太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化概述

/機(jī)械工業(yè)北京電工技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所 尹航 盧琛鈺 中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì) 汪毅

中國(guó)電力科學(xué)研究院 吳福寶 陳志磊 國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院 杜煒

中國(guó)科學(xué)院電工研究所 李鑫 中國(guó)大唐集團(tuán)新能源股份有限公司 閻秦/

太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)及國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化概述

/機(jī)械工業(yè)北京電工技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所 尹航 盧琛鈺 中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì) 汪毅

中國(guó)電力科學(xué)研究院 吳福寶 陳志磊 國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院 杜煒

中國(guó)科學(xué)院電工研究所 李鑫 中國(guó)大唐集團(tuán)新能源股份有限公司 閻秦/

一、引言

生態(tài)環(huán)境惡化和能源緊張使世界各國(guó)積極開(kāi)發(fā)包括太陽(yáng)能在內(nèi)的新能源及可再生能源。太陽(yáng)能光熱發(fā)電是太陽(yáng)能利用的重要方向，具有電力輸出相對(duì)穩(wěn)定、對(duì)電網(wǎng)沖擊較小等優(yōu)點(diǎn)，配合儲(chǔ)熱更可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間發(fā)電。目前，槽式電站已有運(yùn)行30多年的成功案例，光熱發(fā)電的技術(shù)成熟度、穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性已得到驗(yàn)證。

太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)經(jīng)歷了自1991年的長(zhǎng)時(shí)間停滯之后，近年來(lái)得到了很大發(fā)展。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2013年底，全球太陽(yáng)能光熱發(fā)電市場(chǎng)已投運(yùn)裝機(jī)容量達(dá)到約3320MW，主要集中在西班牙、美國(guó)兩大傳統(tǒng)市場(chǎng)以及西亞和北非地區(qū)；2013年新增裝機(jī)容量約606MW，其中西班牙裝機(jī)容量增長(zhǎng)150MW，美國(guó)裝機(jī)容量增長(zhǎng)280MW，預(yù)計(jì)2014年仍將有很大增長(zhǎng)。沙特、南非、摩洛哥等新興市場(chǎng)在建項(xiàng)目裝機(jī)容量、規(guī)劃裝機(jī)容量及政府推動(dòng)等因素的推動(dòng)下，這三大市場(chǎng)和印度市場(chǎng)未來(lái)太陽(yáng)能光熱的裝機(jī)容量將出現(xiàn)較大增長(zhǎng)。我國(guó)西北地區(qū)有較好的太陽(yáng)能資源，但光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段，大多數(shù)僅是示范項(xiàng)目，商業(yè)電站僅有中控德令哈一期10MW項(xiàng)目于2013年建成。

太陽(yáng)能光熱發(fā)電從技術(shù)研發(fā)到電廠建設(shè)包含許多級(jí)技術(shù)環(huán)節(jié)，這些環(huán)節(jié)都應(yīng)有相應(yīng)的規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)，以便在組件和系統(tǒng)水平上對(duì)術(shù)語(yǔ)和性能要求具有統(tǒng)一的理解。目前國(guó)際上已有部分組件以及電廠的國(guó)家和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，但特定組件和功能以及性能、測(cè)試方法等方面的標(biāo)準(zhǔn)仍存在缺失?？傮w來(lái)看，太陽(yáng)能光熱發(fā)電領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)仍存在較大缺失。

二、技術(shù)概況

太陽(yáng)能光熱發(fā)電是利用大量反射鏡將太陽(yáng)直射光匯集作為熱源，通過(guò)朗肯循環(huán)、布雷頓循環(huán)或者斯特林循環(huán)將熱能轉(zhuǎn)化為電能。太陽(yáng)能光熱發(fā)電和常規(guī)化石燃料燃燒的熱力發(fā)電將熱能轉(zhuǎn)化為電能的原理相同，不同之處在于獲取熱能的方式。太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)按聚光方式可分槽式、塔式、碟式和菲涅爾式四類。

