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聚光太阳能热发电

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西班牙的PS10太阳能发电塔，把太阳光从定日镜（英语：Heliostat）场集中到中央的太阳能发电塔.
354MW（百万瓦）太阳能发电系统（SEGS）（英语：SEGS）太阳能设施的一部分，在美国加州北部圣贝纳迪诺县。
  此条目介绍的是利用太阳能的热来发电的技术。关于使用光伏效应的发电技术，请见“太阳能电池”。关于太阳发出的热能的应用，请见“太阳热能”。

聚光太阳能热发电（或称聚焦型太阳能热发电，英语：Concentrated solar power，缩写：CSP）是一个集热式的太阳能发电厂的发电系统。它使用反射镜或透镜，利用光学原理将大面积的阳光汇聚到一个相对细小的集光区中，令太阳能集中，在发电机上的集光区受太阳光照射而温度上升，由光热转换原理令太阳能换化为热能，热能通过热机（通常是蒸汽涡轮发动机）作功驱动发电机，从而产生的电力。

CSP已被广泛的商业化，并且从2007年至2010年年底，CSP市场已经出现了约740 MW的发电能力的增加。在2010年，超过一半的发电能力（约478 MW）已被安装，使其全球总发电能力达到1095 MW。西班牙在2010年增加了400 MW，以总的632 MW领先了全球，而美国截至同一年年底增加了78 MW，达到了总发电能力为509 MW，其中包括两个化石燃料-CSP混合的发电厂。[1]中东也提升他们的安装基于CSP项目的计划，并作为该计划的一部分，世界上最大的CSP项目Shams-I已被马斯达尔（MASDAR）安装在阿布扎比市[2]。

CSP不会受到云层干扰，其供电时间为用电高峰，许多CSP可以使用熔盐储热，因此在没有日照后数小时仍会发电，储热量也不需太高，在深夜及凌晨可以停止发电，但此时用电量较低（使用基载电力就可满足），这样的CSP就已经很实用，在非高峰时间，CSP的发电量可以依需求调节（可以在短时间内停止发电、此时聚集的热量会完全储存于熔盐内），弹性甚至比天然气发电还要高。

CSP预计将以快速的步伐继续增长。截至2011年4月，在西班牙建设另外946MW的容量，使新容量总计为1,789MW，预计到2013年底前投入营运。在美国有进一步的1.5GW的抛物线槽式和发电塔式发电厂正在建设中，并还有签订了至少6.2GW的合同。在北非和中东地区，以及印度和中国也存在显著的兴趣。全球市场一直被抛物线槽式发电厂占据着，占了90％的CSP发电厂。[1]

目前的技术

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聚光太阳能热发电（CSP）被用来产生电力（有时也称为太阳能热能发电，通常通过水蒸气产生）。聚光太阳能技术系统的使用有追日系统（英语：Solar_tracker）的镜子或透镜，把大面积的阳光聚焦到一个小面积。然后将集中的的光用作常规发电厂（太阳能热能发电）的热源。CSP系统中使用的太阳能聚光器也经常被用来提供工业过程的加热或冷却，例如太阳能空调。

聚光技术存在四个常见的形式，即抛物线槽型（英语：Parabolic trough），斯特林碟型，聚光线性菲涅尔反射镜（英语：Compact linear Fresnel reflector）型，和太阳能发电塔（英语：Solar power tower）型。[3]虽然简单，这些太阳能集光器距离理论上的集光最大值还很远。[4][5]

抛物线槽型

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抛物线槽型发电厂，位于加州
主条目：抛物线槽型（英语：Parabolic trough）

抛物线槽型的聚光镜是由把反射光集中到焦线的一个接收器的抛物线反射镜组成。接收器是在抛物面反射镜的中间正上方的一个管子，并且管子中充满了的工作流体。反射镜通过沿单轴在白天跟踪太阳。在流经接收器时，工作流体（例如，熔盐[6]）被加热到150-350℃（423—623 K（302—662 °F）），然后将其用作发电系统用的热源。[7]抛物线槽型系统是最发达的CSP技术。在加利福尼亚州太阳能发电系统（SEGS）（英语：SEGS）厂，世界上第一个商业的抛物线槽型发电厂，Acciona公司在内华达州博尔德市附近的内华达太阳能一厂（英语：Nevada Solar One），和安达索尔太阳能电站，欧洲第一个商业抛物线槽型发电厂都是代表，还有在西班牙阿尔梅利亚的SSPS-DCS的测试设备Plataforma太阳能（英语：Plataforma Solar de Almería）。[8]

