聚焦型太陽能熱發(fā)電(Concentrated solar power，CSP;Concentrated solar thermal)是一個集熱式的太陽能發(fā)電廠的發(fā)電系統(tǒng)。它使用反射鏡或透鏡，利用光學原理將大面積的陽光匯聚到一個相對細小的集光區(qū)中，令太陽能集中，在發(fā)電機上的集光區(qū)受太陽光照射而溫度上升，由光熱轉(zhuǎn)換原理令太陽能換化為熱能，熱能通過熱機(通常是蒸汽渦輪發(fā)動機)做功驅(qū)動發(fā)電機，從而產(chǎn)生的電力。（撰文：龐名立）
2005 年全球太陽能聚熱電站總裝機容量為的 354 MW，到2018年飛躍到5500MW。盡管從2013年起，西班牙沒有新的裝機容量進入商業(yè)運營，但占世界容量的近一半，為2300MW。美國緊隨其后，裝機容量為 1740 MW。北非和中東以及印度和中國的興趣也很明顯。全球市場最初由拋物線槽式電站主導，一度占 CSP 電站的 90%。但從約 2010 年以來，中央電力塔式 CSP 因其較高的運行溫度而受到新電廠的青睞—高達 565℃，也許會更高的效率;而槽的最高溫度為400℃。
較大的CSP的項目是在美國的伊萬帕太陽能發(fā)電設施(Ivanpah Solar Power Facility)，它使用392 MW太陽能發(fā)電塔技術(shù)，無需熱能儲存，然而瓦爾扎扎特太陽能發(fā)電站在摩洛哥，相結(jié)合的槽和塔技術(shù)總計 510 MW，具有數(shù)小時的能量存儲，居世界第一。
太陽能聚熱電站的儲能優(yōu)勢推動光熱發(fā)電崛起 降低成本勢在必行。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比的熔鹽儲熱系統(tǒng)。這種儲熱技術(shù)并非直接蓄電(光伏和風電一般使用蓄電池來儲存電力)，這使得光熱電站生產(chǎn)的電力不僅可調(diào)度，而且可以實現(xiàn)24小時電力調(diào)度，且夜間不需要補充備用燃料。
塔式光熱發(fā)電技術(shù)便采用熔鹽進行儲熱，由硝酸鈉和硝酸鉀組成的混合物被作為電站的傳儲熱介質(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輻射熱量將熔鹽加熱到約565℃。約27215噸的熔融鹽被密封存儲在不銹鋼罐中，這樣可以更好地實現(xiàn)儲熱。
CSP作為一種熱能發(fā)電站，與燃煤、燃氣等火力發(fā)電站以及地熱電站有更多的共同點。CSP發(fā)電廠可以結(jié)合熱能儲存，以顯熱或潛熱的形式儲存能量(例如使用熔鹽)，這使得這些發(fā)電廠能夠在需要時繼續(xù)發(fā)電，無論白天還是黑夜。這使得 CSP 成為一種可調(diào)度的太陽能形式?？烧{(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值，例如在加利福尼亞，因為當光伏容量下降時，電力需求會在日落附近達到峰值(這種現(xiàn)象稱為鴨曲線)。
CSP 通常與光伏(PV)進行比較，因為它們都使用太陽能。近年來，由于價格下跌，光伏經(jīng)歷了巨大的增長;由于技術(shù)困難和價格高昂，太陽能 CSP 增長緩慢。2017 年CS??P 占全球太陽能發(fā)電廠裝機容量不到 2%。然而，CSP 可以更輕松地在夜間儲存能量，使其與可調(diào)度發(fā)電機和基荷電廠相比更具競爭力。
迪拜的 DEWA 項目于 2019 年在建，其 700 MW 槽式和塔式組合項目保持2017 年CSP 價格最低世界紀錄為$73/MWh：600 MW 槽式，100 MW 塔式 15小時每天的熱能儲存。智利極度干燥的阿塔卡馬地區(qū)的基本負荷 CSP 電價在 2017 年其價格低于$50/ MWh。
太陽能聚焦熱歷史
▲ 傳說阿基米德(Archimedes 公元前287年～212年)用“燃燒的玻璃(burning glass)”將陽光聚集在入侵的羅馬艦隊上，將他們從錫拉丘茲(Syracuse)擊退。1973年希臘科學家揚尼斯?薩卡斯(Ioannis Sakkas)博士對阿基米德是否真實能在公元前 212 年摧毀羅馬艦隊感到好奇，將近 60 名希臘水手排成一排，每個人都拿著一面長方形的鏡子，可以捕捉太陽光線并將其對準焦油-覆蓋膠合板 49 m (160 ft) 遠。幾分鐘后，這艘船著火了;然而，仍然有歷史學家繼續(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太陽能蒸汽機生產(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能集熱器的第一項專利。在接下來的幾年里，約翰·愛立信( John Ericsson)和弗蘭克·舒曼( Frank Shuman) 等發(fā)明家開發(fā)了用于灌溉、制冷和移動的聚光太陽能設備。
▲ 1913年舒曼(Shuman)在埃及馬迪(Maadi, Egypt)完成了一座 55 馬力(41 千瓦)的拋物線太陽能熱發(fā)電站，用于灌溉。首次使用反射鏡的太陽能系統(tǒng)是由火箭專家羅伯特·戈達德(Robert Hutchings Goddard，1882年～1945年)博士建造的，他已經(jīng)以對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。
▲ 法國喬瓦尼教授(Professor Giovanni Francia，1911～1980年) 設計并建造了第一座聚光太陽能發(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)電廠具有當今發(fā)電塔式發(fā)電廠的架構(gòu)，在其內(nèi)部裝有太陽能接收器。太陽能集熱器領(lǐng)域的中心。該工廠能夠用 100 bar 和 500 °C 的過熱蒸汽生產(chǎn) 1 MW。 10 MW太陽能一號發(fā)電塔(Solar One power tower)于 1981 年在南加州開發(fā)。太陽能一號被轉(zhuǎn)換為太陽能二號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介質(zhì)的新設計。熔鹽方法被證明是有效的，太陽能二號在 1999 年退役之前一直成功運行。附近太陽能發(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能發(fā)電廠，直到 2014 年。
