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书名：太阳能热发电系统集成原理与方法
定价：128.0
ISBN：9787030573520
作者：洪慧等
版次：1
出版时间：2018-06
内容提要：
本书从聚光太阳能的能量转换基础问题出发，在理论、关键技术、系统集成三个层面，重点阐述了聚光太阳能与化石能源互补发电系统集成原理与方法。通过对太阳能与化石燃料的热力循环互补、太阳能与化石燃料热化学互补的典型实例深入讨论，诠释了多能源梯级利用的“能量互补、品位耦合”的科学本质内涵。重视聚光太阳能转化过程的不可逆性，介绍了槽式广角跟踪聚光技术、中低温太阳能燃料转化技术、槽-塔结合发电技术等新技术；从技术经济性方面，分析了中低温太阳能燃料转化在分布式冷热电系统的应用，指出了太阳能热化学互补在发展高效、低成本聚光太阳能热发电方面的作用。*后分析了太阳能热化学储能和CO2捕集一体化方法，在各章节的讨论中，还特别指出了各种技术面临的问题和未来的发展方向。
目录：
目录
前言
符号表
第1章 太阳能热发电现状与发展动态 1
1.1 能源可持续发展与可再生能源战略需求 1
1.2 太阳能热利用与发电现状 3
1.2.1 太阳能热利用状况 4
1.2.2 太阳能热发电种类、方法 5
1.2.3 太阳能热发电国内外发展现状 12
1.3 国内外太阳能热发电问题与技术瓶颈 14
1.3.1 太阳能热发电问题 14
1.3.2 太阳能热发电关键技术瓶颈 15
1.3.3 光热发电的发展障碍 17
1.4 挑战与发展方向 17
参考文献 20
第2章 太阳能热发电基本构成与类型 22
2.1 聚光太阳能集热方式 23
2.1.1 塔式集热器 24
2.1.2 碟式集热器 26
2.1.3 抛物槽式集热器 27
2.1.4 线性菲涅耳式集热器 29
2.2 太阳能独立热发电系统 30
2.2.1 抛物槽式太阳能热发电系统 30
2.2.2 塔式太阳能热发电系统 34
2.3 太阳能与化石燃料热互补发电技术 39
2.3.1 太阳能与燃气蒸汽联合循环热互补系统 41
2.3.2 太阳能与燃煤电站热互补系统 43
2.4 大阳能热化学互补发电系统 44
2.5 其他太阳能热发电系统 46
参考文献 49
第3章 太阳能独立热发电 51
3.1 太阳能独立热发电系统研究进展 52
3.1.1 太阳能塔式热发电系统进展 52
3.1.2 太阳能槽式热发电系统进展 55
3.2 太阳能独立热发电系统热力性能分析与系统集成原则 58
3.2.1 太阳能独立热发电系统热力性能分析 58
3.2.2 太阳能独立热发电系统集成与设计原则 61
3.3 太阳热能发电系统集成 62
3.3.1 以水为吸热工质的塔式太阳能热发电系统 62
3.3.2 槽塔结合的太阳能热发电 79
3.3.3 双级集热场的抛物槽式太阳能热发电系统 82
3.3.4 槽式太阳能集热性能实验研究 88
3.4 发展方向（关键技术与瓶颈、突破） 104
参考文献 105
第4章 太阳能与化石能源热互补发电系统 107
4.1 概述 107
4.2 太阳能与燃气蒸汽联合循环互补发电 108
4.2.1 太阳能ISCC发电 109
4.2.2 典型实例 111
4.2.3 太阳能预热燃气轮机压缩空气互补发电 114
4.3 太阳能与煤互补发电系统 116
4.3.1 基本概念 116
4.3.2 典型实例 119
4.4 热互补机理 124
4.4.1 太阳能互补净发电效率 124
4.4.2 太阳能净发电效率特征 126
4.4.3 互补发电的*佳聚光比 127
4.4.4 光煤互补系统集成原则 129
4.5 太阳能净发电效率修正 131
4.6 变辐照变工况热互补发电系统热力性能 133
4.6.1 系统流程描述 133
4.6.2 聚光集热岛与动力岛之间运行参数相互影响 135
4.6.3 四季典型日变工况及全息工况性能 138
4.6.4 聚光集热关键过程 142
4.7变辐照主动调控聚光集热方法与关键技术 147
4.7.1 槽式广角跟踪聚光集热方法 147
4.7.2 广角跟踪聚光集热技术 151
4.7.3 可变面积槽式聚光集热技术 153
4.8关键技术与发展前景 158
4.8.1 热互补发电系统的技术突破 158
4.8.2 近中期应用前景 158
参考文献 159
