张金平，周强，王定美，李津，刘丽娟
（国网甘肃省电力公司电力科学研究院，兰州 730070）
近年来，化石能源日益枯竭、环境污染不断加剧，风电、光伏发电渗透率不断提高，挤占了部分常规机组空间，削弱了电网调节能力［1］。为保障电力系统的安全稳定和清洁高效运行，迫切需要灵活性电源参与电网调频调峰，提升电力系统的灵活性［2］。
光热发电集发电与储热为一体，具有出力灵活可控等优势，可快速深度参与电网调峰，宜与风电、光伏等新能源发电互补运行［2-3］，是极具发展前景的可再生能源发电技术，受到世界各国的重视，得到了积极研究和推广应用。截至2021年年底，全球光热电站累计装机容量为6 692 MW，我国首批示范项目中有7 座塔式、1 个槽式、1 个线性菲涅式光热电站并网投产，共计550 MW。但与风电、光伏发电相比，光热发电规模化发展任重道远。深入分析多重不确定性下光热发电运行特性，研究光热发电灵活参与电网的运行策略和效益评估，对助力光热发电成为我国电源结构中的重要组成具有重要意义［4］。
本文分析国内外现有光热发电技术现状，介绍光热发电基本原理、常见类型及其系统组成；
讨论不同类型光热发电运行特性以及优缺点；
分析光热发电技术研究进展；
展望光热发电技术的发展方向。
太阳能热发电（Concentrating Solar Power， CSP）的基本原理是通过大量反射镜或聚光镜将电站周围的太阳辐射能聚焦于集热区，集热区加热工质吸收太阳辐射能产生高温蒸汽，驱动汽轮发电机组发电，从而将太阳能转化为电能［5-7］。光热发电站一般由集热系统、储热系统、蒸汽产生系统及发电装置组成，如图1所示［8］。
图1 光热发电系统组成示意Fig.1 Composition of the CSP system
1.1 聚光与集热系统
聚光与集热系统是太阳能热发电的基础，主要由聚光镜场、吸热器等构成。聚光镜场由数量巨大的同型聚光装置（如槽形抛物面反射镜、平面定日镜等）按照一定规律布局而成。目前，聚光镜场的投资在各类太阳能发电系统中占整个系统投资的60%以上［9］。聚光镜场吸收的太阳能除了受镜场布局、反射率等因素的影响外，还与外界环境息息相关，如镜场所处位置天气状况、太阳辐射度等。集热器将聚光镜场聚集的太阳辐射能直接转为热能，加热导热油、熔盐等工质。吸热器的性能直接决定了吸热介质的出口温度。受太阳能热源的间歇性和介质熔盐的腐蚀性等因素影响，吸热器对选材、优化设计和可靠性方面的技术和工艺要求很高。
1.2 储热系统
储能系统是实现光热出力灵活可调、光热发电24 h 连续稳定运行的关键，其储热量与电场年发电量、聚光镜场规模及电站总投资息息相关。因此，储能系统的设计需综合考虑储热容量、储热周期与发电经济性等因素［10］。
1.3 蒸汽发生系统
蒸汽发生系统的主要功能与常规火电厂相似，即实现高温流体介质（导热油、熔盐）与水工质之间的热交换，产生过热蒸汽以驱动汽轮机做功；
不同之处在于，光热电站蒸汽发热系统升温速率快，最高可达到10 ℃/min，可实现汽轮机快速启动［11-12］。
1.4 发电系统
发电系统的性能直接关系到太阳能光热发电经济性。此系统配置装备同火电机组类似，但与燃煤机组相比，光热电站的发电系统具有更好的调节性能，这就要求汽轮机具有频繁启停、快速启动、低负荷运行、高效等特点［8，13］。
按照聚能方式及结构，太阳能光热发电技术可分为塔式、槽式、碟式和菲涅尔式四大类。
2.1 塔式太阳能光热发电
塔式发电是一种集中型太阳能热发电技术：在成千上万个独立控制的定日镜所组成的圆周形镜场中心位置矗立一个高达几百m 的吸热塔，独立跟踪太阳的定日镜场将阳光聚集到塔顶部的接收器上以产生高温，加热工质，产生的过热蒸汽驱动汽轮机发电［14-16］。塔式光热发电如图2所示。
