太陽能熱發電原理王志峰中國科學院電工研究所2012年2月27日北京太陽能熱發電原理王志峰太陽能熱發電的含義太陽能熱發電是利用太陽能聚光器先將太陽輻射能轉化為熱能，然后經過各種方式轉換為電能的技術形式。太陽能熱發電包括：聚光太陽能熱發電（CSP）、太陽能半導體溫差發電、太陽能煙囪發電、太陽池發電和太陽能熱聲發電等。聚光太陽能熱發電（CSP）是目前已經商業化大規模應用的技術形式。CSP是通過“光-熱-功”的轉化過程實現發電的一種技術形式，其在原理上和傳統的化石燃料電站類似。二者最大的區別在于輸入的能源不同，太陽能熱發電采用的是太陽能：聚光器將低密度的太陽能轉換成高密度的能量，經由傳熱介質將太陽能轉化為熱能，通過熱力循環做功，實現到電能的轉換。太陽能熱發電的含義太陽能熱發電是利用太陽能聚光器先將太陽輻射CSP的技術形式塔式槽式碟式/斯特林線性菲涅爾CSP的技術形式塔式槽式碟式/斯特林線性菲涅爾點聚焦技術：定日鏡自動跟蹤太陽，聚焦的陽光反射到位于塔頂的吸熱器內。吸熱器加熱管內的傳熱介質，將太陽光能轉變成熱能，再通過熱力循環實現發電。聚光比300-1000。系統綜合效率高。吸熱器類型：水/蒸氣、熔鹽、空氣等。商業化初期的電站多使用水/蒸氣作為工作介質（主要考慮到技術風險較小、結構相對簡單）傳熱介質的工作溫度范圍在250～1200℃，可采用汽輪機或燃氣輪機。西班牙PS10電站定日鏡吸熱器（1）塔式4點聚焦技術：定日鏡自動跟蹤太陽，聚焦的陽光反射到位于塔頂的吸（2）槽式線聚焦技術：采用拋物面槽式反射鏡將太陽光聚集到位于焦線的吸熱管上，加熱管內的傳熱工質（油或水），然后經熱交換器產生蒸汽驅動汽輪發電機組發電。聚光比在70-80之間；系統綜合效率較低。吸熱器內工作介質：合成油、水等，當前介質的工作溫度一般在400℃以內。美國354MWSEGS電站建于上個世紀80年代，至今已運行20多年。美國SEGS槽式電站5槽式反射鏡吸熱管（2）槽式線聚焦技術：采用拋物面槽式反射鏡將太陽光聚集到位于（3）碟式點聚焦技術：利用旋轉拋物面反射鏡，將入射陽光聚集在鏡面焦點處，在該處可放置太陽能吸熱器吸收熱能加熱工質驅動汽輪發電機組發電，也可放置太陽能斯特林發電裝置或高倍比聚光光伏系統（CPV）直接發電。。聚光比1000-3000；系統效率高單機規模小，非常適合分布式發電。今年1月份全球首座商業化碟式斯特林系統在美國投入運行，總容量1.5MW，由60個單機25kW的系統組成。截至2010年10月，美國加州批準了總計1372.5MW的碟式斯特林電站項目。6（3）碟式點聚焦技術：利用旋轉拋物面反射鏡，將入射陽光聚集在（4）線性菲涅爾

線聚焦技術：槽式系統的簡化；平面鏡代替拋物面型曲面鏡，通過調整、控制平面鏡的傾斜角度，將陽光反射到集熱管上，加熱內部工作介質，產生蒸汽驅動汽輪機做功發電。聚光比25-100；系統效率較低。鏡場可布置非常緊湊，土地利用率高，初投資相對較低。目前在建最大規模為30MW電站，其中關鍵部件集熱管由皇明公司出口供應。皇明公司2.5MW示范系統7反射鏡集熱管（4）線性菲涅爾線聚焦技術：槽式系統的簡化；平面鏡代替拋物槽式塔式碟式菲涅爾式聚光比70-80300-10001000-300025-100可采用的動力循環模式郎肯循環1)郎肯循環2)布雷頓循環3)聯合循環斯特林郎肯循環峰值系統效率21%(d)20%(d)29%(d)20%(p)35%(p)系統年均效率10-15%(d)10-16%(d)16-18%(d)9-11%(p)17-18%(p)15-25%(p)18%-23%(p)熱循環效率30-40%ST30-40%ST30-40%SE30-40%ST45-55%CC20-30%GT容量因子24%(d)25-90%(p)25%(p)25-70%(p)25-90%(p)已建單機最大容量80MW20MW1.5MW(25kW×60)5MW各種CSP技術方式的性能（來源：DLR，2004）注：(d)=示范，(p)=預計，ST蒸汽輪機，CC聯合循環，SE斯特林機，GT燃氣輪機槽式塔式碟式菲涅爾式聚光比70-80300-10001000聚光集熱子系統熱-功-電轉換子系統儲熱子系統

