Vol.198-何雅玲院士团队：聚光太阳能热发电的发展及展望

　　

　　Editor's Choice：Energy期刊主编从每期所有文章中挑选一篇论文质量高、研究内容新颖的文章作为推荐，旨在共享最新的研究动向。

 

　　能源危机和环境问题的突出使得利用可再生能源发电成为研究热点话题之一。在既定的路线图中，欧盟、中国和美国计划在2050年将其可再生能源发电份额分别提高到100%、80%和80%。风能和太阳能是两种丰富的资源，对达到预定的目标发挥着关键的作用。在此背景下，风电和太阳能的利用将升至前所未有的高位。

　　然而，风能发电和光伏发电都是间歇性的过程，因此需要高度适应性的电力系统来维持。任何能提高电力系统灵活性的可调可再生能源都具有极高的研究价值。研究表明，通过采用热能储存(TES)的聚光太阳能热发电(CSP)可以实现以上目标。

　　在带有热能储存的聚光热电厂，太阳辐射集中在一个吸热器上，太阳能被转换成热能。一部分热能直接用于产生高温蒸汽或气体，驱动发电的动力循环。另一部分热能可以储存在储热装置中，以便在夜间或恶劣天气下驱动循环。因此，具有储热的聚光太阳能热发电可以平衡波动的电量，维持可靠的电力系统和高份额的可再生能源。近年来，全球累计CSP产能增长迅速，到2019年12月已达到6430MWe（见图1）。此外，还有3645MWe正在建设或开发中。

图1  全球CSP累积增长量

　　近期，西安交通大学何雅玲院士团队于Energy期刊发表聚光太阳能热发电的综述性文章，从两个方面分析了聚光太阳能热发电（CSP）的现状和发展趋势：(1)通过将运行温度提高到700℃以上，实现高效聚光太阳能发电的潜在途径；(2)在700℃以上的高效太阳能集热、储热和发电技术。

　　基于本文分析，总结了高温聚光热发电的技术难点：(1)定日镜设计方法和场布局优化方法的缺乏；(2)高温太阳热转换、储热、传热的和储能性能的显著下降；(3)CSP缺乏合适的超临界CO₂（S-CO₂）布雷顿循环和其部件的成熟的设计方法。

　　为了克服这些问题，作者从以下三个方面提出了建议。(1)寻求最佳定日镜尺寸和布局的优化方法，以及定日镜结构设计技术。(2)应采用高效率的方法设计吸热器和储热装置，并由耐用材料制成，以保持高效性和可靠性。(3)为了实现高效的热电转换，迫切需要研发新型的S-CO₂循环及其关键部件。

图2  三代CSP技术比较

图3  截止2019年12月CSP装机容量及未来发展

图4  定日镜部件及其未来设计方向

图5  两种定日镜排布方式比较

图6  热传输/储热熔融盐的工作温度区间

图7  多尺度提高吸热器效率

图8  典型的气体吸热器

图9  现有的S-CO2布雷顿循环与未来CSP的需求

　　工程热物理专家，中国科学院院士，西安交通大学教授，博士生导师，973项目首席科学家。

长期从事能源的高效利用及节能理论与新方法、太阳能利用、余热利用、储能新技术、制冷与空调技术、航天航空中的热流科学问题等方面的研究，研究成果在航天、能源和化工等领域得到广泛应用。获何梁何利科学与技术进步奖，国家自然科学二等奖2项，国家技术发明二等奖1项，国家科学技术进步奖一等奖-创新团队奖1项，省部级一等奖3项；获国家教学成果一等奖2项、国家教学成果二等奖2项。

　　原文地址：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0360544220304801