1、槽式

槽式太陽(yáng)能光熱發(fā)電采用拋物面槽型聚光器跟蹤并聚集直射太陽(yáng)光，拋物面焦點(diǎn)處的集熱管吸收熱量并加熱工質(zhì)。集熱管大多采用并聯(lián)、串聯(lián)的方式以實(shí)現(xiàn)較大的發(fā)電規(guī)模。集熱管的性能和可靠性成為影響槽式發(fā)電系統(tǒng)效率和運(yùn)行成本的重要因素。國(guó)際上成熟的集熱管制造商有兩家，目前國(guó)內(nèi)的集熱管制造企業(yè)已經(jīng)超過(guò)10家，但是對(duì)于要求25年使用壽命的槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電站來(lái)說(shuō)，集熱管的產(chǎn)品質(zhì)量和性能還有待于實(shí)際運(yùn)行考驗(yàn)。

換熱介質(zhì)（導(dǎo)熱油、熔融鹽等）是影響槽式系統(tǒng)發(fā)電效率的另一因素。美國(guó)SEGS系列電站采用了導(dǎo)熱油作為換熱介質(zhì)，由9座電站組成354MW裝機(jī)容量，初期建設(shè)的電站已經(jīng)運(yùn)行超過(guò)30年，新的電價(jià)標(biāo)準(zhǔn)低至平均6美分/kWh；2010年意大利阿基米德5MW電站采用熔融鹽作為換熱介質(zhì)產(chǎn)生蒸汽。熔融鹽可以在550℃下工作，遠(yuǎn)高于導(dǎo)熱油的工作溫度，大大提高了發(fā)電站的效率，便于能量?jī)?chǔ)存，以熔融鹽作為換熱介質(zhì)具有更加廣闊的應(yīng)用前景。

2、塔式

塔式太陽(yáng)能光熱發(fā)電采用多面定日鏡對(duì)太陽(yáng)光進(jìn)行跟蹤，將陽(yáng)光反射并集中到接收塔頂部的吸熱器來(lái)加熱工質(zhì)。塔式系統(tǒng)的聚焦比可達(dá)200～1000以上，工作溫度可達(dá)1000℃以上。相對(duì)于槽式系統(tǒng)，塔式系統(tǒng)無(wú)需集熱管部分的管道傳輸系統(tǒng)，熱損失小、系統(tǒng)效率高，也更便于存儲(chǔ)熱量。

塔式的工作介質(zhì)可以選用熔融鹽、空氣或者水/蒸汽，目前仍以水工質(zhì)方案的應(yīng)用最為廣泛，如美國(guó)的Solar One、Ivanpah等電站，但以2012年西班牙Gemasolar電站的成功投運(yùn)為起點(diǎn)，熔融鹽工質(zhì)的塔式技術(shù)將逐步發(fā)展成為塔式技術(shù)的主流路線。我國(guó)中控太陽(yáng)能德令哈50MW塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站一期10MW成功投運(yùn)，采用水工質(zhì)，后期40MW將采用熔鹽作為工質(zhì)。

3、碟式

碟式系統(tǒng)是通過(guò)一個(gè)或者多個(gè)旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡來(lái)跟蹤并聚焦太陽(yáng)光，位于焦點(diǎn)位置的吸熱器吸收聚焦的太陽(yáng)輻射能量加熱工質(zhì)，以驅(qū)動(dòng)熱機(jī)，系統(tǒng)中的熱機(jī)大多采用斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)。碟式系統(tǒng)的聚焦比可達(dá)500～1000，焦點(diǎn)處可產(chǎn)生1000℃以上的高溫，由于斯特林機(jī)熱效率較高，系統(tǒng)整體效率可達(dá)30%以上。碟式系統(tǒng)規(guī)模較小，單機(jī)功率范圍在3～50kW之間，在分布式能源領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。此外，也可以將碟式系統(tǒng)集成用于大規(guī)模發(fā)電，但成本相對(duì)較高。

碟式系統(tǒng)的核心部件是斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)，國(guó)外技術(shù)相對(duì)比較成熟。美國(guó)SES公司生產(chǎn)的SunCatcher系統(tǒng)，單機(jī)功率為25kW，系統(tǒng)最大發(fā)電效率達(dá)到31.25%。2009年8月至2010年1月，SES公司與Tessera Soar公司合作在亞利桑那州建設(shè)了總?cè)萘繛?.5MW的商業(yè)化電站。此外，還有美國(guó)SAIC/STM系統(tǒng)、瑞典Cleanergy系統(tǒng)、美國(guó)Infinia系統(tǒng)等。近年來(lái)，我國(guó)已有科研單位對(duì)斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了科技攻關(guān)并取得了重要進(jìn)展，但距離商業(yè)應(yīng)用還需時(shí)日。