斯特林碟型

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抛物面太阳能碟把太阳光线聚光到斯特林发动机的加热元件。整个装置可作为一个太阳跟踪器（英语：Solar tracker）。
主条目：斯特林碟型

聚光太阳能热发电（CSP）-斯特林已知具有在所有太阳能技术中最高的效率（30％左右，相对于太阳能光伏PV的约15％），以及被预测为能生产高规模化生产的所有的可再生能源中最便宜的能量和在炎热地区，半沙漠等。蝶式系统利用大型抛物线曲面聚光反射镜（形状与卫星电视碟相似），将入射阳光聚集在焦点处，在那里一个接收器捕捉热量并将其转换成有用的形式。通常是碟与斯特林发动机被耦合在一个斯特林碟形系统，但有时蒸汽机也被使用。[9]这些产生旋转动能，可使用发电机转换为电能。[10]

聚光线性菲涅尔反射镜型

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主条目：聚光线性菲涅尔反射镜（英语：Compact linear Fresnel reflector）

菲涅耳反射器是由许多薄的平面镜条把太阳光集中到管子上，其中管子通过被泵送的工作流体。平面镜允许在相同的空间中有比一个抛物面反射器量更多的反射面，从而捕获更多的可用的太阳光，并且它们比抛物面反射器便宜得多。菲涅耳反射器可以用于各种大小的聚光太阳能热发电。[11][12]

太阳能发电塔型

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主条目：太阳能发电塔（英语：Solar power tower）

塔式太阳能热发电是采用大量的定向反射镜(定日镜（英语：Heliostat）)将太阳光聚集到一个装在塔顶的中央热交换器（接受器）上，接受器一般可以收集100MW的辐射功率，产生1100°C的高温。

在西班牙的PS10太阳能发电塔，是世界上第一个商业化电力公用事业规模的太阳能发电塔。

在世界各地的部署

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1,000
2,000
3,000
4,000
5,000
1984
1990
1995
2000
2005
2010
2015
自1984年以来的全球CSP容量，单位：兆瓦（MWp）
2016年各国家的CSP容量 (MWp)
国家 总共 增加
 西班牙 2,300 0
 美国 1,738 0
 印度 225 0
 南非 200 100
 摩洛哥 180 0
 阿联酋 100 0
 阿尔及利亚 25 0
 埃及 20 0
 澳大利亚 12 0
 中国 10 10
 泰国 5 0
Source: REN21 Global Status Report, June, 2017[13]

CSP发电厂的商业部署从1984年在美国兴建太阳能发电系统（SEGS）（英语：SEGS）开始，直到1990年最后SEGS厂完成。从1991年到2006年，没有CSP发电厂在世界任何地方被建造。

在2013年，全球的装机量增长了36％，或近0.9 GW至3.4GW。西班牙和美国仍是全球领先者，同时安装CSP的国家数量在不断增加。对于具有高太阳辐射的发展中国家和地区存在显着趋势。自2004年全球CSP安装容量增加了近十倍，并在过去五年中以平均每年50％速度增长。[14]:51

CSP也越来越多地与更便宜的光伏太阳能发电竞争，并采用聚光光伏（英语：Concentrator photovoltaics）（CPV），这是一种快速增长的技术，就像CSP最适合高太阳能日照的地区一样[15][16]。此外，近来已经提出了一种新型的太阳能CPV / CSP混合系统[17]。

世界聚光太阳能热发电（MWp）
年份 1984 1985 1989 1990 1991-2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021
已安装的 14 60 200 80 0 1 74 55 179 307 629 803 872 925 420 110 100 550 381 239 110
累积的 14 74 274 354 354 355 429 484 663 969 1,598 2,553 3,425 4,335 4,705 4,815 4,915 5,465 6,451[18] 6690 6800[19]
Sources: REN21[13][20]:146[14] :51[21]  · CSP-world.com[22] · IRENA[23] · HeliosCSP[24]

