开发可再生能源已成为全球能源转型及实现应对气候变化目标的重大战略举措，而太阳能热发电是大规模开发利用可再生能源的一个重要技术途径，其储热特性使其不仅具有输出平稳可承担基础负的特点，而且也具有电力调峰填谷的功能。国际上太阳能热发电技术发展始于上世纪80年代，目前已经进入第三代太阳能热发电技术研发阶段，而国内起步较晚，各研究院校及相关企业从2006年才开始展开深入研究，直到2016年9月国家能源局才批准了20个太阳能热发电项目的建设。
我国科研机构，特别是中国科学院电工所, 是开展太阳能热发电技术较早、且获得了卓有成效的研究工作的单位，在“十一五”建设完成了亚洲首座1MW塔式太阳能实验电站，在 “十二五”建成1MW槽式太阳能实验电站，在热发电系统核心的聚光-吸热技术研究占据了重要位置，曾获科技部颁发的“‘十一五’国家科技计划执行优秀团队奖”，并获得科技部的“重点领域创新团队”奖。对推动国家太阳能热发电技术、政策等的发展起到了重要作用，在国际太阳能热发电技术领域上占据了重要席位。
分析国际上第三代太阳能热发电技术发展现状与趋势，介绍国内太阳能热发电技术研究现状及其产业发展情况，讨论国内太阳能热发电技术存在的共性问题及新一代太阳能热发电技术研究方向及进展，是今天学术沙龙活动的主要事项。
今天的学术沙龙，请王志峰研究员做主旨报告。王志峰研究员现为中国科学院太阳能热利用及光伏系统重点实验室主任，中国科学院首批特聘核心骨干研究员，国家重点基础研究发展计划（973计划）能源科学领域专家咨询组成员，也是国家太阳能光热产业技术创新战略联盟创始人，国际能源署太阳能热发电和热化学组织（IEASolarPACES）副主席。其科研团队曾入选科技部“重点领域创新团队”，在中国建成首个兆瓦级塔式太阳能热发电实验电站，2017年国家“十二五”863重点项目“槽式集热发电系统试验平台研究及示范系统”顺利验收，完成了兆瓦级槽式太阳能热发电示范电站。
今天我们还邀请到中国科学院工程热物理研究所的韩巍研究员作题目为《太阳能超临界CO₂发电技术原理、瓶颈与研究进展》的邀请报告，韩巍研究员一直从事可再生能源与化石燃料互补利用方法与多功能能源系统，分布式供能系统集成与优化，新型太阳能热发电技术等研究工作。主持或参加了国家自然科学基金项目、国家高技术研究发展规划项目（863）、国家重点基础研究发展规划项目（973）、国家重点研发专项等20余项。在国内外发表科研论文100余篇，获得国家发明专利20余项。曾获美国机械工程师协会(ASME IGTI Coal, Biomass & Alternative Fuels Committee) 2007年最佳技术论文奖，国家能源局软科学二等奖，2017年中国专利优秀奖，2018年中国电力科学技术进步一等奖和浙江电力科学技术进步一等奖。
两位专家报告之后，进行沙龙讨论发言，请大家敞开思路，踊跃发言，积极参加讨论。我们电工研究所李耀华所长在百忙中来参加此次活动，体现了所领导对今天学术沙龙活动的重视和支持，下面首先请李耀华所长讲话。
李耀华所长：
各位老领导、各位老同事、在职的同事大家上午好！十分高兴参加2019年度老科协主办的学术沙龙，这也是我第三次参加学术沙龙了，这次沙龙现在以太阳能热发电技术为主题开展讨论，还邀请了工程热物理所的韩巍老师来参加。老科协对推动电工所的科研工作、活跃学术气氛做了卓有成效的工作，在此我代表所领导、代表全体在职职工对老科协做的工作表示衷心的感谢。
电工研究所是一个比较低调的研究所，但工作都是自己干自己的，相互交流的机会比较少，老科协的活动也推动了所内的交流，尽管是刚刚起步，但是已经取得了很好的作用。今后希望在职的各个研究部门大力支持老科协的工作，进一步活跃所里面的学术气氛，推动所里科研工作的发展，我衷心的祝愿这次会议取得圆满成功，谢谢大家！
吴石增：谢谢李所长的讲话。下面请王志锋研究员作主旨报告：