▲ 從 1990 年太陽能發(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，沒有建造商業(yè)聚光太陽能。盡管 5 MW Kimberlina 太陽能熱能發(fā)電廠于 2009 年開業(yè)，但很少有其他發(fā)電廠采用這種設計。
▲ 2007 年75 MW 的內(nèi)華達太陽能1號(Nevada Solar One)建成，采用槽式設計，是 SEGS 以來的第一座大型電站。2009 年至 2013 年間，西班牙建造了 40 多個拋物線槽系統(tǒng)，標準化為 50 MW 模塊。
▲ 由于太陽能2號(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，后來更名為Gemasolar Thermosolar Plant。Gemasolar 的結(jié)果為進一步開發(fā)此類裝置鋪平了道路。伊萬帕太陽能發(fā)電設施(Ivanpah Solar Power Facility )是在同一時間建造的，但沒有蓄熱，每天早上使用天然氣預熱水。
▲ 多數(shù)聚光太陽能發(fā)電廠使用拋物線槽設計，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)的集成太陽能聯(lián)合循環(huán)(integrated solar combined cycle ，縮寫ISCC) 。
▲ 聚光太陽能(CSP)最初被視為光伏發(fā)電(PV)的競爭對手，而 Ivanpah 的建造沒有儲能，盡管 Solar Two 已經(jīng)包含了幾個小時的熱存儲。到 2015 年，光伏電站的價格已經(jīng)下降，光伏商業(yè)電力的售價為近期 CSP 合同的1 ⁄ 3。然而，越來越多的 CSP 競標具有 3 到 12 小時的熱能存儲，使 CSP 成為一種可調(diào)度的太陽能形式。因此，它越來越被視為與天然氣和光伏電池競爭，以獲得靈活、可調(diào)度的電力。
當前太陽能聚焦熱技術(shù)
聚焦型太陽能熱發(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)是通過光生伏打效應(photovoltaic effect)把聚光的太陽光直接轉(zhuǎn)換為電能。
聚光光伏(Concentrator photovoltaics ，CPV)是一種從陽光中發(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光聚焦到小型，高效，多結(jié)(MJ)的太陽能電池上。此外，CPV系統(tǒng)通常使用太陽能跟蹤器，有時還使用冷卻系統(tǒng)以進一步提高效率。正在進行的研究和開發(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)域的競爭力。
當前CSP聚光技術(shù)存在四個常見的形式，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能發(fā)電塔型。雖說簡單，這些太陽能集光器距離理論上的集光最大值還很遠。例如，拋物線槽濃度給出大約1/3的理論最大值為設計接受角，即對于相同的系統(tǒng)整體公差。接近理論最大值可以通過使用基于非成像光學的更精細的聚光器來實現(xiàn)。
由于它們跟蹤太陽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變化的熱力學效率。CSP 技術(shù)的新創(chuàng)新正在引領(lǐng)系統(tǒng)變得越來越具有成本效益。
?、?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管子，并且管子中充滿了的工作流體。反射鏡通過沿單軸在白天跟蹤太陽。在流經(jīng)接收器時，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)達的CSP技術(shù)。
⑵ 斯特林碟型(Stirling dish)。聚光太陽能熱發(fā)電(CSP)-斯特林已知具有在所有太陽能技術(shù)中最高的效率(30%左右，相對于太陽能光伏PV的約15%)，以及被預測為能生產(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)，將入射陽光聚集在焦點處，在那里一個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)動機被耦合在一個斯特林碟形系統(tǒng)，但有時蒸汽機也被使用。這些產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)動能，可使用發(fā)電機轉(zhuǎn)換為電能。
⑶ 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光集中到管子上，其中管子通過被泵送的工作流體。平面鏡允許在相同的空間中有比一個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能熱發(fā)電。
?、?太陽能發(fā)電塔型(Solar power tower)。塔式太陽能熱發(fā)電是采用大量的定向反射鏡(定日鏡)將太陽光聚集到一個裝在塔頂?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。
全球太陽能熱電站數(shù)量
目前，全球有太陽能聚焦熱電站64座在運行，其中西班牙最多有27座，其次是美國有12座。中國運行的有8座。待建的太陽能聚焦熱電站有19座，美國8座、中國6座。
世界各國太陽能聚焦熱電站數(shù)量
全球前十大太陽能聚焦熱電站
盡管中國太陽能聚焦熱電站落后于西班牙和美國，但是進展較快。先請看德令哈太陽能發(fā)電站視頻
https://weibo.com/tv/show/1034:4295424870400900?from=old_pc_videoshow
中國太陽能聚焦熱電站
全球在建的裝機容量至少在50MW的太陽能聚焦熱電站有7座，其中中國有6座。最大的是在阿聯(lián)酋迪拜—穆罕默德·本·拉希德·阿勒馬克圖姆太陽能公園四期(Mohammed bin Rashid Al Maktoum Solar Park Phase IV)，估計2021年竣工。中國在建的CSP如表。
中國在建太陽能聚焦熱電站
世界著名的太陽能聚焦熱發(fā)電公司
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