CSP電站系統的基本組成聚光集熱子系統熱-功-電轉換子系統儲熱子系統CSP電白天工作模式1—直接發電聚光集熱子系統熱-功-電轉換子系統儲熱子系統白天工作模式1—直接發電聚光集熱子系統熱-功-電轉換子白天工作模式2—儲熱+發電聚光集熱子系統熱-功-電轉換子系統儲熱子系統白天工作模式2—儲熱+發電聚光集熱子系統熱-夜間工作模式—利用儲熱發電聚光集熱子系統熱-功-電轉換子系統儲熱子系統夜間工作模式—利用儲熱發電聚光集熱子系統熱-功-電轉13CSP&光伏發電的電力輸出太陽能熱發電輸出電力相對平穩13CSP&光伏發電的電力輸出太陽能熱發電輸出電力相對平CSP優勢——系統友好性、可控性系統友好性是指清潔能源在其開發、輸送和使用的全過程中與電網、電源以及其它能源系統相適應、相協調的技術品質與特性。風能及光伏發電，其出力具有顯著的間歇性和不確定性。并網運行后出力的劇烈變化將對電力系統實時平衡和穩定運行帶來挑戰。受電源結構制約，長期以來我國電力系統調峰能力一直不足。煤電裝機占全國發電總裝機的四分之三（其中供熱機組又占了20%以上）。系統調峰問題將是影響制約我國能源結構調整和清潔能源發展的長期性問題。

CSP電站可以儲熱，也可以利用化石燃料補燃；實現發電功率平穩、可控輸出。可作為調峰電源；未來隨著技術提升，可承擔電力系統基礎負荷。CSP優勢——系統友好性、可控性系統友好性是指清潔能源在其美國亞利桑那州電力負荷曲線美國亞利桑那州電力負荷曲線聚光比、吸熱器溫度集熱效率*透平效率馬鞍點提高效率聚光比、吸熱器溫度提高效率途徑——聚光比與吸熱溫度的協同提高提高聚光比：塔式和碟式，其聚光比分別300-1000和1000-3000之間；槽式和菲涅爾式，其聚光比分別在70-80和25-100之間；二次聚光：第一次聚光比*第二次聚光比（10，000）提高吸熱器的工作溫度：傳熱介質(水、油、熔融鹽、空氣、離子液體、液態金屬、固體材料)途徑——聚光比與吸熱溫度的協同提高提高聚光比：吸熱窗口瞬時能量分布（2008.09.27,13:16）投入吸熱器窗口能量隨時間變化“材料——光學——熱學”耦合

輻射能量的非均勻、非穩定，傳熱條件惡化儲熱材料：水、油、熔融鹽、離子液體、液態金屬、無機非金屬材料（陶瓷）、混合材料吸熱窗口瞬時能量分布（2008.09.27,13:16）投入第19頁國外CSP現狀及發展趨勢第19頁國外CSP現狀及發展趨勢CSP市場現狀Source:IEECAS202010年底，全球累計商業化運行的CSP裝機約1071MW，其中，主要市場在西班牙和美國；主要技術形式為槽式。目前全球在建裝機容量超過2000MW，預計2013年全部并網發電。CSP市場現狀Source:IEECAS202010年底各國CSP規劃美國：2010年8月-12月，加州能源局批準了總量達4242MW的CSP項目西班牙：太陽能熱發電產業協會數據，共計1372MW熱發電項目已經進行了申報登記。西班牙政府規定到2013年國內CSP裝機實現2.5GW，產業協會的目標是2020年突破10GW。印度：根據國家太陽能計劃，2022年印度太陽能光伏和光熱裝機容量要達到20GW。其中第一階段（至2013年3月）的目標是，安裝1100MW的并網太陽能電站，100MW屋頂光伏和小型太陽能電站，200MW的離網太陽能應用項目以及幾百萬平米的太陽能集熱系統。目前第一批太陽能熱發電項目招標已經結束。上網電價為0.32美元/kWh。摩洛哥：摩洛哥太陽能署正在進行熱發電項目預招標，2012年在

Quarzazate太陽能園區安裝500MW太陽能電力，其中包括一座光伏電站。澳大利亞：13.65億澳元的太陽能旗艦項目，包括4個大規模太陽能發電站（熱發電和光伏各占一半），總預期裝機容量為1GW。中國：

