第1篇太陽能時代和太陽能熱發電

1能源和能源危機002

1.1能源的發展002

1.1.1火的應用002

1.1.2煤炭時代003

1.1.3油氣開發003

1.2石油能源的危機004

1.2.1石油的重要性004

1.2.2石油的緊缺005

1.3能源消費對環境的破壞006

1.3.1地球環境的演變006

1.3.2人類對地球環境的依存007

1.3.3大氣溫室效應增強可能導致的後果010

1.3.4臭氧層破壞010

1.3.5酸雨011

1.3.6熱污染012

1.3.7生物多樣性銳減013

1.3.8大氣污染引起的健康危害014

1.3.9能源開發和運輸過程所致的環境效應014

1.3.10能源使用的“誤區”——現代高能農業016

1.3.11廢棄物泛濫成災017

1.3.12水資源短缺017

1.3.13太多的人口——68億人的地球019

1.4能源危機與中國發展019

1.4.1中國人口019

1.4.2水資源020

1.4.3土地退化021

1.4.4中國酸雨狀況021

1.4.5無處可扔的城市022

1.4.6物種減少023

1.4.7可持續發展重大阻力023

1.5中國采用新能源的緊迫性026



2重歸太陽能028

2.1太陽能的基本知識028

2.1.1太陽輻照028

2.1.2日地關繫031

2.2生物質能032

2.2.1生物質能狀況032

2.2.2制約生物質能應用的因素033

2.3風能034

2.3.1風能狀況034

2.3.2制約風能應用的因素035

2.4水能036

2.4.1水能狀況036

2.4.2制約水能應用的因素036

2.5海洋能037

2.5.1海洋能狀況037

2.5.2制約海洋能應用的因素038

2.6地熱能038

2.6.1地熱能狀況038

2.6.2制約地熱能應用的因素039

2.7天然氣水合物040

2.7.1天然氣水合物狀況041

2.7.2制約天然氣水合物應用的因素041

2.8核能043

2.8.1核能狀況043

2.8.2制約核能應用的因素044

2.8.3輕核聚變046

2.9生態災難047

2.9.1三峽工程的生態影響049

2.9.2汶川地震發生的可能原因049

2.10重歸太陽能050

2.10.1美國太陽能計劃052

2.10.2太陽能聚熱發電技術053



3太陽能熱利用：太陽能熱利用在未來能源中的地位054

3.1太陽能熱利用簡史054

3.2我國太陽能資源058

3.3太陽能熱利用技術060

3.3.1太陽能溫室的結構類型060

3.3.2太陽灶概述062

3.4太陽能干燥概述065

3.5太陽能海水淡化066

3.6太陽能建築理念068

3.7太陽能空調的意義069

3.8太陽能熱水器070

3.9太陽能光伏發電和太陽能熱發電技術比較071

3.10我國對太陽能熱發電技術的發展規劃074

3.11太陽能熱發電在未來能源結構中的地位076



第2篇太陽能熱發電專有技術

4聚光集熱與聚光器080

4.1聚光集熱080

4.1.1聚光集熱概念080

4.1.2聚光作用083

4.1.3聚光反射材料083

4.1.4聚光集熱溫度086

4.1.5太陽能熱發電常用的聚光集熱技術087

4.2聚光器088

4.2.1聚光器的演化088

4.2.2幾類反射鏡090

4.2.3CPC聚光器091

4.2.4聚光器種類092

4.2.5透射式聚光器093

4.2.6聚光器的現狀094

4.2.7定日鏡095

4.2.8槽式反射鏡096

4.2.9面聚光式聚光器101

4.2.10線聚光式聚光器102

4.2.11聚光集熱器的發展方向103



5日照跟蹤技術106

5.1日照跟蹤技術的意義106

5.2太陽能自動跟蹤裝置108

5.2.1對控制繫統的要求108

5.2.2太陽位置的計算108

5.2.3太陽跟蹤裝置109

5.2.4跟蹤控制模式112

5.2.5開環、閉環、混合控制方式114

5.2.6影響聚光跟蹤的因素117

5.3跟蹤裝置部分部件118

5.3.1傳感器118

5.3.2光電傳感器陣列布置118

5.3.3步進電機120

5.3.4減速器121

5.3.5諧波齒輪減速器121

5.3.6跟蹤繫統在工作過程中的損耗122