4、菲涅爾式

菲涅爾式系統(tǒng)由槽式系統(tǒng)演化而來(lái)，采用一組可水平放置的條形平面鏡來(lái)代替槽式系統(tǒng)里的拋物面型曲面鏡來(lái)聚焦太陽(yáng)光。單個(gè)平面鏡分別跟蹤并反射太陽(yáng)光，反射的太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)二次反射鏡后聚焦到腔式吸熱管來(lái)加熱工質(zhì)。系統(tǒng)一般采用水/水蒸氣作為吸熱介質(zhì)，采用蒸汽直產(chǎn)方式。相對(duì)于槽式系統(tǒng)，平面反射鏡制造難度低，因此大大降低了初始投資成本。菲涅爾式系統(tǒng)的發(fā)展相對(duì)較晚，技術(shù)成熟度較低，商業(yè)電站不多。2012年10月，西班牙Puerto Errado 2菲涅爾光熱電站正式并網(wǎng)發(fā)電，裝機(jī)容量為30MW。該電站是目前世界上已投運(yùn)的裝機(jī)容量最大的菲涅爾光熱電站，目前運(yùn)行狀況良好。

5、儲(chǔ)熱技術(shù)

太陽(yáng)能光熱發(fā)電以太陽(yáng)光為能量來(lái)源，在夜間及遭遇陰雨多云天氣時(shí)，由于沒(méi)有能量來(lái)源，太陽(yáng)能光熱發(fā)電站將無(wú)法發(fā)電。儲(chǔ)熱技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)熱能在時(shí)間和空間上的大容量轉(zhuǎn)移，使得太陽(yáng)能光熱發(fā)電具有可調(diào)度性，真正成為適用于大規(guī)模上網(wǎng)的發(fā)電技術(shù)。儲(chǔ)熱過(guò)程實(shí)際是在發(fā)電過(guò)程中進(jìn)行的，即將多余的熱量進(jìn)行儲(chǔ)存，在需要提高發(fā)電負(fù)荷或者無(wú)法獲取太陽(yáng)能時(shí)將儲(chǔ)存的熱能釋放，用以實(shí)現(xiàn)負(fù)荷調(diào)節(jié)和持續(xù)發(fā)電。

儲(chǔ)熱材料主要有熔融鹽、金屬、高溫混凝土以及碳酸鹽等，目前常用的比較成熟的儲(chǔ)熱材料是熔融鹽。熔融鹽具有成本低、壽命長(zhǎng)、換熱性能好、熱容量大以及工作溫度范圍寬等諸多優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)熔融鹽的成分組成注定其具有較高的凝固溫度（140～240℃）以及腐蝕性等缺點(diǎn)。未來(lái)熔融鹽儲(chǔ)熱技術(shù)的發(fā)展方向是研發(fā)熔點(diǎn)更低、使用溫區(qū)更寬和價(jià)格更低的熔融鹽，同時(shí)研發(fā)相關(guān)的換熱設(shè)備和儲(chǔ)熱設(shè)備并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提高光熱電站的經(jīng)濟(jì)性。

2008年，建于西班牙Granada省50MW的Andasol-1槽式電站，使用熔融鹽作為儲(chǔ)熱材料，擁有7.5h的儲(chǔ)熱能力，而后又有Valle-1、Valle-2等10臺(tái)類似的電站并網(wǎng)發(fā)電。2008年，西班牙在Solar one和Solar Two基礎(chǔ)上建設(shè)的Solar Tres電站，發(fā)電功率15MW，擁有15h的儲(chǔ)熱能力。

三、太陽(yáng)能光熱發(fā)電國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化情況

考慮到目前太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)的快速發(fā)展，商業(yè)項(xiàng)目建設(shè)等應(yīng)用需求，針對(duì)目前標(biāo)準(zhǔn)缺失的問(wèn)題，國(guó)際電工委員（IEC）會(huì)開(kāi)始著手開(kāi)展太陽(yáng)能光熱電廠國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作。