【主旨报告】王志峰：太阳能热发电技术及其产业化进展
首先非常感谢各位老师、各位领导来参加此次活动！非常感谢吴老师的邀请，吴老师工作非常认真，从去年十月份就开始与我沟通，确定了本次沙龙活动的主题。我也想就本次机会向大家汇报一下太阳能热发电技术及其产业化进展情况，不当之处请大家批评指正。
1. 引言
太阳能热发电技术是大规模开发利用太阳能的一个重要技术途径。它通过聚光器捕获低密度的太阳辐射能量然后聚焦到位于焦点或焦线处的吸热器上，吸热器将太阳能转化为热能并加热内部的传热工质，然后利用不同的热力循环将热能转换为机械能来驱动发电机进行发电，如图1所示，它的最大的特点是可以进行储热，从而消除了太阳间歇性、不稳定性的缺点，可以保证电能的稳定供应以及在电网中进行调峰填谷的功能。
图1 太阳能热发电过程
太阳能热发电技术自从上世纪80年代初开始发展，已经有了近40年的历史。总结起来，根据吸热器参数不同，太阳能热发电技术可以分为四代技术。
第一代为导热油和水作为工质的太阳能热发电技术，其吸热器运行温度在230℃-430℃范围。导热油工质主要用在槽式太阳能热发电系统中，最高运行温度为400℃，超过该温度后导热油会发生分解。由于热机效率随温度升高而提高，因此这种技术的由于最高温度400℃的限制，导致太阳能热发电效率较低。但是基于导热油作为传热工质的槽式太阳能热发电技术由于其模块化制作、系统运行稳定、成本较低的优点，是目前国际上商业化程度最广的技术。目前，德国的瓦克公司（WACKER）开发了HELISOL硅油，这种硅油可以最高运行在425℃，进一步提高了传热工质出口温度，其凝固点定于-40℃，非常适合应用于中国的西部或北方地区。
对于塔式太阳能热发电来说，采用水/蒸汽作为吸热与传热工质，能直接将吸热器的热量带入汽轮机，简化了整个系统。但水工质在300℃左右时，若处在饱和状态下运行，由于其工作压力为超高压，从而对吸热器及相应设备管路的材料和安全性要求非常高；而若在过热状态下运行，则存在过热蒸汽比热较小的问题，使得吸热器在非稳态非均匀的太阳辐射条件下运行监控十分复杂。水工质的工作温度受到压力的制约一般不会太高，系统整体发电效率的提高受到很大限制。目前西班牙PS10、美国Ivanpah电站及电工所在延庆的八达岭塔式实验电站采用的都是水/蒸汽的吸热器。对于槽式太阳能热电技术来说，采用水/蒸汽作为传热工质同样可以显著简化系统，减少换热器等，不足之处就是在槽式集热管内存在两相流问题，相变过程比较复杂，需要开发复杂的控制策略才能保证系统稳定。另外，水/蒸汽传热工质的系统如何进行储热也是较大的问题，大部分都是配置了辅助锅炉保证电站系统的稳定性。因此目前采用水/蒸汽作为传热工质的技术只在西班牙PSA测试中心、法国及泰国建设了较小规模的槽式系统，国内北京兆阳光热公司建设了水/蒸汽传热工质的类线性菲涅尔系统。
图2 电工所水/蒸汽工质的1MW塔式太阳能热发电实验电站
第二代技术为采用熔融盐作为传热工质的太阳能热发电技术，其吸热器运行温度在375℃-560℃范围。熔融盐是盐类的熔融态液体，太阳能热发电技术中通常所说的熔融盐是指无机盐熔融体。一般为混合熔融盐，其熔点（或凝固点）普遍较高，在某一特定温度范围内，物理化学性能稳定，超过特定温度也会发生分解和氧化反应。如二元体系的混合硝酸盐（成分为60％的NaNO3和40％的KNO3），熔点在221℃到243℃之间，分解点在620℃左右。温度高于分解点会因发生分解反应导致盐质劣化；三元体系的混合硝酸盐（成分为40％的NaNO2，53%的KNO3 和7%的NaNO3），熔点为146℃，分解点在550℃附近。温度高于分解点，会因发生亚硝酸盐分解和氧化反应导致熔融盐熔点升高，盐质劣化。熔融盐可以同时作为电站的储热工质， 从而实现“吸热-储热”。目前大部分塔式太阳能热发电站采用熔融盐作为传热工质，而部分槽式太阳能热发电系统也开始采用熔融盐作为传热工质。这些电站中，通常采用二元盐做为传热工质，其最高使用温度可以达到550℃，显著提升了光热发电效率。 但熔融盐的缺点是其较高的凝固点，如二元盐，其凝固点在230℃左右，低于该温度系统将发生冻堵，因此需要采用电伴热系统维持其全天温度不低于凝固点温度，导致较高的维持成本和热量损失。