第5章 太阳能与化石燃料热化学互补发电系统 161
5.1 概述 161
5.2 太阳能与化石燃料热化学互补机理简述 161
5.2.1 太阳能热化学互补反应特点 161
5.2.2 太阳能热化学互补集成机理 162
5.2.3 太阳能热化学互补净发电效率增效表达式 166
5.3 中低温太阳能燃料转换方法 167
5.3.1 中低温太阳能热化学互补制氢简述 167
5.3.2 太阳能吸收反应器设计原则 168
5.3.3 中低温太阳能热化学燃料反应器 169
5.4 槽式太阳能吸热反应器设计优化 172
5.4.1 光热化学反应多场耦合 172
5.4.2 吸热反应器温度分布优化 174
5.4.3 太阳能吸收反应速率分布 176
5.4.4 太阳能吸收反应器管壁直径优化 178
5.4.5 反应床孔隙率的影响 181
5.4.6 非均匀能流密度的影响 183
5.5 变截面积吸收／反应器 189
5.6 中低温太阳能热化学互补发电示范装置及试验 191
5.6.1 太阳能集热品位提升实验验证 191
5.6.2 百kW太阳能热化学互补发电示范装置 192
5.6.3 中温太阳能热化学互补发电试验 198
5.7 中温太阳能与化石燃料互补分布式供能系统 201
5.7.1 热化学互补分布式系统集成原则与思路 202
5.7.2 太阳能与甲醇裂解互补冷热电典型方案 203
5.7.3 典型实例及热力性能 205
5.7.4 经济性分析 208
5.7.5 近中期发展前景 210
参考文献 211
第6章 回收C02的太阳能热化学方法与应用 213
6.1 概述 213
太阳能热化学与CO2回收集成原则 213
6.2 捕集CO2的太阳能热化学互补特性规律 215
6.2.1 燃料炯、吉布斯自由能、太阳集热炯、C02分离功关联性 215
6.2.2 燃料化学能梯级利用对CO2捕集能耗降低的作用 218
6.3 控制CO2的中低温太阳能-甲醇重整制氢多功能系统 220
6.3.1 系统集成特征与热力性能 220
6.3.2 太阳能驱动甲醇重整制氢典型实验 99Q
6.4 控制CO2排放的太阳能-化学链燃烧发电系统 228
6.4.1 系统描述 229
6.4.2 热力性能 230
6.5 太阳能-替代燃料化学链燃烧实验验证 233
6.5.1 氧载体材料制备 234
6.5.2 实验原理及方法 234
6.5.3 化学链燃烧反应动力特性 238
6.5.4 适合中温太阳能驱动CLC的新型氧载体的制备与性能研究 244
6.6 挑战与发展趋势 254
参考文献 255
彩图
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第1章 太阳能热发电现状与发展动态
纵观人类科学技术的百年发展史，从蒸汽机“改变世界”、电力和内燃机开创新纪元，到人类计算机延伸人脑，能源是人类社会赖以生存的物质基础。进入21世纪，人类历史从来没有像现在面临如此困境：以煤、石油、天然气等化石燃料为主的能源资源的短缺，化石能源消耗导致生态环境恶化的日益凸现，传统化石能源供给减小与社会经济发展对能源旺盛需求之间的矛盾。随着国际社会越来越关注化石燃料燃烧造成二氧化碳排放问题，世界各国应对气候变化，采取加快推进能源供给的多元化，已经将发展可再生能源上升到国家能源安全战略。在当今以化石能源与可再生能源并举的能源消费结构达成共识的基础上，人类将迎接由可再生能源引*的新一轮的能源革命和新技术产业革命。
太阳能、生物能源、风能在可再生能源新技术革命风潮中各领风骚。本章以分析可再生能源发展趋势和特点为切入点，侧重太阳能热发电技术发展进程，梳理太阳能热发电技术现状和存在的技术瓶颈及科学问题，力求从理论创新和方法创新方面，指出当今太阳能热发电技术面临规模化、低成本应用紧迫性的挑战。
1.1 能源可持续发展与可再生能源战略需求
自工业化以来，人类社会发展主要依赖无节制地开发利用煤、石油、天然气等化石燃料资源以及水、土地、生物质等自然资源。首先将这些化石资源转换成能源，然后再将能源以热和功的形式加以利用，*后治理所产生的环境污染问题，即先污染后治理。这一模式导致奢*的资源浪费、低效的能源利用和严重的环境污染。例如，中国以煤直接燃烧为主的工业能耗继续处于主导地位。在美国，以石油基燃料燃烧为主的建筑和运输能源消费约占总能量消费的70%。可以说，这种基于资源、能源利用与环境之间链式连接的“串联”模式，恰恰是阻碍当今能源可持续发展的根本原因，也是造成环境污染、全球气候变化的重要因素。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）的《减缓气候变化特别报告2014》中指出（IPCC，2014），如果不提高现有能源利用效率或者改善能源结构，预计2050年由传统能源消耗的直接二氧化碳排放将达2010年的排放水平的三倍以上。
