聚焦型太陽(yáng)能熱發(fā)電(Concentrated solar power，CSP;Concentrated solar thermal)是一個(gè)集熱式的太陽(yáng)能發(fā)電廠的發(fā)電系統(tǒng)。它使用反射鏡或透鏡，利用光學(xué)原理將大面積的陽(yáng)光匯聚到一個(gè)相對(duì)細(xì)小的集光區(qū)中，令太陽(yáng)能集中，在發(fā)電機(jī)上的集光區(qū)受太陽(yáng)光照射而溫度上升，由光熱轉(zhuǎn)換原理令太陽(yáng)能換化為熱能，熱能通過(guò)熱機(jī)(通常是蒸汽渦輪發(fā)動(dòng)機(jī))做功驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，從而產(chǎn)生的電力。（撰文：龐名立）
2005 年全球太陽(yáng)能聚熱電站總裝機(jī)容量為的 354 MW，到2018年飛躍到5500MW。盡管從2013年起，西班牙沒(méi)有新的裝機(jī)容量進(jìn)入商業(yè)運(yùn)營(yíng)，但占世界容量的近一半，為2300MW。美國(guó)緊隨其后，裝機(jī)容量為 1740 MW。北非和中東以及印度和中國(guó)的興趣也很明顯。全球市場(chǎng)最初由拋物線槽式電站主導(dǎo)，一度占 CSP 電站的 90%。但從約 2010 年以來(lái)，中央電力塔式 CSP 因其較高的運(yùn)行溫度而受到新電廠的青睞—高達(dá) 565℃，也許會(huì)更高的效率;而槽的最高溫度為400℃。
較大的CSP的項(xiàng)目是在美國(guó)的伊萬(wàn)帕太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)施(Ivanpah Solar Power Facility)，它使用392 MW太陽(yáng)能發(fā)電塔技術(shù)，無(wú)需熱能儲(chǔ)存，然而瓦爾扎扎特太陽(yáng)能發(fā)電站在摩洛哥，相結(jié)合的槽和塔技術(shù)總計(jì) 510 MW，具有數(shù)小時(shí)的能量存儲(chǔ)，居世界第一。
太陽(yáng)能聚熱電站的儲(chǔ)能優(yōu)勢(shì)推動(dòng)光熱發(fā)電崛起 降低成本勢(shì)在必行。這意味著與傳統(tǒng)的發(fā)電廠一樣，光熱電站產(chǎn)生的電力可以很好地滿足連續(xù)的用電需求，而這主要得益于光熱電站可以配置高性價(jià)比的熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)。這種儲(chǔ)熱技術(shù)并非直接蓄電(光伏和風(fēng)電一般使用蓄電池來(lái)儲(chǔ)存電力)，這使得光熱電站生產(chǎn)的電力不僅可調(diào)度，而且可以實(shí)現(xiàn)24小時(shí)電力調(diào)度，且夜間不需要補(bǔ)充備用燃料。
塔式光熱發(fā)電技術(shù)便采用熔鹽進(jìn)行儲(chǔ)熱，由硝酸鈉和硝酸鉀組成的混合物被作為電站的傳儲(chǔ)熱介質(zhì)。熔鹽泵將熔融鹽(300℃)泵到高約164米左右的吸熱塔頂端的吸熱器中，而吸熱器用集中的太陽(yáng)輻射熱量將熔鹽加熱到約565℃。約27215噸的熔融鹽被密封存儲(chǔ)在不銹鋼罐中，這樣可以更好地實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)熱。
CSP作為一種熱能發(fā)電站，與燃煤、燃?xì)獾然鹆Πl(fā)電站以及地?zé)犭娬居懈嗟墓餐c(diǎn)。CSP發(fā)電廠可以結(jié)合熱能儲(chǔ)存，以顯熱或潛熱的形式儲(chǔ)存能量(例如使用熔鹽)，這使得這些發(fā)電廠能夠在需要時(shí)繼續(xù)發(fā)電，無(wú)論白天還是黑夜。這使得 CSP 成為一種可調(diào)度的太陽(yáng)能形式。可調(diào)度的可再生能源在光伏 (PV) 普及率已經(jīng)很高的地方尤其有價(jià)值，例如在加利福尼亞，因?yàn)楫?dāng)光伏容量下降時(shí)，電力需求會(huì)在日落附近達(dá)到峰值(這種現(xiàn)象稱為鴨曲線)。
