前言
2012年本书第一版出版后，中国科学院大学将其作为研究生教材使用了6年，作者在这6年的教学活动及与其他读者交流中发现第一版有些不足和需要改进之处，这些在第二版中都得到了更正和完善。
太阳能热发电近7年来发生了很大变化，全球总装机容量从2012年的约4000MW增加到约7000MW。太阳能热发电站单机容量已达到槽式250MW和塔式150MW。我国太阳能热发电站的商业化发展也日新月异，至2019年7月，运行电站总装机达到236MW，单机最大达到100MW。传统的导热油槽式和熔融盐介质的塔式技术仍是这些新增容量的支撑。作者所在的中国科学院电工研究所北京延庆太阳能热发电研究基地也从2012年具有单一水介质塔式，发展到2019年的具有熔融盐介质塔式，导热油介质槽式，双轴槽式集热器，太阳能热电联供等系统的研究基地；同时还研发及购置了一批太阳能热发电专用测试装备及实验平台，成为了国际上实验条件最好的太阳能热发电研究基地之一。基于在这些先进装备的亲身科研实践，以及在中国科学院大学的教学实践，作者在第二版中对槽式和塔式太阳能热发电技术的基本概念、原理和基本装备进行深入解析，对电站设计的步骤进行了系统性阐述。作者认为对基础知识的牢固掌握和具有系统概念是研究和设计电站及其装备的必要基础。
本书由王志峰完成全稿编写。参与本书编著的人员还有李鑫（6.5节），郭明焕（2.7节，3.2节，第4章），余强（2.6.1节），宫博（4.7节）等。郭明焕博士对第二版的修订付出了巨大的劳动。
本书英文版《Design of solar thermal power plants》由Elsevier 出版社购买海外版权并于2019年4月出版，本书第二版与英文版是对应的。
自2019年开始，国家重点研发计划“超临界二氧化碳太阳能热发电关键基础问题研究”项目启动，标志着我国第4代太阳能热发电技术研究启航。未来4年会有一批700℃以上集热、储热和换热技术装备产生，太阳能热发电成本有望较大幅度降低。这也是本书今后再版将关注的重点方向。
感谢自1996年以来不遗余力支持作者进行太阳能热发电研究和实践的中国科学院徐建中院士，中国可再生能源产业开创人朱俊生先生，皇明太阳能股份公司董事长黄鸣先生！感谢同事和学生们的支持！特别感谢作者家人给予的关爱！
作者在太阳能热发电研究活动中得到了国家863计划、973计划、支撑计划、科技部国际合作计划、国家自然科学基金、中国科学院知识创新工程、中国科学院国际合作计划、北京市科技计划、广东省珠江人才计划、国家电网公司科技计划，欧盟第6和第7框架计划的鼎力支持,在此一并深表感谢！
作者对清华大学、西安交通大学、上海交通大学、武汉理工大学、华北电力大学、兰州理工大学、中国科学技术大学、中国科学院大学和中国科学院电工研究所等给予的支持表示感谢！
作者水平有限，疏漏之处在所难免，欢迎批评指正，以便再版时更正。