进入21世纪，人类逐渐认识到开拓可持续能源新渠道、实施能源多元化的能源环境系统，对实现可持续能源发展具有重要战略意义。人类需要开拓新的化石燃料化学能利用方式或新型的燃烧方式，探索在燃料化学能转化的源头中分离污染物的有效途径，实现燃料化学能的有效利用与污染物的分离回收，摒弃传统的“链式串联”模式，走出一条资源、能源与环境相容的发展新模式，如图1-1所示。
图1-1 资源、能源、环境一体化模式示意图
为了减缓传统化石能源使用带来的气候变化，根本解决资源环境挑战，世界各国普遍认为可再生能源技术是实现低碳能源转型的关键，截止到2014年底，全球发电装机中可再生能源占27.7%，以满足全球电力需求的22.8%。国际能源署（IEA）《能源技术远景预测报告2014》中对于全球气候变化与能源、电力的情景研究表明（IEA，2014）：2050年全球可再生能源电力将占电力装机的65％以上。2012年1月1日，德国再次修改《可再生能源法》，提出到2030年50%以上电力消费必须来自可再生能源，2050年可再生能源占能源消费总量的60%和电力消费的80%以上。英国能源与气候变化部在《2050年能源气候发展路径分析》中探讨了远期可再生能源满足约60%能源需求的前景。丹麦《2050能源战略》提出到2050年完全摆脱对煤炭、石油和天然气的依赖。美国能源部认为到2030年风电占美国能源结构的比重将达20%，到2050年将达35%，可再生能源可满足2050年80%电力的需求。日本政府曾在2012年8月公布了实现可再生能源飞跃发展的新战略，目标是到2030年使海上风力、地热、生物质、海洋等四个领域的发电能力扩大到2010年度的6倍以上。种种迹象表明，可再生能源在未来全球能源供应中的地位将更加突出。
图1-2 2014年可再生能源发电占全球发电量的比例（来源：REN21）
图1-3 不同可再生能源占比下装机容量组成预测（来源：IEA）
近年来，我国风能发电、太阳能光伏发电、水能等可再生能源利用起到了重要作用。到2014年底，中国非化石能源在一次能源消费中占比由2005年的7.4%上升至11.2%，单位国内生产总值（GDP）二氧化碳排放较2005年下降了33.8%。2014年非化石能源消费总量达到4.8亿吨标煤，是2005年的2.5倍。2015年6月30日，中国政府向联合国气候变化框架公约秘书处提交了应对气候变化国家自主文件——《强化应对气候变化行动——中国国家自主贡献》，提出了二氧化碳排放2030年左右达到峰值并争取尽早达峰、单位GDP二氧化碳排放比2005年下降60%～65%、非化石能源占一次能源消费比重达20%左右的战略目标。
“沉舟侧畔千帆过，病树前头万木春”，可再生能源将引*人类自己第四次科技革命的到来，历史地承担起调整能源结构、保护环境的重任。世界将会出现能源技术、信息技术和新材料技术相互交叉、相互渗透的新兴产业，中国拥有世界上*大的可再生能源潜力市场，尽管近年来可再生能源技术研发取得了令人鼓舞的可喜进展，但将可再生能源发展成未来的主要能源，依然任重道远。我国只有拥有低成本的可再生能源的原始创新技术，才能真正加快能源结构调整，建立独立自主的可再生能源技术体系和产业支撑体系，完成能源消费结构的根本性改变，满足能源可持续发展的国家重大战略需求。
1.2 太阳能热利用与发电现状
太阳是巨大的聚变核反应堆，聚变释放的能量以光辐射形式送到地球，成为*可能依赖的初级能源。由图1-4的各国使用可再生能源资源量看，太阳能处于可再生能源的首要地位。当前，太阳能利用主要表现在太阳能热利用与太阳能发电两种方式。全球太阳能供热量约是太阳能发电量的4倍。太阳能发电分为光伏发电和光热发电，太阳能发电将是未来可再生能源提高大规模电力的主力，是规模化可再生能源发电的主要方向。截止到2014年，全球光伏发电总装机容量达到150GW，光热发电4GW。2014年IEA报告指出（IEA，2014），预计到2050年光伏发电将占全球总装机容量的16%，光热发电将占全球发电总装机容量的11%。太阳能热利用与发电技术经过长期持续努力，都取得了长足进步。