1、標(biāo)準(zhǔn)化組織情況

IEC于2011年4月正式成立IEC/TC 117（太陽(yáng)能光熱電廠，Solar thermal electric plants），主要負(fù)責(zé)研究制定太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統(tǒng)及相關(guān)部件的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。IEC/TC 117標(biāo)準(zhǔn)化工作的范圍包括：槽式系統(tǒng)、塔式系統(tǒng)、線性菲涅爾式系統(tǒng)、碟式系統(tǒng)等四種發(fā)電形式以及儲(chǔ)熱、汽輪機(jī)和發(fā)電機(jī)等相關(guān)領(lǐng)域。標(biāo)準(zhǔn)化的內(nèi)容涵蓋：術(shù)語(yǔ)、設(shè)計(jì)、安裝、性能測(cè)試方法、安全性、并網(wǎng)以及環(huán)保等方面?？紤]到標(biāo)準(zhǔn)制定的需要，IEC/TC 117將同其他相關(guān)技術(shù)委員會(huì)保持聯(lián)系與協(xié)調(diào)，如并網(wǎng)、通訊、智能電網(wǎng)集中控制以及環(huán)境等技術(shù)委員會(huì)。

IEC/TC 117現(xiàn)有22個(gè)成員國(guó)，其中P成員國(guó)11個(gè)，O成員國(guó)11個(gè)，秘書(shū)處設(shè)在西班牙。目前該技術(shù)委員會(huì)設(shè)有三個(gè)特別工作組和兩個(gè)項(xiàng)目工作組：

AHG 1：通用項(xiàng)目工作組，負(fù)責(zé)制定諸如術(shù)語(yǔ)、安全要求、太陽(yáng)年定義等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。AHG 2：系統(tǒng)和部件工作組，負(fù)責(zé)制定不同技術(shù)類型的組件、運(yùn)行參數(shù)和驗(yàn)收等標(biāo)準(zhǔn)。AHG 3：儲(chǔ)能工作組，負(fù)責(zé)制定儲(chǔ)熱中的系統(tǒng)和特殊單元方面的標(biāo)準(zhǔn)PT 62862-1-1：術(shù)語(yǔ)項(xiàng)目工作組。PT 62862-1-2：典型太陽(yáng)年定義工作組。

IEC/TC 117成立以來(lái)，分別在西班牙馬德里、以色列特拉維夫和美國(guó)伊利諾伊召開(kāi)了三屆年會(huì)，2014年11月將在日本東京召開(kāi)第四屆年會(huì)。

2011年8月，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì)正式批復(fù)中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)、中國(guó)電器工業(yè)協(xié)會(huì)分別為IEC/TC 117國(guó)內(nèi)第一和第二技術(shù)對(duì)口單位，并以P成員身份參加IEC/TC117的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化活動(dòng)。2013年11月，中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)、中國(guó)電器工業(yè)協(xié)會(huì)、中國(guó)電力科學(xué)研究院、國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院、中國(guó)大唐集團(tuán)新能源股份有限公司和中國(guó)科學(xué)院電工研究所等單位派員參加了在美國(guó)召開(kāi)的IEC/TC117年會(huì)，全面地了解了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化情況，并開(kāi)始全面參與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的工作；2014年4月，IEC/TC117標(biāo)準(zhǔn)化工作研討會(huì)上對(duì)兩項(xiàng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)提案進(jìn)行了一件征集，并推薦專家參與PT 62862-1-1工作；國(guó)內(nèi)對(duì)口的標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)正在籌建中。

2、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)態(tài)

IEC/TC 117國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化架構(gòu)已經(jīng)基本形成，標(biāo)準(zhǔn)制定工作正在開(kāi)展，目前取得的主要進(jìn)展如下：