50MW電站特許權招標2011年1月23日已經完成。各國CSP規劃美國：2010年8月-12月，加州能源局批準2009年7月，12家大型公司在德國慕尼黑啟動沙漠行動計劃，計劃投資4000億歐元，通過在中東及北非地區建立一系列聯網的太陽能熱發電站，滿足歐洲15%的電力需求以及電站所在國家的部分電力需求。2009年10月30，DII有限責任公司成立。目前公司股東數目從13家增至19家。2010年7月，歐洲能源官員表示在未來5年，歐洲將從北非進口第一批太陽能電力。馬格里布國家目前正在投資興建連接阿爾及利亞、摩洛哥以及突尼斯3個國家間的400kV輸電線。歐洲沙漠行動計劃(DII)2009年7月，12家大型公司在德國慕尼黑啟動沙漠行動計劃，亞太能源共同體-太陽帶計劃

2009年10月，第一屆亞洲-太平洋太陽帶開發國際論壇在日本東京召開。-太陽能熱發電-太陽能制取液態燃料或氫氣亞太能源共同體-太陽帶計劃2009年10月，第一屆亞洲-謝謝！太陽能熱發電原理課件

太陽能熱發電原理王志峰中國科學院電工研究所2012年2月27日北京太陽能熱發電原理王志峰太陽能熱發電的含義太陽能熱發電是利用太陽能聚光器先將太陽輻射能轉化為熱能，然后經過各種方式轉換為電能的技術形式。太陽能熱發電包括：聚光太陽能熱發電（CSP）、太陽能半導體溫差發電、太陽能煙囪發電、太陽池發電和太陽能熱聲發電等。聚光太陽能熱發電（CSP）是目前已經商業化大規模應用的技術形式。CSP是通過“光-熱-功”的轉化過程實現發電的一種技術形式，其在原理上和傳統的化石燃料電站類似。二者最大的區別在于輸入的能源不同，太陽能熱發電采用的是太陽能：聚光器將低密度的太陽能轉換成高密度的能量，經由傳熱介質將太陽能轉化為熱能，通過熱力循環做功，實現到電能的轉換。太陽能熱發電的含義太陽能熱發電是利用太陽能聚光器先將太陽輻射CSP的技術形式塔式槽式碟式/斯特林線性菲涅爾CSP的技術形式塔式槽式碟式/斯特林線性菲涅爾點聚焦技術：定日鏡自動跟蹤太陽，聚焦的陽光反射到位于塔頂的吸熱器內。吸熱器加熱管內的傳熱介質，將太陽光能轉變成熱能，再通過熱力循環實現發電。聚光比300-1000。系統綜合效率高。吸熱器類型：水/蒸氣、熔鹽、空氣等。商業化初期的電站多使用水/蒸氣作為工作介質（主要考慮到技術風險較小、結構相對簡單）傳熱介質的工作溫度范圍在250～1200℃，可采用汽輪機或燃氣輪機。西班牙PS10電站定日鏡吸熱器（1）塔式28點聚焦技術：定日鏡自動跟蹤太陽，聚焦的陽光反射到位于塔頂的吸（2）槽式線聚焦技術：采用拋物面槽式反射鏡將太陽光聚集到位于焦線的吸熱管上，加熱管內的傳熱工質（油或水），然后經熱交換器產生蒸汽驅動汽輪發電機組發電。聚光比在70-80之間；系統綜合效率較低。吸熱器內工作介質：合成油、水等，當前介質的工作溫度一般在400℃以內。美國354MWSEGS電站建于上個世紀80年代，至今已運行20多年。美國SEGS槽式電站29槽式反射鏡吸熱管（2）槽式線聚焦技術：采用拋物面槽式反射鏡將太陽光聚集到位于（3）碟式點聚焦技術：利用旋轉拋物面反射鏡，將入射陽光聚集在鏡面焦點處，在該處可放置太陽能吸熱器吸收熱能加熱工質驅動汽輪發電機組發電，也可放置太陽能斯特林發電裝置或高倍比聚光光伏系統（CPV）直接發電。。聚光比1000-3000；系統效率高單機規模小，非常適合分布式發電。今年1月份全球首座商業化碟式斯特林系統在美國投入運行，總容量1.5MW，由60個單機25kW的系統組成。截至2010年10月，美國加州批準了總計1372.5MW的碟式斯特林電站項目。30（3）碟式點聚焦技術：利用旋轉拋物面反射鏡，將入射陽光聚集在（4）線性菲涅爾