5.4別具一格的跟蹤方式123



6接收器(太陽鍋爐)125

6.1接收器的概念125

6.2太陽光譜選擇性吸收薄膜126

6.2.1太陽光譜選擇性吸收薄膜的發展歷史126

6.2.2光譜選擇性吸收薄膜基本原理127

6.2.3選擇性吸收塗層的概念和組成128

6.2.4選擇性吸收塗層的基本構造129

6.3選擇性吸收塗層的分類和性能129

6.3.1選擇性吸收塗層的分類129

6.3.2中高溫選擇性吸收塗層的性能130

6.4有關平板接收器133

6.4.1平板型太陽能集熱器概述133

6.4.2索緒爾熱箱134

6.4.3吸熱板和真空管集熱器135

6.4.4真空管用硼硅玻璃3.3 141

6.5直通式金屬-玻璃真空集熱管142

6.5.1真空集熱管的特性142

6.5.2真空集熱管的制造工藝及發展方向144

6.6熱管式真空管集熱器145

6.6.1熱管的工作原理145

6.6.2中高溫熱管的制造工藝147

6.7中高溫接收器148

6.7.1中高溫接收器概述148

6.7.2接收器繫統149

6.7.3管狀集熱接收器151

6.7.4圓柱接收器153

6.7.5直接照射太陽能接收器153

6.7.6管式和多孔體結構157



7太陽能熱儲存技術160

7.1熱儲存的意義160

7.1.1儲熱的作用與類型160

7.1.2儲熱與太陽能熱發電站的設計165

7.2儲熱材料分類167

7.3顯熱儲熱材料168

7.3.1顯熱儲熱材料的性能要求168

7.3.2氣體顯熱儲熱材料169

7.3.3液體顯熱儲熱材料169

7.3.4固體顯熱儲熱材料171

7.3.5兩種介質儲熱172

7.4相變儲熱材料176

7.4.1相變儲熱材料性能176

7.4.2幾類相變儲熱材料177

7.4.3無機鹽相變材料178

7.4.4金屬與合金相變儲熱材料180

7.5太陽能化學反應儲存181

7.5.1太陽能化學反應儲存概述181

7.5.2幾類具有潛力的化學儲熱反應183

7.6太陽能熱制氫185

7.6.1太陽能熱制氫的意義185

7.6.2直接加熱法制氫186

7.6.3熱化學法制氫187

7.7跨季節儲熱太陽能集中供熱繫統(CSHPSS)188

7.7.1CSHPSS原理188

7.7.2太陽能熱的地下儲存189

7.8儲熱繫統190

7.8.1儲熱裝置技術190

7.8.2對儲熱容器的要求191

7.8.3儲熱裝置的發展192

7.8.4儲熱罐193

7.8.5單罐儲熱和雙罐儲熱194

7.8.6儲熱罐示例198

7.9熱交換200

7.10熱傳輸202



第3篇各類太陽能熱發電技術

8塔式太陽能熱發電206

8.1塔式太陽能熱發電技術概述206

8.1.1歷史與現狀206

8.1.2塔式太陽能熱電站繫統207

8.1.3塔式太陽能熱發電站的特點208

8.2塔和塔式電站工作原理209

8.2.1塔功能概述209

8.2.2太陽能接收器210

8.2.3塔式太陽能熱發電站的儲熱210

8.2.4塔頂接收器熱過程的應用211

8.2.5塔式電站工作原理212

8.3跟蹤繫統216

8.3.1跟蹤方法216

8.3.2跟蹤控制繫統218

8.3.3定日鏡誤差222

8.3.4塔式太陽能技術的未來與定日鏡的發展223

8.4定日鏡場224

8.4.1定日鏡場的設計要求224

8.4.2設計思考225

8.4.3有關繫數228

8.4.4鏡場設計228

8.4.5繫統性能的綜合分析230

8.4.6定日鏡場布置231

8.5塔式太陽能熱發電繫統的運行和控制236

8.5.1概述236

8.5.2定日鏡運行控制237

8.5.3跟蹤控制繫統基本情況238

8.5.4電站監控繫統239

8.5.5流量控制示例240

8.6國內塔式電站的研制進展240

8.6.170kW塔式太陽能熱發電繫統240

8.6.2基本原理與總體思路241

8.6.3亞洲首座兆瓦級太陽能塔式熱發電項目——北京延慶塔式電站246

8.7新型反射塔底式接收器248



9碟式/斯特林太陽能熱發電252

9.1碟式太陽能熱發電簡介252

9.2裝置與繫統254

9.3碟式發電繫統的旋轉拋物面聚光器257

9.3.1旋轉拋物面的聚光257

9.3.2聚光裝置結構257