图1-4 发达及发展中国家2014年可再生能源投资量（来源：REN21）
1.2.1 太阳能热利用状况
太阳能热利用通过太阳能集热器将太阳辐射能收集起来，通过集热工质将太阳能转换成热能而利用，主要应用领域包括：平板集热进行热水供应；中温太阳能集热与建筑结合，实现工业领域的太阳能热水、供暖和制冷。按照太阳集热温度不同分为：太阳能低温（<100℃）利用、中温（100～500℃）利用和高温（>500℃）利用。根据集热方式不同分为平板型和聚焦型。
太阳能工业用热主要是利用250℃以下太阳热供工业的热需求，如食品、酿酒、饮料、纺织、纸浆和造纸等。目前全世界约有86个用于工业过程加热的太阳能供热厂，总安装容量约为24MWth。这些厂位于19 个国家，正在运行的有奥地利、希腊、西班牙、德国、意大利和美国。其中仅美国就拥有10MWth，希腊约44MWth，西班牙约14MWth。与太阳能平板集热的热水系统（70～80℃）相比，对于太阳能工业用热和区域性建筑供暖，要求太阳能集热器产生100～250℃的热能。目前，全球已陆续建成万平方米级以上太阳能建筑供热系统12座，年太阳能保证率超过50%。
图1-5 太阳能加热和制冷应用技术路线（来源：IEA）（后附彩图）
中国太阳能热利用产业经过三十多年的发展，取得了令人瞩目的成就，特别是我国太阳能平板集热器的热水系统利用。2012年太阳能平板集热器的生产量和保有量分别达到6390 万m2和25770万m2，约占世界总量的80%和60%。若按1～4类太阳能资源区内太阳能热水器（按75%加权使用率计算）年可替代标煤为150kg/m2，我国已成为世界上太阳能热水器的生产和销售大国，年销售量和累计拥有量都居世界第*位（杜祥琬，2008）。然而，对于一个拥有十几亿人口的大国来说，我国目前太阳能热水器的人均占有率仍然很低（189m2/千人），远低于以色列等国家，而国际上的总目标为4亿m2，增长2.5亿m2，同时千人均有280m2。太阳能热水器的整体技术水平还比较差，和发达国家相比，从技术、材料、制造工艺及设备等方面都存在着明显的差距。
1.2.2 太阳能热发电种类、方法
当前，聚光太阳能热发电是实现规模化太阳能热利用的重要途径之一。利用聚光器，将地球表面低密度的太阳能汇聚到焦斑处，产生高密度的能量，然后由工作流体将其转换成热能，再通过热机实现发电。从系统集成角度看，聚光太阳能热发电系统主要分为三类：单一太阳能热发电、太阳能与化石燃料互补发电和单一太阳能热化学发电。
1.单一太阳能热发电
在单一太阳能热发电系统中，聚光集热的热力循环多分别是Rankine（朗肯）循环（汽轮机）、Brayton（布雷敦）循环（燃气轮机）、Stirling循环（斯特林机）。太阳能单一热发电能量转换过程仅含有太阳集热的传热和热功转换。按照聚光集热方式，单一太阳能热发电主要是槽式、菲涅耳式、塔式、碟式四种。
槽式太阳能热发电通常采用单轴跟踪，其几何聚光比通常低于100，集热温度在400～500℃（DOE，2011），*早商业化运行的槽式热发电系统是美国和以色列联合建造的Luz（路兹）的9座槽式太阳能热电站，总装机容量达353.8MW。槽式太阳能热发电是目前发展*成熟的太阳能热发电技术，目前绝大部分商业化运行的太阳能热电站是槽式电站。
图1-6SEGS（Solar Electric Generating Systems）电站抛物槽镜场（来源：NERL）
线性菲涅耳太阳能热发电系统是槽式太阳能热发电系统的改进与简化。与槽式太阳能热发电系统一样，线性菲涅耳反射镜也是线聚焦，采用一维跟踪。与槽式系统不同的是，线性菲涅耳发电系统可以利用一列位于较低位置的聚光器跟踪太阳辐射，并且吸热器固定，几何聚光比在25～100。
塔式太阳能热发电系统采用点聚焦形式，吸热器固定在高塔上，定日镜采用双轴跟踪。塔式太阳能热发电的聚光比在300～1500，集热温度可以达到800～1200℃，图1-8为塔式太阳能热发电系统示意图。
碟式太阳能热发电系统是另外一种点聚焦式的太阳能热发电系统，主要利用旋转抛物面反射镜，将入射太阳光聚集在镜面焦点处，而在该处可放置集热工质或斯特林发电装置直接发电。与塔式太阳能热发电系统一样，也采用二维跟踪方式，聚光比通常为1000～3000，太阳能吸热器加热氢气或氦气到近千摄氏度的高温后驱动斯特林发电机。碟式太阳能热发电可以单台使用或多台并联使用，但其单机规模受限制。太阳能发电效率可达29%。