（1）2013年美國(guó)年會(huì)上確定了IEC/TC 117標(biāo)準(zhǔn)的編號(hào)規(guī)則和其對(duì)應(yīng)的技術(shù)范圍（表1），除了通用性標(biāo)準(zhǔn)、儲(chǔ)熱和四種發(fā)電形式外，還為未來(lái)可能出現(xiàn)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)留空。（2）提案情況 美國(guó)會(huì)議上，根據(jù)工作組分工形成的提案情況如表2所示。提案主要包括基礎(chǔ)性標(biāo)準(zhǔn)、應(yīng)用較為廣泛的槽式系統(tǒng)、菲涅爾式系統(tǒng)和儲(chǔ)熱四個(gè)方面，均是來(lái)自在西班牙、德國(guó)這兩個(gè)技術(shù)比較成熟的國(guó)家，預(yù)計(jì)在2015～2016年形成一系列國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)或者技術(shù)規(guī)范。其中“術(shù)語(yǔ)”和“典型太陽(yáng)年產(chǎn)生方法”兩個(gè)基礎(chǔ)性標(biāo)準(zhǔn)提案在2014年4月的P會(huì)員投票中以全票通過(guò)，預(yù)計(jì)2015年年底前完成。（3）未來(lái)標(biāo)準(zhǔn)化方向 目前IEC/TC 117優(yōu)先考慮的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)主要包括：光熱電站的能量場(chǎng)模型、集熱管測(cè)試、驗(yàn)收、反射鏡（反射參數(shù)、形狀及測(cè)試）和線性接收器（光學(xué)特性、熱力特性等技術(shù)要求），未來(lái)還將制定經(jīng)濟(jì)性、反射鏡耐久度以及電廠模擬和運(yùn)行等方面的標(biāo)準(zhǔn)。

表1 編號(hào)規(guī)則和技術(shù)范圍

表2 工作組內(nèi)容

（4）與其他標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)的聯(lián)系情況 光熱發(fā)電行業(yè)涉及專業(yè)領(lǐng)域較多，包括一些已有的標(biāo)準(zhǔn)化領(lǐng)域。為了更好地推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)制定工作，充分吸收已有的標(biāo)準(zhǔn)成果，IEC/TC 117已經(jīng)或者正在與IEC/TC 5 汽輪機(jī)、IEC/TC 82 太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)、ISO/TC 180 太陽(yáng)能和ISO/TC 192 汽輪機(jī)等標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)取得聯(lián)系，共同進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化工作。

四、小結(jié)

太陽(yáng)能光熱發(fā)電是一種具有良好前景的綠色能源利用技術(shù)。槽式系統(tǒng)技術(shù)相對(duì)比較成熟，應(yīng)用也最為廣泛；塔式系統(tǒng)、熔融鹽工質(zhì)和儲(chǔ)熱是未來(lái)發(fā)展的主要方向。IEC已在光熱發(fā)電領(lǐng)域進(jìn)行了一系列的標(biāo)準(zhǔn)化工作，標(biāo)準(zhǔn)制定以西班牙、德國(guó)等技術(shù)領(lǐng)先國(guó)家為主導(dǎo)，美國(guó)、日本表現(xiàn)出了較高的參與熱情，我國(guó)也逐步參與到國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的工作中。

我國(guó)太陽(yáng)能光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)近年來(lái)有了較大發(fā)展，在集熱管、反射鏡和跟蹤系統(tǒng)等方面進(jìn)行了諸多研究工作，并開(kāi)發(fā)出了相關(guān)產(chǎn)品。同時(shí)，與國(guó)外技術(shù)先進(jìn)國(guó)家相比，我國(guó)太陽(yáng)能光熱發(fā)電的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)相對(duì)較弱，仍需要做更多的工程示范和技術(shù)積累。建議國(guó)家出臺(tái)相關(guān)政策鼓勵(lì)示范性項(xiàng)目建設(shè)，帶動(dòng)光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展，發(fā)掘發(fā)展國(guó)內(nèi)優(yōu)勢(shì)技術(shù)，積極參與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作，爭(zhēng)取國(guó)際話語(yǔ)權(quán)。

[1] http://www．cspplaza．com/article-2858-1．html．

[2] 高嵩,侯宏娟．太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)分析[J]．華電技術(shù),2009,31(1):70-74．

[3] 陳昕,范海濤．太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J]．能源與環(huán)境,2012,1:90-92．

[4] 陳晨,張亮．關(guān)于我國(guó)開(kāi)展太陽(yáng)能光熱發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)化的若干建議[J]．電器工業(yè),2012,(1):60-62．

[5] IEC文件:117/26/RM．