9.3.3碟式太陽能聚光器跟蹤繫統259

9.4接收器261

9.4.1接收器類型261

9.4.2熱管式真空集熱管在碟式太陽能熱發電繫統中的應用262

9.5太陽能斯特林發動機266

9.5.1斯特林發動機概述266

9.5.2斯特林熱機工作原理267

9.5.3斯特林熱機在太陽能發電中的應用269

9.5.4斯特林發動機的有關技術和部件271

9.6太陽能熱聲發電275

9.7太陽坑277

9.8空間站太陽能熱發電278

9.8.1空間站太陽能熱發電的優勢278

9.8.2空間太陽能熱發電繫統的熱機循環280

9.8.3空間電站繫統部件技術發展282



10槽式太陽能熱發電/線性菲涅爾式太陽能熱發電285

10.1槽式和線性菲涅爾式電站簡介285

10.1.1槽式技術和線性菲涅爾式技術發展歷程285

10.1.2槽式聚光集熱器的集熱效率287

10.2槽式太陽能熱發電繫統中的聚光集熱器288

10.2.1集熱管288

10.2.2聚光器291

10.2.3跟蹤機構294

10.3聚光集熱器陣列295

10.3.1槽式電站原理295

10.3.2鏡場設計296

10.4聚光器集熱工質298

10.4.1可以選用的集熱工質298

10.4.2DSG技術300

10.5槽式電站的儲熱308

10.5.1兩種儲熱繫統308

10.5.2雙罐儲熱運行模式309

10.5.3儲熱形式及儲熱介質選擇310

10.5.4儲熱繫統設備312

10.5.5槽式太陽能熱發電站315

10.6線性菲涅爾反射式太陽能熱電站316

10.6.1聚光繫統316

10.6.2鏡場布置320

10.6.3發展及應用前景322

10.6.4菲涅爾曲面透鏡的應用323

10.7塔式繫統與槽式繫統比較325

10.7.1兩種技術的優缺點325

10.7.2兩種技術的效率和環境影響326

10.7.3對我國槽式和塔式發電技術的一些思考327

10.8一種超低溫太陽能發電技術329



11太陽能熱氣流發電/太陽能半導體溫差發電334

11.1概述334

11.1.1太陽煙囪發電技術的發展過程334

11.1.2太陽煙囪發電技術的優點335

11.2太陽煙囪發電原理和進展336

11.2.1原理336

11.2.2太陽煙囪技術337

11.2.3進展340

11.3太陽煙囪發電新技術341

11.3.1強熱發電技術341

11.3.2浮動煙囪太陽能熱風發電341

11.3.3斜坡太陽煙囪發電341

11.3.4太陽煙囪發電技術在建築中的應用342

11.4太陽煙囪發電展望344

11.4.1太陽煙囪的生態環境優勢344

11.4.2太陽煙囪與超高建築345

11.4.3太陽煙囪與天篷式建築346

11.5其他太陽能熱發電技術簡介347

11.5.1堿金屬熱電轉換348

11.5.2磁流體發電348

11.5.3熱離子發電350

11.5.4半導體溫差發電351



12太陽池熱發電和海水溫差發電358

12.1太陽池熱發電技術簡史358

12.2太陽池熱電站繫統359

12.2.1電站繫統組成359

12.2.2太陽池工作原理360

12.3太陽池繫統穩定運行的影響因素361

12.4太陽池儲熱能力和效率362

12.5太陽池的維護363

12.6太陽池熱發電技術的展望364

12.7海水溫差發電技術概述365

12.8海水溫差發電技術原理366

12.8.1循環方式366

12.8.2設備368

12.8.3主要技術369

12.8.4組合利用370

12.8.5海水溫差能與海洋波浪能結合的技術370

12.9海水溫差發電技術特點371

12.10海水溫差技術應用前景372

12.11太陽能熱水力發電373

12.12太陽能熱土壤溫差發電373

12.12.1太陽能-土壤源熱泵繫統(SESHPS)373

12.12.2有機朗肯循環374



第4篇太陽能熱發電技術的發展趨勢

13太陽能熱發電技術的集成整合及未來378

13.1當前太陽能熱發電技術的特點及現狀和面臨的問題378

13.1.1太陽能熱發電技術的特點及類型與技術的比較378

13.1.2單純太陽能熱發電技術現狀及面臨的問題379

13.1.3降低太陽能熱發電成本的途徑381

13.2聚焦太陽能熱發電(CSP)技術的發展385

