行业︱塔式太阳能热发电技术在我国发展现状与前景分析
中国电工技术学会将于2016年12月23日（周五）在北京铁道大厦举办“2016第三届轨道交通供电系统技术大会”。
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黄河上游水电开发有限责任公司、黄河水电光伏产业技术有限公司的研究人员刘世隆、邓薇，在2016年第10期《电气技术》杂志上撰文介绍了塔式太阳能热发电技术特点以及在国内外的开发建设情况，阐述了我国发展塔式太阳能热发电技术需要攻克的关键技术，通过分析我国发展塔式太阳能热发电项目具备的优势及存在的问题，提出相关建议。
太阳能热发电技术（CSP）是光热资源高温利用的一种，与光伏发电相比，太阳能热发电技术更为节能环保，已物理方式进行光电转换，环境影响小。如在光伏电站设计上能考虑配套储能系统，可跟好的发挥光热电站的优势，在有云遮挡的情况下，储能系统可持续释放能量，确保发电机组运行，保证电能供应的稳定性，提高电网运行的灵活性。
根据聚热方式的不同太阳能热发电技术可以分为塔式、槽式、蝶式和菲涅尔式[1]。塔式发电聚光比高，聚光比一般可达到200～1000；吸热器的平均热流密度在300～1000kW/m2，工作温度最高达1000℃以上。因此，塔式电站以其集热效率高，热工转换效率高，系统综合效率高，成本降低空间大，合适大规模应用等优点而成为光热产业未来大规模应用的主要方向。
1 塔式太阳能热的技术特点
发电原理：利用定日镜把太阳光聚焦到位于集热塔顶部的吸热器上，加热吸热器中的传热工质产生热能，再通过热交换系统生成高温蒸汽带动汽轮机发电。塔式太阳能能的组成主要包括：定日镜、吸热器、换热器、高低温储罐、集热塔、汽轮发电机组等。传热工质可以是空气、水/蒸汽或是熔盐等。
塔式技术能量集中过程是靠反射光线一次完成的，方法简捷有效且聚光倍数高，容易达到比较高的工作温度 ,其中镜场中的定日镜数目越多，其聚光比越大，吸热器的集热温度越高，光热转换效率越高。
2国内外塔式太阳能热发电开发状况
2.1国外
1950年，原苏联设计了世界上第一座小型塔式太阳能热发电试验电站，对太阳能热发电技术进行了基础性的探索和研究。从1981-1991年10年间，由于石油危机的影响，替代能源技术在全球兴起，其他工业发达国家也陆续投资兴建了一批试验性电站。
据不完全统计，当时全世界建造了装机容量500kW以上的各种不同形式的兆瓦级太阳能热发电试验电站20余座，其中塔式电站为主要形式，最大发电功率为80MW。由于单位容量投资过大，因此太阳能热发电站建设逐渐冷落下来。
近两年，太阳能热发电再次成为国际可再生能源领域的投资热点。相关数据显示，全球新增清洁能源投资流向大型太阳能热发电领域的趋势正日益明显，项目建设规模也越来越大，越来越多的商家将目光投向塔式太阳能热发电。
目前国际上已经投入商业化运行的塔式太阳能热发电站有西班牙PS10、PS20和Gemasolar，美国SierraSun Tower电站、Ivanpah电站和新月沙丘电站。
Gemasolar是全球首个实现24小时连续发电的塔式太阳能热发电站，于2011年10月份正式投运，装机容量19.9兆瓦，年发电量1.1亿度，年运行小时数达6450小时。 Gemasolar发电站的聚光系统由2600多个聚光镜面板组成，散布在185公顷的空地上。单个镜面板接收到的光能被积聚在中央的接收器，将熔盐罐加热，通过热传导形成高温压力蒸气，推动涡轮机发电。
Ivanpah是目前最大的塔式电站，于2014年2月13日正式并网投运，总装机容量392MW，由三座装机分别为133MW、133MW和126MW的塔式电站构成，电站年发电量为1079GWh。