全球市场最初以槽式电站(parabolic-trough plants)为主，一度占聚光太阳能热发电电站的 90%[1]。

大约自2010 年以来，中央电力塔(central power tower)式的聚光太阳能热发电因其较高的运行温度（高达565 °C（1,049 °F），而槽式最高温度为400 °C（752 °F））而受到新发电厂的青睐，这保证了更高的效率。

较大的聚光太阳能热发电项目包括美国的伊万帕太阳能发电设施（392 MW），该项目采用太阳能发电塔式技术，无需热能储存，和摩洛哥的瓦尔扎扎特太阳能发电站[25]，该项目采用槽式和塔式技术相结合的技术，总计 510 MW，可热能储存数小时。

成本

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截至2009年9月9日，建设聚光太阳能热发电站（CSP）的成本一般约为每瓦2.50到4美元，[26]而燃料（太阳辐射）是免费的。因此，一个250百万瓦（MW）的聚光太阳能热发电站（CSP）将耗资6亿-10亿美元兴建。可以算出至0.12至0.18美元/千瓦时（kWh）。[26]新的CSP发电站可能会与化石燃料相比在经济上具有竞争力。彭博新能源财经太阳能分析师纳撒尼尔·布拉德（Nathaniel Bullard）的计算，在正在建设中的南加州的一个项目伊万帕太阳能发电设施的电费成本，会低于从光伏发电并且会大约相同于从天然气发电。[27]但是，在2011年11月，谷歌宣布他们将不会再在CSP项目的投资，因为太阳能光伏价格快速下滑。谷歌已经花费1.68亿美元在BrightSource公司。[28][29]国际可再生能源机构（IRENA）于2012年6月已出版一系列研究，题为：《可再生能源成本分析》。CSP的研究表明CSP电站有建设和运营两个成本。成本有望下降，但也有因为安装不足而不足以明确地建立学习曲线。截至2012年3月，有1.9吉瓦（GW）的CSP被安装，其中1.8吉瓦（GW）是抛物线槽型集光器（英语：Parabolic trough）的。[30]

在2017年智利拍卖会上，SolarReserve以24小时CSP电力出价没有补贴的63美元/MWh（¢6.3/kWh)，与其他类型的液化天然气（LNG）燃气轮机竞争[31] 。

未来

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国际绿色和平组织，欧洲太阳能热电协会，和国际能源署的SolarPACES组织的一项研究调查了聚光太阳能发电的潜力和未来。研究发现，到2050年聚光太阳能热发电量可能占到世界能源需求的25％。投资额将从20亿欧元增加到当时的925亿欧元[32]。西班牙是聚光太阳能发电技术的领导者，有50多个政府批准的项目。此外，它出口其技术，进一步增加该技术在全球能源的份额。专家预测，非洲，墨西哥和美国西南部地区的增幅最大，因为CSP这项技术在高太阳辐射地区的表现最好。这表明基于硝酸盐（钙，钾，钠，...）的储热系统将使CSP工厂越来越有利可图。该研究考察了这项技术的三个不同后果：CSP技术无增长，西班牙和美国的投资持续增长，和最后的CSP的没有任何障碍的真正增长潜力。第三部分的结果如下表所示：

年度 年度投资额 积累的容量
2015年 €210亿 4,755 MW
2050年 €1740亿 1,500,000 MW

最后，这项研究确认了CSP的技术如何改进，以及如何在2050年之前大幅度降价。预计从目前的0.23-0.15美元/kwh的范围下降到0.14-0.10美元/kwh[32]。