王志峰博士
2019年7月5日于北京


第一版前言
我国自从1996年开始研究太阳能热发电以来，太阳能热发电技术经历了从低谷到高潮的过程。 “十一五”以来，太阳能热发电技术在我国发展很快，出现了一大批实验太阳能集热储热系统、实验电厂，核心部件和材料的制造工艺也有较大的突破，专业的太阳能热发电设备生产商也已出现。第一部太阳能热发电国家标准于2011年9月颁布。随着“十二五”期间技术的进一步深化和向商业化发展，太阳能热发电站设计参考书成为电站商业化的急需和必备。目前国际上还没有系统描述太阳能热发电站设计方法的书籍。
本书论述的主要对象是聚光型太阳能热发电技术，主要包括塔式和槽式太阳能热发电技术。本书不仅对聚光型太阳能热发电系统的设计进行了描述，还对其关键装备，如定日镜、定日镜场、抛物面槽式聚光器、槽式真空管、全厂DCS等的设计方法和运行方式也进行了较详细的阐述，给出了设计的基本依据和需要考虑的重点。
太阳能热发电的设计主要包括资源评价、选址、聚光场光学效率设计、吸热器热控和电气设计、储热容量和充放热设计、换热与蒸发设计、全厂电气、全厂热控仪表、电站建筑和全厂安防设计等内容。本书针对以上内容分章给出了计算和设计方法，并结合作者的实践给出了一些算例，帮助读者理解。
太阳能辐射是太阳能利用的基础。太阳能热发电所用太阳能资源的评价是电站设计和选址的最基本过程，虽然已有很多著作文章叙述过该部分，但作者还是结合自己的研究对该部分进行了阐述，特别强调了它和热发电厂选址的关系。
聚光器、吸热器和储热器是太阳能热发电的三大核心部件，本书对这些部分着墨较多，描述了设备的使用、设备性能评价方法、设备的设计思路和方法等。
在性能评价中，定日镜的光斑误差分析难度较大。本书给出了对不同类型定日镜光斑误差分析的数学方法和试验方法，这些方法基本来源于作者和研究生们的研究成果。
对吸热器热损分析是吸热器设计的核心。分析方法有很多种，本书提出了一种较为简单的计算方法，并给出了相应的算例。
本书最初定位是写一本类似设计手册的工具书，特别参考了中华人民共和国国家标准《小型火力发电厂设计规范》（GB 50049），读者从总体编排中就可看出。但随着写作的进展，发现由于太阳能热发电技术的书籍和参考资料在我国还不多，很多方法也在发展和演化过程中，因此对重要的基本概念和基本方法需讲得透彻一些。这些描述和分析内容的加入会使本书更容易读懂和更有参考价值，但也大大冲淡了“设计手册”的风格。
本书由王志峰完成主要编写，其他作者还有李鑫（5.5）、郭明焕（2.4，4.2.2）、余强（2.6）、宫博(4.7)等。
本书是在作者及同事们和学生们多年来在太阳能热发电研究和工程实践基础上总结而成的。写作原则是和读者分享自己“亲手种植的果实”，尽量少摘录他人工作。从2010年初开始写作，本书原计划一年完成，能赶上2011年年底“十一五”863项目验收。但随着研究工作进展，特别是2011年7月北京延庆大汉塔式太阳能电站产汽，2012年8月发电，电站逐步投入运行，作者对太阳能热发电技术的认识逐步加深。发现要提供给读者尽量有用的内容，没有自己原汁原味的理论及实验是不够的。特别是太阳能热发电技术还处于发展期，很多基本概念和术语在文章和著作中表达都有不同，例如电站设计中最重要的概念“设计点”。作者对类似的重点内容都进行了深入的理论和实验研究，在本书中表达出自己的观点。因此本书历时5年才迟迟奉献给读者。今后随着工作的深入，本书还会不断修改，争取能把自己更新的“果实”奉献给读者和行业，例如在储热单元的设计和运行方式等。
本书作者特别感谢十余年来不遗余力支持作者进行太阳能热发电研究和实践的中国科学院徐建中院士和皇明太阳能股份公司董事长黄鸣先生，同时也感谢作者家人的关爱和支持。作者在太阳能热发电的研究实践活动中，得到了国家“863计”,“973计划”(2010CB227100),“国家自然科学基金”,“北京市政府科技计划”,“中国科学院知识创新工程”,“科技部国际合作计划”以及欧盟“第6”和“第7”框架计划的鼎力支持，在此一并深表感谢。
本书试图能吸收国内外太阳能热发电技术的发展经验和精华奉献给读者，但由于作者水平有限，参加太阳能热发电站研发和建设的实践还远远不够，难免有许多不妥之处，恳请读者提出批评、指正。