Ivanpah电站单塔装机最高为133MW，首次实现了百MW级塔式电站的开发，从实践层面验证了塔式电站大规模开发的可行性。Ivanpah为水工质光热电站，未配置储热系统，由于当地缺水采用了空冷系统，每度电水耗为0.11L，较水冷系统大大的节约了用水量。
美国新月沙丘电站为全球首个百MW级塔式熔盐电站，于2016年2月22日实现并网发电，装机110MW，配10小时储热系统，设计年发电量50万MWh，电站的熔盐换热器、定日镜集热场控制与跟踪系统均由SolarReserve设计及生产，作为首个百MW级商业化大规模塔式熔盐电站，目前新月沙丘的发电情况还未达到预期设计。
2.2国内
相比于国外，我国的太阳能热发电还处于产业化起步阶段，对于其技术的的掌握和研究明显滞后。为了探索塔式太阳能热发电系统的研发，国内首座70kW 塔式实验示范电站于2004年在南京市科技局的支持下开始建设，该电站定日镜场由32台20m2的定日镜组成，集热塔高33m，吸热器采用的是以色列提供的有压腔体式接收器。
由中国科学院电工研究所等单位联合设计和建设的北京延庆塔式实验示范电站于2012年8月首次发电成功，装机容量1MW，定日镜由100台面积100m2组成，集热塔高118m，采用了腔体式吸热器，传热介质为水/蒸汽，该电站是我国首座自主研发、设计和建造的MW级塔式太阳能电站。
中控集团青海德令哈50MW塔式太阳能热发电站一期10MW项目是我国首个塔式发电商业化示范电站，于2013年7月正式投运，电站分东、西两塔各5MW，镜场由3万面2m2的定日镜组成。为推进塔式熔盐技术的商业化，目前正进行10MW项目的熔盐系统改造。
首航节能敦煌10MW熔盐塔式电站于2014年8月底开工建设，目前处于安装调试期，该项目带储热15小时设计，倘若按期建成，将是我国首个带储热的塔式太阳能热发电站，其定日镜的结构设计类似于Gemasolar电站，由35面反射镜组成，按5×7顺序排列，单台定日镜采光面积120平方米，共1525套定日镜。
3 关键技术
3.1定日镜及其控制技术
定日镜是塔式太阳能热发电系统的聚光单元，它通过跟踪系统准确地将太阳辐射反射到聚光塔顶的吸热器上，为确保整体系统的正常、高效运行，定日镜必须具有高的反射性和定位精确度。因其长期暴露在户外环境中，还需具有一定的耐腐蚀、耐磨损、抗变形、易清洗等特性。镜场成本一般占整个塔式光热电站投资成本的40%～50%。
目前，关于塔式定日镜的研究主要集中在定日镜支架结构设计与力学分析、镀银反射镜的耐候性、支架与反射镜的结合方式、高精度传动系统及控制系统以及关于定日镜场的优化设计[2]。
3.2 吸热器材料及设备
塔式太阳能热发电中，太阳能接收器是实现发电的关键，它将定日镜所捕捉、反射、聚焦的到的太阳能直接转化为可利用的高温热能，为发电机组提供动力源，从而实现热发电。吸热器按结构形式，分为管式吸热器和容积式吸热器，吸热与传热介质主要有水/蒸汽、熔盐和空气，目前管式熔盐工质吸热器被业内普遍青睐。
管状太阳能接收器的优点是它可以接收来自塔四周360°范围内定日镜反射、聚焦的太阳光，有利于定日镜镜场的布局设计和太阳能的大规模利用。吸热器内部结构设计和换热管金属材料的耐高温、耐腐蚀性能的研究，管壁耐高温选择性吸收涂层材料的研究、吸热器内熔盐高温分解和腐蚀问题和低温凝固问题均为关键核心技术。
3.3 传储热技术
塔式太阳能热发电站，多选用熔盐作为储热和传热介质，熔融盐的流动与传热特性，直接关系储热传热循环系统的设计与布置。熔盐储热传热的关键技术包括对低温熔盐的开发、高温传热储热材料的制备以及熔盐传储热系统设备的设计与布置[3,4]。
尤其传储热单元管道系统的预热保温、疏通、溶堵技术，能在600℃以上工作温度下长时间稳定工作的大流量高温熔盐泵的设计和制造，以及整个熔盐系统的可靠性仍是塔式太阳能热电站研究的重点。