图2 塔式光热发电装置Fig.2 Tower solar thermal power generator
2.2 槽式太阳能光热发电
槽式光热发电利用抛物面的光学聚焦原理，将平行于槽形抛物面主轴线的太阳辐射聚焦到集热管。实际应用中，将多个槽形抛物面聚光集热器经过串并联组合构成聚光集热系统，用来吸收太阳辐射能，以产生过热蒸汽驱动发电机组发电［5，17］。槽式光热发电装置结构如图3所示。
图3 槽式光热发电装置Fig.3 Trough solar thermal power generator
2.3 碟式太阳能光热发电
碟式太阳能光热发电系统的采用碟式聚光系统，太阳辐射反射面布置为碟（盘）形，通过碟型抛物面反射镜将太阳光反射聚焦到接收器上，产生的热能通过安装在焦点处的斯特林机推动热动力发电机组发电，工作流程如图4 所示。碟式发电采用点聚焦，具有高聚光比、高集热温度、集热器热损失小的特点，目前峰值光电转换效率可达30%左右，但其单机容量受制于价格因素，单体发电容量规模较小，适用于分布式发电［5，18］。
图4 碟式光热发电装置Fig.4 Dish-type solar thermal power generationor
2.4 菲涅尔式太阳能光热发电
菲涅尔式太阳能光热发电系采用线性菲涅尔式太阳能聚光器。线性菲涅尔式聚光系统由抛物面式聚光系统演化而来，其工作原理与槽式光热发电相似，不同的是线性菲涅尔镜面布置无需保持抛物面形状，太阳直射辐射通过一次平面反射镜聚焦到塔杆顶后经二次反射镜到线性集热器上，加热工质，产生蒸汽，推动汽轮机发电［5，9］。线性菲涅尔式光热发电装置如图5所示。
图5 线性菲涅尔式光热发电装置Fig.5 Linear Fresnel CSP arrays
2.5 各类光热发电技术特性对比
上述4 类光热发电技术路线由于聚光系统结构、光热发电集热方式及光热发电系统各环节工作参数存在差异（见表1），它们的运行性能及推广应用程度不尽相同［5，9］。
表1 4种光热发电技术特点Table 1 Characteristics of four generation technologies
综上所述，碟式和塔式发电技术聚光镜场的光学效率较高，聚光集热及光热转化过程中的能量更集中，系统工作温度和效率也就高。碟式系统受到单机规模和造价的限制，目前在建示范项目的单台机组容量处于kW 级别；
塔式系统的太阳岛控制系统复杂、维护成本高，但具有聚光倍数高、光热转换效率高、热量传递路径短等特点，非常适合大规模、大容量的商业化应用，因此塔式光热发电系统被认为是极具潜力的技术路线，目前约占全球太阳能热发电总装机容量的20%［19-20］。
槽式光热是目前最为成熟、应用范围最广的光热发电技术，约占装机总量的76%［19-20］。槽式光热发电系统具有聚光与集热系统结构部件简单、能量收集跟踪控制简便的特点，但相较于塔式，槽式的聚光较低、散热面积较大，效率和工作温度相应较低。
菲涅尔式光热发电虽然采用了菲涅尔结构聚光镜代替抛物面，降低了聚光镜生产技术难度和成本，但系统总体效率有待提高。目前国内已建成的线性菲涅尔光热发电项目只有兰州大成敦煌50 MW光热发电项目。
3.1 光热发电建模及运行特性
光热发电系统是太阳能集热、传热蓄热、热交换、发电等多个系统的集成与协调控制的动态系统，因此分析系统能量的累积和流动及不同时间尺度下光热发电的运行特性，是实现光热优化运行、提升光热发电效益的基础［4］。目前的光热发电特性模型多考虑光热电站内部热量的转换关系，或将热量与电量之间的关系展示为泛函数关系［21］。在研究简化的光热电站内部能量流过程时，建立适用于调度运行、经济性分析的静态模型。Sioshansi 等［22］通过简化光热电站内部能量交换的动态过程，建立了小时级能量流静态模型。但该模型中并未考虑弃热以及机组的爬坡因素。