定价：128.0
ISBN：9787030573520
作者：洪慧等
版次：1
出版时间：2018-06
内容提要：
本书从聚光太阳能的能量转换基础问题出发，在理论、关键技术、系统集成三个层面，重点阐述了聚光太阳能与化石能源互补发电系统集成原理与方法。通过对太阳能与化石燃料的热力循环互补、太阳能与化石燃料热化学互补的典型实例深入讨论，诠释了多能源梯级利用的“能量互补、品位耦合”的科学本质内涵。重视聚光太阳能转化过程的不可逆性，介绍了槽式广角跟踪聚光技术、中低温太阳能燃料转化技术、槽-塔结合发电技术等新技术；从技术经济性方面，分析了中低温太阳能燃料转化在分布式冷热电系统的应用，指出了太阳能热化学互补在发展高效、低成本聚光太阳能热发电方面的作用。*后分析了太阳能热化学储能和CO2捕集一体化方法，在各章节的讨论中，还特别指出了各种技术面临的问题和未来的发展方向。
目录：
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前言
符号表
第1章 太阳能热发电现状与发展动态 1
1.1 能源可持续发展与可再生能源战略需求 1
1.2 太阳能热利用与发电现状 3
1.2.1 太阳能热利用状况 4
1.2.2 太阳能热发电种类、方法 5
1.2.3 太阳能热发电国内外发展现状 12
1.3 国内外太阳能热发电问题与技术瓶颈 14
1.3.1 太阳能热发电问题 14
1.3.2 太阳能热发电关键技术瓶颈 15
1.3.3 光热发电的发展障碍 17
1.4 挑战与发展方向 17
参考文献 20
第2章 太阳能热发电基本构成与类型 22
2.1 聚光太阳能集热方式 23
2.1.1 塔式集热器 24
2.1.2 碟式集热器 26
2.1.3 抛物槽式集热器 27
2.1.4 线性菲涅耳式集热器 29
2.2 太阳能独立热发电系统 30
2.2.1 抛物槽式太阳能热发电系统 30
2.2.2 塔式太阳能热发电系统 34
2.3 太阳能与化石燃料热互补发电技术 39
2.3.1 太阳能与燃气蒸汽联合循环热互补系统 41
2.3.2 太阳能与燃煤电站热互补系统 43
2.4 大阳能热化学互补发电系统 44
2.5 其他太阳能热发电系统 46
参考文献 49
第3章 太阳能独立热发电 51
3.1 太阳能独立热发电系统研究进展 52
3.1.1 太阳能塔式热发电系统进展 52
3.1.2 太阳能槽式热发电系统进展 55
3.2 太阳能独立热发电系统热力性能分析与系统集成原则 58
3.2.1 太阳能独立热发电系统热力性能分析 58
3.2.2 太阳能独立热发电系统集成与设计原则 61
3.3 太阳热能发电系统集成 62
3.3.1 以水为吸热工质的塔式太阳能热发电系统 62
3.3.2 槽塔结合的太阳能热发电 79
3.3.3 双级集热场的抛物槽式太阳能热发电系统 82
3.3.4 槽式太阳能集热性能实验研究 88
3.4 发展方向（关键技术与瓶颈、突破） 104
参考文献 105
第4章 太阳能与化石能源热互补发电系统 107
4.1 概述 107
4.2 太阳能与燃气蒸汽联合循环互补发电 108
4.2.1 太阳能ISCC发电 109
4.2.2 典型实例 111
4.2.3 太阳能预热燃气轮机压缩空气互补发电 114
4.3 太阳能与煤互补发电系统 116
4.3.1 基本概念 116
4.3.2 典型实例 119
4.4 热互补机理 124
4.4.1 太阳能互补净发电效率 124
4.4.2 太阳能净发电效率特征 126
4.4.3 互补发电的*佳聚光比 127
4.4.4 光煤互补系统集成原则 129
4.5 太阳能净发电效率修正 131
4.6 变辐照变工况热互补发电系统热力性能 133
4.6.1 系统流程描述 133
4.6.2 聚光集热岛与动力岛之间运行参数相互影响 135
4.6.3 四季典型日变工况及全息工况性能 138
4.6.4 聚光集热关键过程 142
4.7变辐照主动调控聚光集热方法与关键技术 147
4.7.1 槽式广角跟踪聚光集热方法 147
4.7.2 广角跟踪聚光集热技术 151
4.7.3 可变面积槽式聚光集热技术 153
4.8关键技术与发展前景 158
4.8.1 热互补发电系统的技术突破 158
4.8.2 近中期应用前景 158
参考文献 159
第5章 太阳能与化石燃料热化学互补发电系统 161