4 塔式太阳能热发电在我国的发展前景
4.1 我国发展塔式太阳能热发电具备的优势
我国太阳能资源非常丰富，青藏高原、新疆、内蒙古、甘肃等地是太阳能的高辐射地区，其中约有80多万平方公里荒漠区域太阳能资源最为丰富，发展塔式太阳能热发电工程具有明显的环境优势。
按照35%的热电转换效率计算，这80多万平方公里荒漠，仅利用1/8面积，就可以产生满足我国1年的电能消耗。因此在我国发展太阳能发电非常可行而且必要，对于缓解我国能源紧张和环境恶化的局面具有非常重要的战略意义。
2014年4月国家能源局召开《光热发电示范项目技术要求及申请报告大纲征求意见讨论会》，确定示范工程采用槽式和塔式两种集热方式，考虑项目规模和效益等特点，示范工程按照单机容量50MW及以上等级建设，并对不同太阳能技术的储热容量提出要求。
目前，国家能源局已基本确定了我国太阳能热发电产业发展的进度表，即先通过示范电价政策扶持完成一批商业化示范项目建设，后进入大规模开发建设阶段。
“大容量、高参数、连续发电”是将来太阳能光热发电的趋势，Ivanpah和新月沙丘已用工程实例验证了塔式电站大规模开发的可行性，且塔式整体效率远高于槽式，特别是在我国西部昼夜温差很大的环境下。
4.2 我国发展塔式太阳能热发电存在的问题
从整体发展阶段来看，我国塔式太阳能热发电技术还处在示范工程的起步阶段，在太阳能热发电材料装备方面、我国与国外差距约5年，在电站集成、服务方面，与国外差距更大。
已建成项目仅有1MW八达岭延庆电站和中控德令哈电站10MW[5]。目前还没有其他促进太阳能热发电产业化和市场化发展的明确政策，光热发电的政策环境亟须改善。
我国发展塔式太阳能热发电还欠缺部分关键技术如定日镜的镀层材料、吸热器上的吸热管材及涂层材料、吸热器设备、高温熔融盐泵等制造技术。这些技术均属于保密级别，引入困难。
另外塔式电站整体系统设计能力和集成技术、光热电站系统模拟仿真及控制技术都刚刚起步，缺乏电站建设运营经验和能力，而且国外的技术也大多在示范阶段。
国外技术与我国特殊气候条件的适用性仍需要验证。由于我国“三北”地区、青藏高原等地海拔高、大风、扬沙等气候特征显著，DNI分布情况也存在很大差异，西班牙或美国的技术很难直接应用于国内，需要对国外技术进行相应调整，或进行自主研发。
塔式太阳能热发电属于典型的资本和技术双密集型，其经济性和竞争力仍有待提高。目前塔式发电的成本仍比较高，除了需要技术的不断进步外，更需要关键设备国产化来降低成本。
5.结论
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，如装机量和储能时长等，不仅限于电价，应包括土地使用、电网接入、贷款优惠等扶持政策或是意见。光热发电政策要着眼于如何培养产业化和降低发电成本来考虑。
政府主动推动一批示范性项目建设，针对示范性项目出台一些可行的优惠政策，如对业主使用国产化关键设备给予一定补贴或政策优待；鼓励配套产业链，促进成本降低；重点鼓励关键设备和部件的制造、系统集成技术的研发。
在太阳能热发电产业发展的前期，既有巨大的利润空间，也有巨大的风险，鉴于塔式太阳热发电技术难度及成本因素，建议有规划的逐步推进光热电站建设。吸取光伏、风电等经验教训，预防大规模蜂拥而至建电站，政府和有关单位要能起到有效的管控和监督的作用。
我国塔式太阳能热发电技术要步入良好的产业化环境，需要建设单位、科研单位、设备制造单位等共同的努力。光热发电项目的研究属于一个系统性的很强的项目，各界都持以开放的心态，以末端应用为主，产、学、研结合有效合作才能使塔式发电的创新与产业化得到长足的发展。
另外，利用我国巨大的产业与产能优势，寻找适合的商业模式和国外联合起来做科技创新，加快我国塔式热发电进程，实现共赢新局面。