针对上述未考虑爬坡、备用等因素的模型无法直接应用于含CSP电站的电网调度问题。陈润泽等［23］对静态能流模型进行了改进，并在此基础上提出了光热电站参与下的调度模型。张中丹等［24］对光热发电各子系统自身及之间的能量流进行合理简化，建立面向发电量优化的静态能量流数学模型。在建立考虑热交换的热力学动态模型方面，李换兵［25］以美国SEGS 电站Ⅵ号机组（SEGS Ⅵ）为对象，研究常规槽式太阳能热电站热力系统实时动态仿真模型，并基于仿真模型对该类型电站的动态特性进行分析。耿直等［26］针对带储热装置的中低温槽式光热发电系统搭建了热力学仿真模型，对春分、夏至、秋分、冬至4个典型日进行逐时仿真。李国营［27］建立了塔式太阳能发电系统各环节的热力学动态方程，并基于模型和实际运行数据，进一步研究了北京延庆1 MW 塔式光热电站的整体效率。Alferidi等［8］研究开发了CSP的概率模型，以确定太阳辐射和气温变化对电力系统可靠性的影响，研究还用该模型对系统负荷、装机容量、安装场地参数等一系列因素对光热发电容量可信度和有效承载能力的影响进行了评估。
3.2 含光热发电的电力系统优化运行方法
近年来，将光热电站作为灵活调节资源纳入电力系统以支撑电网灵活性运行需求已成为研究热点。肖白等［21］从光热电站特性出发，分别以系统的收益最大、跟随负荷能力最大、平抑风电出力波动为目标，建立光热-风电-光伏的协调优化调度模型，利用光热电站灵活出力的特性，对风电和光伏发电并网进行削峰填谷，平滑出力曲线。此类研究实现了不同工况和控制模式下的光热、风电、光伏发电系统的优化运行［28-30］。
在源荷协调调度方面，赵昱宣［31］针对光热光伏联合电站，研究了光热电站与多元源荷资源的协调调度问题和报价曲线优化问题，提出了光热电站与多元源荷资源的多元协调调度策略，提高了光热电站与多元源荷资源聚合时的调度经济性和灵活性。刘新元等［32］针对含光热-风电电力系统如何在多时间尺度下实现源荷灵活协调调度问题，构建了含光热-风电的电力系统多时间尺度源-荷协调调度模型，在提高电力系统调度灵活性的同时解决了由大规模风电接入引起的电力系统调峰问题［33］。崔杨等［14］研究提出了一种源-网-荷协调调度的方法，将光热电站作为调节资源，有效提高了本地新能源消纳能力。在电力系统调度中考虑光热电站参与调峰辅助服务方面，崔杨等［34］研究建立了光热电站参与调峰服务的定价模型，基于此提出了一种火电与光热电站共同参与调峰辅助服务的调度方法，提高电力系统风光消纳水平的同时降低运行成本。
3.3 含光热发电的多能源系统集成策略
配备储能系统使光热发电机组具有能量时移特性和快速调节能力［34］。现阶段，学者将光热发电与风电、光伏、储能、储热等系统合理搭配，构建了多能互补联合发电系统。戴剑丰等［35］针对风电-光热电站联合系统提出了一种适合电网调度的风电与光热电站协调控制策略，建立了含储热装置的风光互补多目标优化模型。郑连华等［36］综合考虑CSP电站和氢储能协同运行对综合能源系统调度的影响，提出一种含光热电站及氢储能的综合能源系统低碳优化运行策略，优化了系统的运行灵活性，提高能源利用率。臧海祥等［37］通过研究风电-光热-生物质混合电站的能量耦合关系，发现光热电站储热系统和生物质锅炉不仅提高了混合电站运行灵活性，还可通过优化其运行策略，增加混合电站在电力市场的竞标量，以获得更高的电力市场收益。Sakellaridis 等［38］基于光热电站和抽水蓄能电站的储能特性和调节特性，构建了一个风电、抽水蓄能电站和光热联合发电系统模型，并对系统的运行可靠性进行评估。彭院院等［39］利用光热电站出力可控的特点，将其聚合到风-火虚拟电厂中，并提出含光热的光-风-火虚拟电厂双阶段优化调度模型，以充分挖掘CSP的调节潜力，通过其内部协同优化，增加电厂收益。赵玲霞等［40］针对综合能源系统存在的不足，研究了联合储能电池构建包含风电、光伏、光热及储能电池的多能源虚拟电厂。曾贤强等［41］针对含光热电站参与的多能耦合区域综合能源系统，构建了一个简化的光热电站参与的区域综合能源系统，通过仿真发现，光热电站的参与提高了可再生能源的利用效率和区域综合能源系统的协调优化能力。