5.1 概述 161
5.2 太阳能与化石燃料热化学互补机理简述 161
5.2.1 太阳能热化学互补反应特点 161
5.2.2 太阳能热化学互补集成机理 162
5.2.3 太阳能热化学互补净发电效率增效表达式 166
5.3 中低温太阳能燃料转换方法 167
5.3.1 中低温太阳能热化学互补制氢简述 167
5.3.2 太阳能吸收反应器设计原则 168
5.3.3 中低温太阳能热化学燃料反应器 169
5.4 槽式太阳能吸热反应器设计优化 172
5.4.1 光热化学反应多场耦合 172
5.4.2 吸热反应器温度分布优化 174
5.4.3 太阳能吸收反应速率分布 176
5.4.4 太阳能吸收反应器管壁直径优化 178
5.4.5 反应床孔隙率的影响 181
5.4.6 非均匀能流密度的影响 183
5.5 变截面积吸收／反应器 189
5.6 中低温太阳能热化学互补发电示范装置及试验 191
5.6.1 太阳能集热品位提升实验验证 191
5.6.2 百kW太阳能热化学互补发电示范装置 192
5.6.3 中温太阳能热化学互补发电试验 198
5.7 中温太阳能与化石燃料互补分布式供能系统 201
5.7.1 热化学互补分布式系统集成原则与思路 202
5.7.2 太阳能与甲醇裂解互补冷热电典型方案 203
5.7.3 典型实例及热力性能 205
5.7.4 经济性分析 208
5.7.5 近中期发展前景 210
参考文献 211
第6章 回收C02的太阳能热化学方法与应用 213
6.1 概述 213
太阳能热化学与CO2回收集成原则 213
6.2 捕集CO2的太阳能热化学互补特性规律 215
6.2.1 燃料炯、吉布斯自由能、太阳集热炯、C02分离功关联性 215
6.2.2 燃料化学能梯级利用对CO2捕集能耗降低的作用 218
6.3 控制CO2的中低温太阳能-甲醇重整制氢多功能系统 220
6.3.1 系统集成特征与热力性能 220
6.3.2 太阳能驱动甲醇重整制氢典型实验 99Q
6.4 控制CO2排放的太阳能-化学链燃烧发电系统 228
6.4.1 系统描述 229
6.4.2 热力性能 230
6.5 太阳能-替代燃料化学链燃烧实验验证 233
6.5.1 氧载体材料制备 234
6.5.2 实验原理及方法 234
6.5.3 化学链燃烧反应动力特性 238
6.5.4 适合中温太阳能驱动CLC的新型氧载体的制备与性能研究 244
6.6 挑战与发展趋势 254
参考文献 255
彩图
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第1章 太阳能热发电现状与发展动态
纵观人类科学技术的百年发展史，从蒸汽机“改变世界”、电力和内燃机开创新纪元，到人类计算机延伸人脑，能源是人类社会赖以生存的物质基础。进入21世纪，人类历史从来没有像现在面临如此困境：以煤、石油、天然气等化石燃料为主的能源资源的短缺，化石能源消耗导致生态环境恶化的日益凸现，传统化石能源供给减小与社会经济发展对能源旺盛需求之间的矛盾。随着国际社会越来越关注化石燃料燃烧造成二氧化碳排放问题，世界各国应对气候变化，采取加快推进能源供给的多元化，已经将发展可再生能源上升到国家能源安全战略。在当今以化石能源与可再生能源并举的能源消费结构达成共识的基础上，人类将迎接由可再生能源引*的新一轮的能源革命和新技术产业革命。
太阳能、生物能源、风能在可再生能源新技术革命风潮中各领风骚。本章以分析可再生能源发展趋势和特点为切入点，侧重太阳能热发电技术发展进程，梳理太阳能热发电技术现状和存在的技术瓶颈及科学问题，力求从理论创新和方法创新方面，指出当今太阳能热发电技术面临规模化、低成本应用紧迫性的挑战。
1.1 能源可持续发展与可再生能源战略需求
自工业化以来，人类社会发展主要依赖无节制地开发利用煤、石油、天然气等化石燃料资源以及水、土地、生物质等自然资源。首先将这些化石资源转换成能源，然后再将能源以热和功的形式加以利用，*后治理所产生的环境污染问题，即先污染后治理。这一模式导致奢*的资源浪费、低效的能源利用和严重的环境污染。例如，中国以煤直接燃烧为主的工业能耗继续处于主导地位。在美国，以石油基燃料燃烧为主的建筑和运输能源消费约占总能量消费的70%。可以说，这种基于资源、能源利用与环境之间链式连接的“串联”模式，恰恰是阻碍当今能源可持续发展的根本原因，也是造成环境污染、全球气候变化的重要因素。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）的《减缓气候变化特别报告2014》中指出（IPCC，2014），如果不提高现有能源利用效率或者改善能源结构，预计2050年由传统能源消耗的直接二氧化碳排放将达2010年的排放水平的三倍以上。