線聚焦技術：槽式系統的簡化；平面鏡代替拋物面型曲面鏡，通過調整、控制平面鏡的傾斜角度，將陽光反射到集熱管上，加熱內部工作介質，產生蒸汽驅動汽輪機做功發電。聚光比25-100；系統效率較低。鏡場可布置非常緊湊，土地利用率高，初投資相對較低。目前在建最大規模為30MW電站，其中關鍵部件集熱管由皇明公司出口供應。皇明公司2.5MW示范系統31反射鏡集熱管（4）線性菲涅爾線聚焦技術：槽式系統的簡化；平面鏡代替拋物槽式塔式碟式菲涅爾式聚光比70-80300-10001000-300025-100可采用的動力循環模式郎肯循環1)郎肯循環2)布雷頓循環3)聯合循環斯特林郎肯循環峰值系統效率21%(d)20%(d)29%(d)20%(p)35%(p)系統年均效率10-15%(d)10-16%(d)16-18%(d)9-11%(p)17-18%(p)15-25%(p)18%-23%(p)熱循環效率30-40%ST30-40%ST30-40%SE30-40%ST45-55%CC20-30%GT容量因子24%(d)25-90%(p)25%(p)25-70%(p)25-90%(p)已建單機最大容量80MW20MW1.5MW(25kW×60)5MW各種CSP技術方式的性能（來源：DLR，2004）注：(d)=示范，(p)=預計，ST蒸汽輪機，CC聯合循環，SE斯特林機，GT燃氣輪機槽式塔式碟式菲涅爾式聚光比70-80300-10001000聚光集熱子系統熱-功-電轉換子系統儲熱子系統

CSP電站系統的基本組成聚光集熱子系統熱-功-電轉換子系統儲熱子系統CSP電白天工作模式1—直接發電聚光集熱子系統熱-功-電轉換子系統儲熱子系統白天工作模式1—直接發電聚光集熱子系統熱-功-電轉換子白天工作模式2—儲熱+發電聚光集熱子系統熱-功-電轉換子系統儲熱子系統白天工作模式2—儲熱+發電聚光集熱子系統熱-夜間工作模式—利用儲熱發電聚光集熱子系統熱-功-電轉換子系統儲熱子系統夜間工作模式—利用儲熱發電聚光集熱子系統熱-功-電轉37CSP&光伏發電的電力輸出太陽能熱發電輸出電力相對平穩13CSP&光伏發電的電力輸出太陽能熱發電輸出電力相對平CSP優勢——系統友好性、可控性系統友好性是指清潔能源在其開發、輸送和使用的全過程中與電網、電源以及其它能源系統相適應、相協調的技術品質與特性。風能及光伏發電，其出力具有顯著的間歇性和不確定性。并網運行后出力的劇烈變化將對電力系統實時平衡和穩定運行帶來挑戰。受電源結構制約，長期以來我國電力系統調峰能力一直不足。煤電裝機占全國發電總裝機的四分之三（其中供熱機組又占了20%以上）。系統調峰問題將是影響制約我國能源結構調整和清潔能源發展的長期性問題。

CSP電站可以儲熱，也可以利用化石燃料補燃；實現發電功率平穩、可控輸出。可作為調峰電源；未來隨著技術提升，可承擔電力系統基礎負荷。CSP優勢——系統友好性、可控性系統友好性是指清潔能源在其美國亞利桑那州電力負荷曲線美國亞利桑那州電力負荷曲線聚光比、吸熱器溫度集熱效率*透平效率馬鞍點提高效率聚光比、吸熱器溫度提高效率途徑——聚光比與吸熱溫度的協同提高提高聚光比：塔式和碟式，其聚光比分別300-1000和1000-3000之間；槽式和菲涅爾式，其聚光比分別在70-80和25-100之間；二次聚光：第一次聚光比*第二次聚光比（10，000）提高吸熱器的工作溫度：傳熱介質(水、油、熔融鹽、空氣、離子液體、液態金屬、固體材料)途徑——聚光比與吸熱溫度的協同提高提高聚光比：吸熱窗口瞬時能量分布（2008.09.27,13:16）投入吸熱器窗口能量隨時間變化“材料——光學——熱學”耦合

輻射能量的非均勻、非穩定，傳熱條件惡化儲熱材料：水、油、熔融鹽、離子液體、液態金屬、無機非金屬材料（陶瓷）、混合材料吸熱窗口瞬時能量分布（2008.09.27,13:16）投入第43頁國外CSP現狀及發展趨勢第19頁國外CSP現狀及發展趨勢CSP市場現狀Source:IEECAS442010年底，全球累計商業化運行的CSP裝機約1071MW，其中，主要市場在西班牙和美國；主要技術形式為槽式。目前全球在建裝機容量超過2000MW，預計2013年全部并網發電。CSP市場現狀Source:IEECAS202010年底各國CSP規劃美國：2010年8月-12月，加州能源局批準了總量達4242MW的CSP項目西班牙：太陽能熱發電產業協會數據，共計1372MW熱發電項目已經進行了申報登記。西班牙政府規定到2013年國內CSP裝機實現