3.4 光热电站优化配置
储能系统是保证光热发电连续稳定运行、具备可调节性能的关键。因此，储热系统容量参数优化配置对光热电站运行特性的影响、光热灵活参与风电-光伏互补运行的经济性是当前研究的热点问题。
Kueh 等［42-43］研究了储热系统对光热电站运行的影响，并给出了影响储热容量的重要因素。Boukelia［44］等从能量效率、热电效率、环保性、经济性4 个维度对比分析了基于熔盐和导热油2 种导热介质下8 种不同配置的槽式太阳能热电厂，结果表明配置熔盐储热和燃料备用系统的太阳能热电厂整体效率最高。平准化电力成本（LCOE）是太阳能热电厂经济研究分析中最常用的参数［45］，Praveenr等［46］以某年发电量最高时LCOE 的最低值为目标，通过改变储热系统（TES）的太阳能倍数和满负荷小时数，优化拟建CSP 电厂的性能。Boukelia 等［47］对阿尔及利亚的50 MW 光伏-光热联合发电模型中光热系统的太阳倍数和储热容量等参数优化进行了研究，从而使联合发电站LCOE 最小。在研究光热发电调度中计及调度经济性的储热容量配置方面，崔杨等［48］综合考虑了火电机组调峰成本与储热成本对储热系统容量配置的影响，提出了降低火电机组调峰成本的光热电站储热容量配置方法。姚元玺［49］综合考虑火电机组发电成本、光热发电并网消纳的环境效益和运行维护成本、系统旋转备用成本等调度经济性因素，探究储热装置配置成本与调度经济性的平衡点，确定光热电站储热容量配置。Kost等［50］研究发现不同的补贴机制和运行策略对光热发电最优光电容量比和最优储热容量都有影响。
3.5 光热发电综合效益评估
光热发电具有媲美常规电源的调节性能，可为电网提供调峰与备用服务并促进风光等新能源消纳，因此光热发电效益评估除了考虑自身运行效益外，还包括替代常规机组的容量效益、与其他电源多能互补发电的电量效益、提供调峰等灵活性服务的效益等客观效益。傅旭等［51］提出一种全面评估CSP容量效益、电量效益的等值年费用法，并计及了机组启停、储能电源跨日调节。沙韵等［52］针对含光热电站的高比例新能源送端经特高压直流连接的互联系统优化运行，从运行经济性、调峰效果以及绿电效益3个角度对光热电站的灵活运行效益进行量化分析。陈润泽等［23］分析了在完全接纳光热发电的前提下，光热电站并网在发电成本、可再生能源接纳和提高汇集输电线路利用率等方面的客观效益。
相关文献进一步结合电力市场，研究分析了光热电站参与电力市场的运行策略，以实现光热电站的市场收益最大化。He 等［53］针对太阳能和市场价格的不确定性，建立了CSP电站联合日前能源、备用和调节市场的最优报价策略,以提高光热电站的运行效益。梁政等［54］考虑光热发电商作为市场承载主体，面向电力现货市场交易，构建了基于多寡头古诺模型的市场交易决策模型。赵昱宣等［55］考虑CSP电厂热力生产的非随机不确定性和市场价格的随机不确定性以及相关CSP 电厂的风险，提出了光热电站在日前和实时电力市场的最优运行策略，提升了光热发电经济效益。
基于以上文献可知，现阶段含光热发电的电力系统优化运行方面，学者侧重对光热电站参与风电-光伏联合发电、应对风光电不确定性、促进高比例可再生能源电力系统灵活调度策略方面的研究；
但从电力系统整体考虑的接入电网后光热电站发电容量可靠性、支撑电网安全灵活运行方法的研究较少。在含光热的多能源系统集成方面，现有研究探索风-光-热-储多能互补能源系统集成策略时，大多考虑光热与光伏、风电、储能在电源侧形成“光热+”的多能互补发电形式；