王志峰
2014年3月

目录：

1绪论1
1.1太阳能热发电站设计的总体原则2
1.1.1太阳能热发电站的组成2
1.1.2发电站机组压力参数的选择3
1.1.3太阳能吸热器用的传热介质3
1.1.4发电站规划容量和装设机组的台数3
1.1.5发电站对环境影响控制3
1.1.6发电站的抗震及抗风设计4
1.1.7聚光场设计原则4
1.2概述4
1.2.1太阳能热发电站基本概念4
1.2.2太阳能热发电主要技术形式10
1.2.3基本术语17

2太阳能资源和气象参数26
2.1太阳能资源的性质26
2.1.1太阳能资源利用的优点26
2.1.2太阳能资源利用的缺点26
2.2太阳常数及辐射光谱27
2.2.1太阳辐照的表达27
2.2.2太阳辐射光谱27
2.3大气层对太阳辐射的影响28
2.4太阳位置计算方法29
2.4.1太阳角度29
2.4.2跟踪面角度的计算32
2.5我国几个典型地区的太阳能资源分布34
2.5.1北京地区太阳能资源34
2.5.2拉萨地区太阳能资源37
2.5.3格尔木地区太阳能资源38
2.5.4敦煌地区太阳能资源40
2.5.5吐鲁番地区太阳能资源40
2.5.6贵州地区太阳能资源41
2.5.7海南岛地区太阳能资源42
2.5.8哈尔滨地区太阳能资源43
2.6太阳辐照度预测方法45
2.6.1太阳法向直射辐照度的估计方法45
2.6.2气候条件变迁对太阳直射辐照度的影响48
2.7中国太阳法向直射辐射资源分布48
2.7.1我国的年平均日太阳法向直射辐照量分布49
2.7.2太阳直射辐射时空分布影响因素50
2.7.3我国太阳能资源的基本特征50
2.7.4我国太阳能资源区划51
2.7.5太阳法向直射辐射的测量52
2.8站区各种特殊气候条件55
2.8.1环境温度55
2.8.2风速55
2.8.3降水参数56
2.8.4灾害性天气现象及其参数56
2.8.5设计风速和环境温度57
2.9测量仪器58
2.9.1太阳总辐射表58
2.9.2太阳法向直射辐射表59
2.9.3大气透过率测量仪60
2.10全球太阳法向直射辐射资源分布60
2.10.1卫星太阳法向直射辐照度的现场修正60
2.10.2全球太阳法向直射辐射资源分布60

3太阳能热发电站总体设计63
3.1电站设计点63
3.1.1设计点的意义63
3.1.2利用设计点的计算实例63
3.2塔式电站定日镜聚光场效率分析64
3.2.1定日镜场光学分析软件HOC简介64
3.2.2定日镜场光学分析软件HOC的算法原理64
3.2.3定日镜场光学分析软件HOC的两个具体版本67
3.2.4镜面反射率的取值70
3.2.5大气透过率分析71
3.2.6塔式吸热器热损76
3.3抛物面槽式太阳能集热器热性能83
3.3.1槽式真空管热损系数84
3.3.2槽式集热器热性能测量方法现状85
3.3.3槽式集热器热性能测试方法92
3.4电站设计需要的基础资料112
3.5设计的主要参数和原则112
3.6电站总体参数描述113
3.7年发电量计算113
3.7.1采用设计点方法计算113
3.7.2年发电量计算实例114
3.7.3热发电站容量优化117
3.7.4基于逐时模拟的发电量计算方法117
3.7.5地理位置对抛物面槽式集热器效率计算的影响122
3.8储热量的确定126
3.8.1储热量选取的原则126
3.8.2储热功率选取的原则127
3.9电站总平面规划要点127
3.10聚光场布置注意事项131