CSP 通常與光伏(PV)進(jìn)行比較，因?yàn)樗鼈兌际褂锰?yáng)能。近年來(lái)，由于價(jià)格下跌，光伏經(jīng)歷了巨大的增長(zhǎng);由于技術(shù)困難和價(jià)格高昂，太陽(yáng)能 CSP 增長(zhǎng)緩慢。2017 年CS??P 占全球太陽(yáng)能發(fā)電廠裝機(jī)容量不到 2%。然而，CSP 可以更輕松地在夜間儲(chǔ)存能量，使其與可調(diào)度發(fā)電機(jī)和基荷電廠相比更具競(jìng)爭(zhēng)力。
迪拜的 DEWA 項(xiàng)目于 2019 年在建，其 700 MW 槽式和塔式組合項(xiàng)目保持2017 年CSP 價(jià)格最低世界紀(jì)錄為$73/MWh：600 MW 槽式，100 MW 塔式 15小時(shí)每天的熱能儲(chǔ)存。智利極度干燥的阿塔卡馬地區(qū)的基本負(fù)荷 CSP 電價(jià)在 2017 年其價(jià)格低于$50/ MWh。
太陽(yáng)能聚焦熱歷史
▲ 傳說(shuō)阿基米德(Archimedes 公元前287年～212年)用“燃燒的玻璃(burning glass)”將陽(yáng)光聚集在入侵的羅馬艦隊(duì)上，將他們從錫拉丘茲(Syracuse)擊退。1973年希臘科學(xué)家揚(yáng)尼斯?薩卡斯(Ioannis Sakkas)博士對(duì)阿基米德是否真實(shí)能在公元前 212 年摧毀羅馬艦隊(duì)感到好奇，將近 60 名希臘水手排成一排，每個(gè)人都拿著一面長(zhǎng)方形的鏡子，可以捕捉太陽(yáng)光線并將其對(duì)準(zhǔn)焦油-覆蓋膠合板 49 m (160 ft) 遠(yuǎn)。幾分鐘后，這艘船著火了;然而，仍然有歷史學(xué)家繼續(xù)懷疑阿基米德的故事。
▲ 1866 年奧古斯特·穆肖特(Auguste Mouchout)使用拋物線槽為第一臺(tái)太陽(yáng)能蒸汽機(jī)生產(chǎn)蒸汽。
▲ 1886 年意大利人亞歷山德羅·巴塔利亞 (Alessandro Battaglia) 在意大利熱那亞獲得了太陽(yáng)能集熱器的第一項(xiàng)專利。在接下來(lái)的幾年里，約翰·愛(ài)立信( John Ericsson)和弗蘭克·舒曼( Frank Shuman) 等發(fā)明家開發(fā)了用于灌溉、制冷和移動(dòng)的聚光太陽(yáng)能設(shè)備。
▲ 1913年舒曼(Shuman)在埃及馬迪(Maadi, Egypt)完成了一座 55 馬力(41 千瓦)的拋物線太陽(yáng)能熱發(fā)電站，用于灌溉。首次使用反射鏡的太陽(yáng)能系統(tǒng)是由火箭專家羅伯特·戈達(dá)德(Robert Hutchings Goddard，1882年～1945年)博士建造的，他已經(jīng)以對(duì)液體燃料火箭的研究而聞名，并于 1929 年寫了一篇文章，斷言之前的所有障礙都已解決。
▲ 法國(guó)喬瓦尼教授(Professor Giovanni Francia，1911～1980年) 設(shè)計(jì)并建造了第一座聚光太陽(yáng)能發(fā)電廠，該發(fā)電廠于1968 年在意大利熱那亞(Genoa, Italy)附近的圣伊拉里奧投產(chǎn)。該發(fā)電廠具有當(dāng)今發(fā)電塔式發(fā)電廠的架構(gòu)，在其內(nèi)部裝有太陽(yáng)能接收器。太陽(yáng)能集熱器領(lǐng)域的中心。該工廠能夠用 100 bar 和 500 °C 的過(guò)熱蒸汽生產(chǎn) 1 MW。 10 MW太陽(yáng)能一號(hào)發(fā)電塔(Solar One power tower)于 1981 年在南加州開發(fā)。太陽(yáng)能一號(hào)被轉(zhuǎn)換為太陽(yáng)能二號(hào)1995 年，采用熔鹽混合物(60% 硝酸鈉，40% 硝酸鉀)作為接收器工作流體和存儲(chǔ)介質(zhì)的新設(shè)計(jì)。熔鹽方法被證明是有效的，太陽(yáng)能二號(hào)在 1999 年退役之前一直成功運(yùn)行。附近太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)( Solar Energy Generating Systems，縮寫SEGS)的拋物線槽技術(shù)始于 1984 年，更可行。354 MW SEGS 是世界上最大的太陽(yáng)能發(fā)電廠，直到 2014 年。