参见

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参考资料

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  1. ^ 1.0 1.1 1.2 Janet L. Sawin and Eric Martinot. Renewables Bounced Back in 2010, Finds REN21 Global Report. Renewable Energy World. 2011-09-29 [2013-02-09]. （原始内容存档于2011-11-02）. 
  2. ^ Largest CSP Project in the World Inaugurated in Abu Dhabi – Renew India Campaign – solar photovoltaic, Indian Solar News, Indian Wind News, Indian Wind Market （页面存档备份，存于互联网档案馆）. Renewindians.com (18 March 2013). Retrieved on 22 April 2013.
  3. ^ Types of solar thermal CSP plants （页面存档备份，存于互联网档案馆）. Tomkonrad.wordpress.com. Retrieved on 22 April 2013.
  4. ^ Julio Chaves (2008) Introduction to Nonimaging Optics, CRC Press, ISBN 978-1420054293
  5. ^ Roland Winston, Juan C. Miñano, Pablo G. Benitez (2004) Nonimaging Optics, Academic Press, ISBN 978-0127597515.
  6. ^ Molten salt as CSP plant working fluid 互联网档案馆的存档，存档日期2013-10-16..（PDF）. Retrieved on 22 April 2013.
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  8. ^ Linear-focusing Concentrator Facilities: DCS, DISS, EUROTROUGH and LS3. Plataforma Solar de Almería. [2007-09-29]. （原始内容存档于2007年9月28日）. 
  9. ^ ANU 'Big Dish', http://solar-thermal.anu.edu.au/ （页面存档备份，存于互联网档案馆）
  10. ^ Stirling Energy Systems Inc. - Solar Overview. Stirlingenergy.com. [2013-08-20]. （原始内容存档于2002-02-20）. 
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  15. ^ PV-insider.com How CPV trumps CSP in high DNI locations 互联网档案馆的存档，存档日期2014-11-22., 14 February 2012
  16. ^ Margaret Schleifer. CPV - an oasis in the CSP desert?. （原始内容存档于2015-05-18）. 
  17. ^ Phys.org A novel solar CPV/CSP hybrid system proposed （页面存档备份，存于互联网档案馆）, 11 February 2015
  18. ^ Concentrated solar power had a global total installed capacity of 6,451 MW in 2019. [3 February 2020]. （原始内容存档于2023-06-01）. 
  19. ^ 引用错误：没有为名为chinCSP的参考文献提供内容
  20. ^ REN21. Renewables 2016: Global Status Report (PDF). REN21 Secretariat, UNEP. 2016 [2017-03-29]. ISBN 978-3-9818107-0-7. （原始内容存档 (PDF)于2017-01-13）. 
  21. ^ 引用错误：没有为名为REN2018的参考文献提供内容
  22. ^ CSP Facts & Figures. csp-world.com. June 2012 [22 April 2013]. （原始内容存档于29 April 2013）. 
  23. ^ Concentrating Solar Power (PDF). International Renewable Energy Agency: 11. June 2012 [9 September 2012]. （原始内容 (PDF)存档于22 November 2012）. 
  24. ^ 引用错误：没有为名为HeliosCSP的参考文献提供内容
  25. ^ Louis Boisgibault, Fahad Al Kabbani (2020): Energy Transition in Metropolises, Rural Areas and Deserts （页面存档备份，存于互联网档案馆）. Wiley - ISTE. (Energy series) ISBN 9781786304995.
  26. ^ 26.0 26.1 Poornima Gupta and Laura Isensee. Carol Bishopric , 编. Google Plans New Mirror For Cheaper Solar Power. Global Climate and Alternative Energy Summit. San Francisco: Reuters & businessworld.in. 2009-09-11 [2014-02-02]. （原始内容存档于2011-01-25）. 
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  29. ^ Google Renewable Energy Cheaper than Coal（RE<C） 互联网档案馆的存档，存档日期2013-06-29.. Google.org. Retrieved on 22 April 2013.
  30. ^ Renewable Energy Cost Analysis – Concentrating Solar Power. irena.org
  31. ^ Kraemer, Susan. SolarReserve Bids 24-Hour Solar At 6.3 Cents In Chile. CleanTechnica. 2017-03-13 [2017-03-14]. （原始内容存档于2017-08-30）. 
  32. ^ 32.0 32.1 Concentrated solar power could generate 'quarter of world's energy' （页面存档备份，存于互联网档案馆） Guardian

外部链接

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