菲涅尔还在示范阶段，没有商业化运行的电站。 12 图 3 菲涅尔发电系统 z 塔式系统已经进入了商业化示范阶段 塔式系统利用多面定日镜跟踪太阳光， 将阳光反射并集中到接收塔的顶部的吸热器。吸热器中的工作介质的温度在 500 C-1000 C。相对于槽式系统，由于省掉了管道传输系统，热损失小，系统效率高，也更便于存储热量。塔式的工作介质可用空气、水或者水蒸气、以及熔盐。商业化初期的电站为了降低技术风险，多用水、水蒸气作为工作介质。熔盐应该为大型商业化塔式系统的选择。 美国在 20 世纪 80-90 年代建立了 10MW的 Solar One， 后来演化为 Solar Two。 2007 年西班牙 11MW 的 PS10 电站投入运行，标志着该技术进入商业化示范阶段。 2009 年 4 月， 到目前为止世界上最大规模的塔式电站 20MW 的 西班牙 PS20并网发电。 13图 4 塔式发电系统 图 5 西班牙 PS10 塔式发电站（ 11MW） z 斯特林（碟式）系统适合小型的分布式发电 14 图 6 斯特林（碟式）发电系统 和其它太阳能集热发电系统不同，斯特林（碟式）系统是由斯特林发动机实现由热能到机械能的转化，而不是汽轮机。它外形类似一个卫星接收器，是利用旋转抛物面反射镜，将入射阳光聚集在焦点上，放置在焦点处的太阳能接收器收集热能，加热工质，从而驱动斯特林发电机组发电。这种系统规模较小，高效、模块化，可以灵活单独使用或 者集成使用。单机功率在 5-50kw，但聚焦温度可达 750 C-800 C，光电转化率高，可达 29，主要缺点是单位投资高，多用于在边远地区或者野外单体或多体串联分布式发电。 如果用于大规模集中式发电的话，其初始投资成本高的问题则更为显著。 3.3 四种集热发电技术各有特点，各有所长 槽式和菲涅尔都属于线式聚焦系统， 结构相对简单。 耗材少， 结构部件简单，易于实现工业上标准化批量生产和安装。对太阳的跟踪一般采取单轴跟踪，多个聚光集热器单元只作同步跟踪，跟踪装置也可大为简化。但系统结构庞大，抗风性略差。而塔式和斯特林碟式则为点式聚焦系统，采用双轴跟踪的方式，使得镜子的控制系统更为复杂。塔式太阳 能热发电站镜场中的众多定日镜 ,每台都必须作独立的双轴跟踪。槽式的单轴跟踪的精度低 , 使得余弦效应导致的对光的损失更高，每年平均可达到 30。但在跟踪精度要求不高或阳光充裕的地方可以优先考虑槽式8。 其次，由于线式聚焦比点式分散，散热面积也大，尽管槽式吸热管设计了真15空层以减少对流带来的损失， 但其辐射损失仍然随温度的升高而增加， 热损耗大。且线性的聚光比小，一般在 50 左右，塔式可到几百，斯特林的聚光比在可从几百至上千。因此，槽式和菲涅尔的传热介质一般在 400 C 左右，属于对太阳能的中低温利用；而塔式和斯特林的聚焦温度则可高达 1000 C。高工作温度不仅对于提高发电效率具有重要的意义，更重要的是具有了提供热储存的温度区间，以备阴天或者调峰发电。 此外，为了保障运行效率，槽式必须使用利于维持高温的真空管作为吸热部件，而塔式可以使用非真空的吸热器进行光热转换，因此热交换部分的寿命优于依赖于真空技术的槽式聚光系统。槽式和菲涅 尔对于地表倾斜度的要求也比较高，一般地面坡度不得超过 1。而塔式对于地面坡度的要求则会稍为灵活一些。 3.4 太阳集热发电技术的发展趋势 针对槽式系统相对简单的特点，为了降低成本，槽式发电的一个思路是向更为简单的系统发展（菲涅尔系统就是对槽式系 统进行简化的极端例子） 。例如不进行热储存，直接用水 /水蒸汽做工作介质 Direct Steam Generation， DSG，双回路系统简化为单回路系统，这样在系统中就可以省略掉换热过程和装置。另外槽式还可考虑采用和传统化石能源混合发电的方式来维持电站的全天候工作， 从而有效地降低成本。而塔式则向增加规模和储能装置发展，以储能来克服太阳能电站对于天气的依赖，实现电站的全天候运行9， 10。 3.5 太阳能热功转换系统 太阳能集热发电不仅在采集太阳能的方式上有多种方式， 按照热功转换系统的不同也有所区别， 主要为 Rankine 循环 汽轮机 、 Brayto 循环 燃气轮机 、 Stirling循环 斯特林机 、 Ott 和 Diesel 循环 内燃机 以及 Integrated Solar Combined Cycle Systems（ ISCCS）整体太阳能联合循环系统等11。目前比较常规的热功转换系统为 Rankine 循环 汽轮机 ，即使用水 /蒸汽作为做功工质。 Rankine 循环 汽轮机 的热功转换效率一般为 40，电站效率为 3512。 Integrated Solar Combined Cycle Systems（ ISCCS）整体太阳能联合循环系统是利用太阳能作为传统发电厂的补充。通过太阳能集热产生蒸汽，抑或给余热蒸16 汽发生装置（ Heat Recovery Steam Generator）补充蒸汽，或者直接为蒸汽发动机提供低压蒸汽发电。在峰值发电时， ISCCS 系统能够供给整体发电系统中传统燃料发电部分的约为 30的发电量，因此可有效提高传统发电厂的发电容量，并降低发电成本13。