然而探讨光热电站在电/热/冷/气多能源集成系统中的运行策略及为电力系统提供一定的容量支撑和调节能力方面需要做更进一步的探讨和研究。光热优化配置方面，目前光热电站优化配置大多着眼于单个光热电站的集热及储热效率优化，部分文献研究了计及调度经济性的储热参数配置策略［56］，但是考虑电力系统效益最大化下光热电站灵活参与电网调节的最优容量匹配方法鲜有报道。光热发电综合效益评估方面，部分文献从光热电站运营收益的角度出发，研究分析了特定场景中光热电站参与电力市场的运行策略，并未全面考虑分析CSP的运行方式、储热时长、新能源渗透率及调峰需求和电网约束条件等不确定影响因素和多优化目标下的光热电站的效益评估方法。
太阳能光热发电作为一种出力稳定、可靠的新能源发电技术，是实现我国能源转型目标不可或缺的重要技术手段。该技术涉及太阳能集热、传热蓄热、发电等多个系统的集成与协调，在未来发展中需关注以下几方面。
（1）光热高温集热/储热关键技术和设备研究方面。光热发电系统在高温运行参数时具有发电效率高、经济性高、适宜大容量发展的优势。因此，开展高温集热/储热技术的研究，推进光热发电朝着高运行参数、大容量方向发展对该技术非常关键。
（2）光热功率预测方面。光热发电主要利用太阳的法向直接辐射。法向直接辐射受云的影响很大。不同自然资源环境下的辐照度等环境因素将对光热发电集热、储能系统产生影响。应研究如何提升光热功率的预测精度，以更好地为光热储热系统高效经济运行和电站出力提供决策依据。
（3）光热运行特性研究方面。“双碳”目标的制定为风、光等新能源开发按下“加速键”，对电力系统的接纳、调节等能力提出更高要求。未来应综合考虑源-荷双侧的高度不确定性，结合实际运行情况开展各类型光热电站在不同运行工况下的动态特性分析，构建光热发电设备在不同时间尺度下的数学模型，分析不同类型光热发电容量可靠性、支撑电网安全等运行特性，提升电网稳定特性和灵活性；
开展不同类型光热发电参与高比例新能源送端电网接纳新能源能力的协调优化配置及调度策略研究，提升电网运行效率和经济性。
（4）光热发电相关标准。目前光热发电技术在我国处于初级阶段，各项技术各自为政，缺乏明确的标准，未能充分对应光热发电运行实际，难以对产业形成有力的支撑。未来应结合光热运行实际，从系统稳定性、动态性能、经济性的角度出发，深入研究不同类型光热容量配置参数选取方法，并提出相应的不同容量占比光热参与电网调峰调频的控制策略、“光热+风光电”多能互补一体化运行标准。
（5）光热发电的成本效益评估。目前光热投资成本较高是影响太阳能光热电站发展的主要因素，因此分析评估光热发电经济性和综合效益，是提升光热发电的竞争力的关键。未来还需要从光热电站成本优化和光热参与电网调峰、与其他电源的多能互补发电效益方面做进一步探索。一是从光热发电技术材料、太阳岛集热系统规划优化、储热容量配置等光热电站光热中各子系统技术配置方面，提升光热电站的经济性，降低LCOE。二是结合电力市场，考虑电网整体调峰等辅助服务需求，分析电力系统最大化效益下光热电站灵活参与电网调节的运营方式和与决策分析模型，挖掘光热发电提供调峰等灵活性服务的效益及与其他电源的多能互补发电效益。
为了提升高比例可再生能源电力系统的灵活性，对4 种光热发电系统进行了对比研究。光热发电集发电与储能为一体，具有出力灵活可控等优势，是极具发展前景的可再生能源发电技术。本文介绍了光热发电技术原理及系统结构；
综述了现阶段光热发电技术的研究现状；
探讨了未来光热发电需关注的问题与研究方向，希望为日后研究与开发高性能光热发电提供参考。
本文来源：http://www.triumph-cn.com/fanwendaquan/gongwenfanwen/2023/0728/92528.html