进入21世纪，人类逐渐认识到开拓可持续能源新渠道、实施能源多元化的能源环境系统，对实现可持续能源发展具有重要战略意义。人类需要开拓新的化石燃料化学能利用方式或新型的燃烧方式，探索在燃料化学能转化的源头中分离污染物的有效途径，实现燃料化学能的有效利用与污染物的分离回收，摒弃传统的“链式串联”模式，走出一条资源、能源与环境相容的发展新模式，如图1-1所示。
图1-1 资源、能源、环境一体化模式示意图
为了减缓传统化石能源使用带来的气候变化，根本解决资源环境挑战，世界各国普遍认为可再生能源技术是实现低碳能源转型的关键，截止到2014年底，全球发电装机中可再生能源占27.7%，以满足全球电力需求的22.8%。国际能源署（IEA）《能源技术远景预测报告2014》中对于全球气候变化与能源、电力的情景研究表明（IEA，2014）：2050年全球可再生能源电力将占电力装机的65％以上。2012年1月1日，德国再次修改《可再生能源法》，提出到2030年50%以上电力消费必须来自可再生能源，2050年可再生能源占能源消费总量的60%和电力消费的80%以上。英国能源与气候变化部在《2050年能源气候发展路径分析》中探讨了远期可再生能源满足约60%能源需求的前景。丹麦《2050能源战略》提出到2050年完全摆脱对煤炭、石油和天然气的依赖。美国能源部认为到2030年风电占美国能源结构的比重将达20%，到2050年将达35%，可再生能源可满足2050年80%电力的需求。日本政府曾在2012年8月公布了实现可再生能源飞跃发展的新战略，目标是到2030年使海上风力、地热、生物质、海洋等四个领域的发电能力扩大到2010年度的6倍以上。种种迹象表明，可再生能源在未来全球能源供应中的地位将更加突出。
图1-2 2014年可再生能源发电占全球发电量的比例（来源：REN21）
图1-3 不同可再生能源占比下装机容量组成预测（来源：IEA）
近年来，我国风能发电、太阳能光伏发电、水能等可再生能源利用起到了重要作用。到2014年底，中国非化石能源在一次能源消费中占比由2005年的7.4%上升至11.2%，单位国内生产总值（GDP）二氧化碳排放较2005年下降了33.8%。2014年非化石能源消费总量达到4.8亿吨标煤，是2005年的2.5倍。2015年6月30日，中国政府向联合国气候变化框架公约秘书处提交了应对气候变化国家自主文件——《强化应对气候变化行动——中国国家自主贡献》，提出了二氧化碳排放2030年左右达到峰值并争取尽早达峰、单位GDP二氧化碳排放比2005年下降60%～65%、非化石能源占一次能源消费比重达20%左右的战略目标。
“沉舟侧畔千帆过，病树前头万木春”，可再生能源将引*人类自己第四次科技革命的到来，历史地承担起调整能源结构、保护环境的重任。世界将会出现能源技术、信息技术和新材料技术相互交叉、相互渗透的新兴产业，中国拥有世界上*大的可再生能源潜力市场，尽管近年来可再生能源技术研发取得了令人鼓舞的可喜进展，但将可再生能源发展成未来的主要能源，依然任重道远。我国只有拥有低成本的可再生能源的原始创新技术，才能真正加快能源结构调整，建立独立自主的可再生能源技术体系和产业支撑体系，完成能源消费结构的根本性改变，满足能源可持续发展的国家重大战略需求。
1.2 太阳能热利用与发电现状
太阳是巨大的聚变核反应堆，聚变释放的能量以光辐射形式送到地球，成为*可能依赖的初级能源。由图1-4的各国使用可再生能源资源量看，太阳能处于可再生能源的首要地位。当前，太阳能利用主要表现在太阳能热利用与太阳能发电两种方式。全球太阳能供热量约是太阳能发电量的4倍。太阳能发电分为光伏发电和光热发电，太阳能发电将是未来可再生能源提高大规模电力的主力，是规模化可再生能源发电的主要方向。截止到2014年，全球光伏发电总装机容量达到150GW，光热发电4GW。2014年IEA报告指出（IEA，2014），预计到2050年光伏发电将占全球总装机容量的16%，光热发电将占全球发电总装机容量的11%。太阳能热利用与发电技术经过长期持续努力，都取得了长足进步。