图3 首航节能100MW熔融盐塔式太阳能热发站
第三代技术为空气作为传热工质的太阳能热发电技术。利用高温空气发电的热力循环，通常称作 Brayton 循环。 空气吸热器是整个循环系统中的关键部件， 空气吸热器的核心部件是吸热体。空气吸热器的工作原理是：多孔材料吸热体吸收聚光太阳辐射并把其转化为热能，空气在压力驱动下流经吸热体材料，通过与多孔材料的固体骨架表面进行对流换热而温度升高，最后获得高温的空气。以空气为传热流体的塔式电站优点在于易于获得，无成本，清洁，环境友好；工作温度范围宽，无相变；可实现高运行温度，发电效率高等特点。不足之处在于空气传热效果差，源于其低密度和高粘度的物理特性，吸热内温度部分不均，承压不足等。
常用的多孔材料如碳化硅泡沫陶瓷材料，其是一种强度高、导热系数高、 热膨胀系数低、 抗热冲击能力强和高温下抗氧化性能优异的高性能陶瓷材料。目前被认为是最有潜力作为空气吸热器吸热体的材料。电工所在延庆太阳能热电基地开展了基于泡沫陶瓷吸热器的塔式太阳能系统实验测试，如图4所示，空气最高温度可达到800℃以上。
图4 电工所1MWth空气吸热器
第四代技术以固体颗粒或液体金属作为传热工质的太阳能热发电技术，其吸热器运行温度在800℃及以上，可以采用超临界二氧化碳（S-Co2）的布莱顿循环，获得更高的发电效率。当前，从交变应力下吸热体的安全性考虑，全球目前还没一个超过600℃的面式或管式液体吸热器运行。而采用颗粒作为吸热体可以形成不连续的吸热面和体，颗粒器的优点在于：柔性吸热面，耐非均匀高能流高温和热冲击；耐温高，1000℃；使用温域宽，不冻结，不过热，避免了熔融盐的问题；体吸收效率高；价格低廉等特点。目前颗粒吸热器是国际上研究的热点技术，表1示出了不同的颗粒吸热器研究情况。当颗粒吸热器达到高温后，通过与S-Co2进行换热，获得更高的发电效率。美国、德国、法国及西班牙等国家都开展了大量的S-Co2太阳能发电技术研究。电工所近年来也开展了该方面的研究，如图5所示，开发了固体颗粒自由下落式吸热器。在2019年也刚刚获得了国家重点研发计划：“超临界CO2太阳能热发电关键基础问题研究”项目，共有18家单位，开展相关研究。具体的超临界CO2技术，将由工程热物理所的韩巍博士来具体介绍。
图5 电工所的固体颗粒自由下落式吸热器
在太阳能热发电技术里面有一个重要的技术就是储热，储热可以帮助太阳能热发电系统实现平稳发电和调峰填谷的功能。但目前的储热问题是热进去容易，但输出较为困难。越容易储热的介质其热量越难以出来，因为储热材料的导热系数一般比较低。目前，我们提出了采用仿生学的方法来做，在人工器官或者是植物、动物里面有很多各种通道，会把能量输送到很多的地方，也会带出很多的废弃物，通道是等级孔，比如血管，有动脉、颈脉、毛细血管分布在全身的表面，让每个细胞得到能量的营养，基于仿生的原理，开展储热技术研究将是今后太阳能热发电技术里的一个新的研究热点。
另外，如何降低聚光成本也是太阳能热发电技术的一个核心问题，目前聚光器成本占了热发电的成本50%以上。首先是跟踪采用的都是曲面玻璃，材料制造和跟踪设备的成本高。目前国际上提出了采用超表面聚光方式，用负折射率常数产生特殊的性能，通过调制腔体的频率，可实现控制光波的共振频率，形成光在某个波长下向某个方向反射和传输，如图6所示。该超表面聚光可以大大降低成本，预计聚光成本降低60%，是属于变革新技术。
图6 表面超材料聚光