13.2.1發展趨勢385

13.2.2當前發展目標386

13.2.3中國太陽能熱發電技術的發展目標388

13.3太陽能互補發電繫統390

13.3.1太陽能互補發電繫統的概念390

13.3.2互補繫統的形式391

13.3.3太陽能-燃氣-蒸汽整體聯合循環繫統392

13.4太陽能熱的應用395

13.4.1太陽熱動力水泵、海水淡化395

13.4.2太陽能熱與火力發電耦合397

13.4.3一種太陽能加熱站集中供暖繫統400

13.4.4線性菲涅爾式太陽能熱聯合循環發電401

13.5太陽能熱化學復合繫統402

13.5.1太陽能天然氣重整發電402

13.5.2太陽能雙工質聯合循環發電405

13.5.3太陽能與其他幾類能源的集成407

13.6太空太陽能發電410

13.6.1太陽塔、太陽碟與太陽盤410

13.6.2月球太陽能電站411

13.6.3地球太陽能電力網絡413



參考文獻415

前言

《太陽能熱發電技術》版出版之時，國內隻有北京延慶太陽能熱電站一枝獨秀，處於試驗運行、收集整理數據階段。但僅僅幾年時間，中國的太陽能熱產業已經走過探索、緩步前行的小路，來到成長通道。在2019年3月9日“兩會”期間，全國人大代表熱議政府工作報告時指出，我國已經成為“世界太陽能等可再生能源發展的風向標”。重要標志是一座又一座的太陽能熱發電站已在沙漠、高原競相建立。我國東部米糧倉、西部能源谷的美景已初露端倪，而太陽能熱發電技術對社會和經濟的深刻影響還將繼續展現。

美國能源總署統計，世界上一切生產和生活活動（工業、交通、建築、農業、環境保護）相關的能量，70%以上是以熱能的形式出現，熱能的作用舉足輕重。

熱力學定律不僅適用於蒸汽機，也適用於世界萬物直至宇宙。這個理論非常簡單而且普適，以致愛因斯坦斷言它可能“永遠不會被推翻”。

熱力發電是人類獲得電能的重要形式，兩個世紀以來，人們對熱力發電積累了豐富的經驗技術和繫統理論。有關技術和理論適用於各類形式的能源，隨著燃煤、油氣、核能的枯竭和對環境的長遠影響，人們已經將更多目光轉向沒有污染、取之不盡的太陽能，轉向人類早熟悉、先利用的太陽熱能。

以太陽能為代表的可再生能源是真正的綠色清潔能源，而現在的一些熱門新能源（包括原子裂變、地熱），雖然增速有所降低，但仍在不斷增加大氣的溫室效應，增加了其他形式的污染和安全擔憂以及消除隱患和恢復生態的巨大投資。這些能源隻能是人類能源向太陽能時代過渡時期的參與者，隻能是太陽能光熱、光伏發電技術的合作者和參與者。

太陽能熱是有可能替代常規、實現大功率發電的能源，獲取太陽能不需毀山開礦，也沒有破壞生態的“三廢”物質，是符合“綠水青山就是金山銀山”“建設美麗中國”的理念。符合國家對世界減少CO2排放，為降低地球溫室效應作出貢獻的莊嚴承諾。

太陽能熱發電技術正在呈現群芳爭艷的局面，除現在已經成為熱點的塔式、槽式、線性菲涅爾式聚光太陽能熱發電形式外，各類微型太陽能熱發電、太陽能熱聲發電、太陽池熱發電、太陽溫室太陽煙囪自熱發電，以海洋為大集熱器的太陽能植物、菌藻類的熱發電，太陽能海水溫差發電等中低溫發電技術有的已初露鋒芒，有的蓄勢待發，我國科技人員也開始了在太空、在月球上建立太陽能發電站的設想。這些技術都極有可能顛覆現有的技術模式，改變現有的能源結構。

太陽能熱發電後部工藝蒸汽還有能與其他發電技術良好融合的優勢，預計太陽能熱發電技術和現有的互補應用在近期會水到渠成得到快速發展，成為向太陽能熱發電發展的快捷、便利形式。

我們在再版中適當增加了部分內容。由於新的成果不斷湧現，令人目不暇接，我們的介紹可能有所不全，敬請諒解。

太陽能熱發電受惠於材料革命和信息革命的成果，冶煉技術、納米技術、新型機械加工技術、人工智能技術都給予其巨大推動。

太陽能熱發電，不僅是單純利用太陽能替代現有常規能源的發電技術，而是可以同步涉及工業和民用采暖、制冷、海水淡化、城市污水處理、儲能、綠色節能技術、大地域的土壤和氣候改良等諸多領域。面對太陽能熱技術重大突破、重大發展的前景，希望有志從事研究的年輕科技人員勇於探索，努力獲得自主知識產權，同時跟蹤太陽能發電產業的發展，觀察產業對經濟、社會生態全方位的影響，對我國建立無碳、低碳的能源經濟體繫，提供有建設性的指導意見。為我國在21世紀人類邁向太陽能為代表的可再生能源的征程中走在世界前列，為聯合國環境規劃署稱謂的“世界的產業之一和普遍應用的能源之一”的太陽能發電作出貢獻。