图1-4 发达及发展中国家2014年可再生能源投资量（来源：REN21）
1.2.1 太阳能热利用状况
太阳能热利用通过太阳能集热器将太阳辐射能收集起来，通过集热工质将太阳能转换成热能而利用，主要应用领域包括：平板集热进行热水供应；中温太阳能集热与建筑结合，实现工业领域的太阳能热水、供暖和制冷。按照太阳集热温度不同分为：太阳能低温（<100℃）利用、中温（100～500℃）利用和高温（>500℃）利用。根据集热方式不同分为平板型和聚焦型。
太阳能工业用热主要是利用250℃以下太阳热供工业的热需求，如食品、酿酒、饮料、纺织、纸浆和造纸等。目前全世界约有86个用于工业过程加热的太阳能供热厂，总安装容量约为24MWth。这些厂位于19 个国家，正在运行的有奥地利、希腊、西班牙、德国、意大利和美国。其中仅美国就拥有10MWth，希腊约44MWth，西班牙约14MWth。与太阳能平板集热的热水系统（70～80℃）相比，对于太阳能工业用热和区域性建筑供暖，要求太阳能集热器产生100～250℃的热能。目前，全球已陆续建成万平方米级以上太阳能建筑供热系统12座，年太阳能保证率超过50%。
图1-5 太阳能加热和制冷应用技术路线（来源：IEA）（后附彩图）
中国太阳能热利用产业经过三十多年的发展，取得了令人瞩目的成就，特别是我国太阳能平板集热器的热水系统利用。2012年太阳能平板集热器的生产量和保有量分别达到6390 万m2和25770万m2，约占世界总量的80%和60%。若按1～4类太阳能资源区内太阳能热水器（按75%加权使用率计算）年可替代标煤为150kg/m2，我国已成为世界上太阳能热水器的生产和销售大国，年销售量和累计拥有量都居世界第*位（杜祥琬，2008）。然而，对于一个拥有十几亿人口的大国来说，我国目前太阳能热水器的人均占有率仍然很低（189m2/千人），远低于以色列等国家，而国际上的总目标为4亿m2，增长2.5亿m2，同时千人均有280m2。太阳能热水器的整体技术水平还比较差，和发达国家相比，从技术、材料、制造工艺及设备等方面都存在着明显的差距。
1.2.2 太阳能热发电种类、方法
当前，聚光太阳能热发电是实现规模化太阳能热利用的重要途径之一。利用聚光器，将地球表面低密度的太阳能汇聚到焦斑处，产生高密度的能量，然后由工作流体将其转换成热能，再通过热机实现发电。从系统集成角度看，聚光太阳能热发电系统主要分为三类：单一太阳能热发电、太阳能与化石燃料互补发电和单一太阳能热化学发电。
1.单一太阳能热发电
在单一太阳能热发电系统中，聚光集热的热力循环多分别是Rankine（朗肯）循环（汽轮机）、Brayton（布雷敦）循环（燃气轮机）、Stirling循环（斯特林机）。太阳能单一热发电能量转换过程仅含有太阳集热的传热和热功转换。按照聚光集热方式，单一太阳能热发电主要是槽式、菲涅耳式、塔式、碟式四种。
槽式太阳能热发电通常采用单轴跟踪，其几何聚光比通常低于100，集热温度在400～500℃（DOE，2011），*早商业化运行的槽式热发电系统是美国和以色列联合建造的Luz（路兹）的9座槽式太阳能热电站，总装机容量达353.8MW。槽式太阳能热发电是目前发展*成熟的太阳能热发电技术，目前绝大部分商业化运行的太阳能热电站是槽式电站。
图1-6SEGS（Solar Electric Generating Systems）电站抛物槽镜场（来源：NERL）
线性菲涅耳太阳能热发电系统是槽式太阳能热发电系统的改进与简化。与槽式太阳能热发电系统一样，线性菲涅耳反射镜也是线聚焦，采用一维跟踪。与槽式系统不同的是，线性菲涅耳发电系统可以利用一列位于较低位置的聚光器跟踪太阳辐射，并且吸热器固定，几何聚光比在25～100。
塔式太阳能热发电系统采用点聚焦形式，吸热器固定在高塔上，定日镜采用双轴跟踪。塔式太阳能热发电的聚光比在300～1500，集热温度可以达到800～1200℃，图1-8为塔式太阳能热发电系统示意图。
碟式太阳能热发电系统是另外一种点聚焦式的太阳能热发电系统，主要利用旋转抛物面反射镜，将入射太阳光聚集在镜面焦点处，而在该处可放置集热工质或斯特林发电装置直接发电。与塔式太阳能热发电系统一样，也采用二维跟踪方式，聚光比通常为1000～3000，太阳能吸热器加热氢气或氦气到近千摄氏度的高温后驱动斯特林发电机。碟式太阳能热发电可以单台使用或多台并联使用，但其单机规模受限制。太阳能发电效率可达29%。