▲ 從 1990 年太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)(SEGS)建成到 2006年澳大利亞利德爾發(fā)電站(Liddell Power Station in Australia)的緊湊型線性菲涅耳反射器系統(tǒng)( Compact linear Fresnel reflector system)建成，沒(méi)有建造商業(yè)聚光太陽(yáng)能。盡管 5 MW Kimberlina 太陽(yáng)能熱能發(fā)電廠于 2009 年開業(yè)，但很少有其他發(fā)電廠采用這種設(shè)計(jì)。
▲ 2007 年75 MW 的內(nèi)華達(dá)太陽(yáng)能1號(hào)(Nevada Solar One)建成，采用槽式設(shè)計(jì)，是 SEGS 以來(lái)的第一座大型電站。2009 年至 2013 年間，西班牙建造了 40 多個(gè)拋物線槽系統(tǒng)，標(biāo)準(zhǔn)化為 50 MW 模塊。
▲ 由于太陽(yáng)能2號(hào)(Solar Two)的成功，2011年在西班牙建造了一座名為Solar Tres Power Tower的商業(yè)發(fā)電廠，后來(lái)更名為Gemasolar Thermosolar Plant。Gemasolar 的結(jié)果為進(jìn)一步開發(fā)此類裝置鋪平了道路。伊萬(wàn)帕太陽(yáng)能發(fā)電設(shè)施(Ivanpah Solar Power Facility )是在同一時(shí)間建造的，但沒(méi)有蓄熱，每天早上使用天然氣預(yù)熱水。
▲ 多數(shù)聚光太陽(yáng)能發(fā)電廠使用拋物線槽設(shè)計(jì)，而不是電力塔或菲涅耳系統(tǒng)。也有拋物線槽系統(tǒng)的變體，例如結(jié)合了槽和傳統(tǒng)化石燃料供熱系統(tǒng)的集成太陽(yáng)能聯(lián)合循環(huán)(integrated solar combined cycle ，縮寫ISCC) 。
▲ 聚光太陽(yáng)能(CSP)最初被視為光伏發(fā)電(PV)的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，而 Ivanpah 的建造沒(méi)有儲(chǔ)能，盡管 Solar Two 已經(jīng)包含了幾個(gè)小時(shí)的熱存儲(chǔ)。到 2015 年，光伏電站的價(jià)格已經(jīng)下降，光伏商業(yè)電力的售價(jià)為近期 CSP 合同的1 ⁄ 3。然而，越來(lái)越多的 CSP 競(jìng)標(biāo)具有 3 到 12 小時(shí)的熱能存儲(chǔ)，使 CSP 成為一種可調(diào)度的太陽(yáng)能形式。因此，它越來(lái)越被視為與天然氣和光伏電池競(jìng)爭(zhēng)，以獲得靈活、可調(diào)度的電力。
當(dāng)前太陽(yáng)能聚焦熱技術(shù)
聚焦型太陽(yáng)能熱發(fā)電(Concentrated solar power，CSP;Concentrated solar thermal)不要與聚光光伏(CPV)混為一談。聚光光伏(Concentrator photovoltaics ，CPV)是通過(guò)光生伏打效應(yīng)(photovoltaic effect)把聚光的太陽(yáng)光直接轉(zhuǎn)換為電能。
聚光光伏(Concentrator photovoltaics ，CPV)是一種從陽(yáng)光中發(fā)電的光伏技術(shù)。與傳統(tǒng)的光伏系統(tǒng)不同，它使用透鏡或曲面鏡將陽(yáng)光聚焦到小型，高效，多結(jié)(MJ)的太陽(yáng)能電池上。此外，CPV系統(tǒng)通常使用太陽(yáng)能跟蹤器，有時(shí)還使用冷卻系統(tǒng)以進(jìn)一步提高效率。正在進(jìn)行的研究和開發(fā)正在迅速提高其在公用事業(yè)規(guī)模領(lǐng)域和日曬程度較高的領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力。
當(dāng)前CSP聚光技術(shù)存在四個(gè)常見的形式，即拋物線槽型，斯特林碟型，聚光線性菲涅爾反射鏡型和太陽(yáng)能發(fā)電塔型。雖說(shuō)簡(jiǎn)單，這些太陽(yáng)能集光器距離理論上的集光最大值還很遠(yuǎn)。例如，拋物線槽濃度給出大約1/3的理論最大值為設(shè)計(jì)接受角，即對(duì)于相同的系統(tǒng)整體公差。接近理論最大值可以通過(guò)使用基于非成像光學(xué)的更精細(xì)的聚光器來(lái)實(shí)現(xiàn)。