編著者

2019年5月





版前言

在今後的一二十年，將會發生一場以綠色、智能普惠和可持續為特征的新技術革命和產業革命，將會改變全球產業結構和文明進程。太陽能科學技術是這場革命的組成部分。

從低碳、環保、綠色角度綜合考慮，太陽能具有無可爭議的優勢，尤其是太陽能熱發電技術，不僅沒有污染，不會排放CO2等加重溫室效應的氣體和各類粉塵顆粒，還會改良當地氣候、生態。太陽能熱發電在未來能源結構中將會占據重要位置。

世界太陽能熱發電技術經過16年的徘徊不前，自2006年後進入高速發展階段，截至2011年短短5年時間，全球熱發電裝機容量增幅超過400%，成為新能源發電群體中引人矚目的明星。

世界觀察研究所報告指出，太陽能市場增長高於石油工業10倍，遠超風能成為世界發展快的能源領域，並預言，太陽能將與計算機、信息工程成為21世紀的支柱產業。

今天，世界上越來越多的國家開始實施陽光計劃，136個國家和地區正在生產太陽能產品。一些化石能源資源貧缺、生態惡劣的國家和地區通過開發利用太陽能，已經開始取得清潔的能源。一些技術先進的發達國家或資金雄厚的海灣國家，更高度重視太陽能開發利用的科學研究。這些實踐和《聯合國人類環境宣言》《斯德哥爾摩公約》《21世紀議程》等文件，尤其是1996年聯合國世界太陽能高峰會議發表的《哈拉雷太陽能與持續發展宣言》《世界太陽能10年行動計劃》《國際太陽能公約》《世界太陽能戰略規劃》等文件，成為推動太陽能產業高速發展的動力，使得太陽能應用成本快速走低。聯合國環境規劃署也預計“到2020年，太陽能發電將成為世界上的產業之一和普遍應用的能源之一。”

目前，從能源供應安全和清潔的角度出發，世界各國正把太陽能的商業開發和利用作為重要的發展趨勢。歐盟各國、日本和美國已經把2030年以後能源供應安全的重點放在太陽能等可再生能源方面。在這一時期，太陽能科學技術會有突破性進展，地球各處將會出現大型和巨型太陽能工程，太陽能將會成為很多國家和地區的支柱能源產業。預計到2023年以後，以太陽能為主體的可再生能源中將占世界電力供應的很大比重，到2050年將超過50％。如果以1950年石油、天然氣供應能量超過當時世界能源總量一半作為石油時代來臨的裡程碑，那麼到2050年，人類將昂首闊步邁入太陽能時代。

現在我國的太陽能熱技術正蓄勢待發，面臨重大突破。由國家科技部等六部委牽頭的太陽能光熱產業技術創新戰略聯盟，“高效規模化太陽能熱發電的基礎研究”973項目，“太陽能熱發電工程設計研究中心”都已啟動，在北京、內蒙古、青海和寧夏等地的太陽能熱發電實驗工程，有的已經取得可喜成果，有的在緊鑼密鼓地進行。估計到2020年前後在具有迫切需求和理想應用的條件下，中國將會出現具有自我知識產權的一流太陽能熱發電工程。作為一個全新的產業，需要向社會宣傳介紹它的優勢和特點，現在已有很多專家學者開始著書立說，我們也希望本書能夠對推廣普及太陽能熱發電知識產生一些作用。

本書引用許多專家學者的成果和論著，因為文獻資料較多，一些未能一一列舉，在此謹向有關作者表示衷心感謝。本書中也有一些張耀明院士團隊（王軍、孫利國、範志林、劉曉暉、安翠翠、劉德有、郭蘇、陳強、陳琪、金保升、谷偉、餘雷、李小燕、張文進、劉巍、鄒寧宇等的一些著作內容，以上名單僅限於部分與院士共同署名者）的成果，特此致謝。

中國工程院院士、南京工業大學校長、國家863領域專家歐陽平凱，一直關心支持太陽能熱發電技術，這次又特意為本書寫序，在此向歐陽平凱院士表示衷心感謝。



編著者

2015年4月