由于它們跟蹤太陽(yáng)和聚焦光的方式不同，不同類型的聚光器產(chǎn)生不同的峰值溫度和相應(yīng)變化的熱力學(xué)效率。CSP 技術(shù)的新創(chuàng)新正在引領(lǐng)系統(tǒng)變得越來(lái)越具有成本效益。
?、?拋物線槽型(Parabolic trough)。拋物線槽型的聚光鏡是由把反射光集中到焦線的一個(gè)接收器的拋物線反射鏡組成。接收器是在拋物面反射鏡的中間正上方的一個(gè)管子，并且管子中充滿了的工作流體。反射鏡通過(guò)沿單軸在白天跟蹤太陽(yáng)。在流經(jīng)接收器時(shí)，工作流體(例如，熔鹽)被加熱到150-350℃(423～623 K(302～662 °F))，然后將其用作發(fā)電系統(tǒng)用的熱源。拋物線槽型系統(tǒng)是最發(fā)達(dá)的CSP技術(shù)。
⑵ 斯特林碟型(Stirling dish)。聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電(CSP)-斯特林已知具有在所有太陽(yáng)能技術(shù)中最高的效率(30%左右，相對(duì)于太陽(yáng)能光伏PV的約15%)，以及被預(yù)測(cè)為能生產(chǎn)高規(guī)模化生產(chǎn)的所有的可再生能源中最便宜的能量和在炎熱地區(qū)，半沙漠等。蝶式系統(tǒng)利用大型拋物線曲面聚光反射鏡(形狀與衛(wèi)星電視碟相似)，將入射陽(yáng)光聚集在焦點(diǎn)處，在那里一個(gè)接收器捕捉熱量并將其轉(zhuǎn)換成有用的形式。通常是碟與斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)被耦合在一個(gè)斯特林碟形系統(tǒng)，但有時(shí)蒸汽機(jī)也被使用。這些產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動(dòng)能，可使用發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能。
?、?聚光線性菲涅爾反射鏡型(Fresnel reflectors)。菲涅耳反射器是由許多薄的平面鏡條把太陽(yáng)光集中到管子上，其中管子通過(guò)被泵送的工作流體。平面鏡允許在相同的空間中有比一個(gè)拋物面反射器量更多的反射面，從而捕獲更多的可用的太陽(yáng)光，并且它們比拋物面反射器便宜得多。菲涅耳反射器可以用于各種大小的聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電。
?、?太陽(yáng)能發(fā)電塔型(Solar power tower)。塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電是采用大量的定向反射鏡(定日鏡)將太陽(yáng)光聚集到一個(gè)裝在塔頂?shù)闹醒霟峤粨Q器(接受器)上，接受器一般可以收集100MW的輻射功率，產(chǎn)生1100°C的高溫。
全球太陽(yáng)能熱電站數(shù)量
目前，全球有太陽(yáng)能聚焦熱電站64座在運(yùn)行，其中西班牙最多有27座，其次是美國(guó)有12座。中國(guó)運(yùn)行的有8座。待建的太陽(yáng)能聚焦熱電站有19座，美國(guó)8座、中國(guó)6座。
世界各國(guó)太陽(yáng)能聚焦熱電站數(shù)量
全球前十大太陽(yáng)能聚焦熱電站
盡管中國(guó)太陽(yáng)能聚焦熱電站落后于西班牙和美國(guó)，但是進(jìn)展較快。先請(qǐng)看德令哈太陽(yáng)能發(fā)電站視頻
https://weibo.com/tv/show/1034:4295424870400900?from=old_pc_videoshow
中國(guó)太陽(yáng)能聚焦熱電站
全球在建的裝機(jī)容量至少在50MW的太陽(yáng)能聚焦熱電站有7座，其中中國(guó)有6座。最大的是在阿聯(lián)酋迪拜—穆罕默德·本·拉希德·阿勒馬克圖姆太陽(yáng)能公園四期(Mohammed bin Rashid Al Maktoum Solar Park Phase IV)，估計(jì)2021年竣工。中國(guó)在建的CSP如表。
中國(guó)在建太陽(yáng)能聚焦熱電站
世界著名的太陽(yáng)能聚焦熱發(fā)電公司
評(píng)論