4聚光系统设计133
4.1系统总体描述133
4.1.1聚光系统的组成133
4.1.2聚光器调控原则和模式133
4.1.3聚光场控制模式133
4.1.4CFSC控制室位置和环境要求134
4.1.5聚光场输出的计算方法134
4.1.6反射镜积灰的影响134
4.2聚光场布置原则135
4.2.1定日镜基本知识135
4.2.2球面定日镜聚光像散特性137
4.2.3轮胎面定日镜简介138
4.2.4槽式聚光器的光学损失139
4.2.5聚光场布置的一般原则141
4.3塔式电站聚光场设计143
4.3.1定日聚光场基本运行模式及基本设计参数143
4.3.2定日聚光场优化设计方法144
4.3.3塔式吸热器系统的设计148
4.4塔式电站聚光场控制设计150
4.4.1聚光场控制系统技术条件150
4.4.2定日镜跟踪误差的校正151
4.5槽式电站聚光场设计154
4.5.1聚光场的轴向布置155
4.5.2槽式集热器集热效率评价159
4.5.3槽式集热场设计164
4.6槽式电站聚光场控制设计165
4.6.1槽式电站聚光场控制系统技术条件165
4.6.2控制系统结构165
4.7集热器的风载特性165
4.7.1风洞实验——定日镜风载特性166
4.7.2外场测量——槽式聚光器风载170

5吸热器系统设计187
5.1系统总体描述187
5.1.1吸热器系统配置187
5.1.2吸热器组成及其调控原则188
5.1.3吸热器额定功率的确定原则190
5.2吸热器系统的材料选用191
5.2.1传热介质191
5.2.2吸热体材料191
5.2.3吸热体表面涂层192
5.2.4塔式吸热器保温材料192
5.2.5管材192
5.3吸热器系统的管路和泵选用192
5.4吸热器系统的控制193
5.4.1吸热器控制系统逻辑193
5.4.2控制设计范围194
5.4.3控制方式194
5.5吸热器系统运行方式设计195
5.5.1总则195
5.5.2吸热器启动195
5.5.3吸热器工作模式195
5.5.4吸热器的技术改进195
5.6吸热器的排污系统及其设备196
5.6.1排污范围196
5.6.2排污方式196
5.6.3排污装置197
5.6.4排污原则和方法197
5.7抛物面槽式吸热管真空性能197
5.7.1抛物面槽式吸热管结构概述197
5.7.2抛物面槽式吸热管真空可靠性研究现状199
5.7.3抛物面槽式吸热管放气性能205
5.7.4抛物面槽式吸热管放气性能测试208
5.7.5抛物面槽式吸热管渗气性能216
5.7.6抛物面槽式吸热管渗氢量预测219

6储热系统229
6.1系统总体描述229
6.1.1储热系统的作用229
6.1.2储热系统分类230
6.1.3储热方式选择231
6.1.4储热材料存放231
6.2储热系统的技术要求231
6.3储热材料和模式232
6.3.1熔融盐储热和室温离子流体材料232
6.3.2混凝土储热材料232
6.3.3混凝土储热器的换热设计233
6.3.4相变材料储热235
6.3.5固体材料储热用于空气吸热器系统235
6.3.6饱和水/蒸汽储热236
6.3.7合金相变储热材料236
6.4储热系统分类与组成237
6.4.1主动型直接储热系统237
6.4.2主动型间接储热系统239
6.4.3被动型储热系统240
6.4.4储热系统的组成242
6.5储热材料和容器的选用243
6.6储热容器的充放热设备及流程设计243
6.7储热系统控制244
6.7.1控制系统组成244
6.7.2储热系统控制逻辑244
6.8储热系统检修设施244

7厂址选择、电力负荷与发电流程245
7.1厂址选择245
7.1.1选址原则245
7.1.2宏观选址245
7.1.3生态保护245
7.1.4储热容器放置245
7.1.5太阳能资源与选址246
7.1.6厂址用地选择246
7.1.7站址标高确定247
7.1.8发电站厂址的地震烈度247
7.1.9厂址位置确定247
7.1.10发电站居住区位置的选择248
7.2电力负荷与发电流程248
7.2.1电力负荷资料248
7.2.2电力负荷规划248
7.2.3电力输出时段选择248

8厂区规划249
8.1基本规定249
8.1.1发电站的厂区规划原则249
8.1.2发电站的厂区规划设计要求249
8.1.3厂区规划注意事项250
8.1.4厂区绿化的布置250
8.1.5厂区主要建筑物的方位250
8.1.6吸热塔耐温防火250
8.2主要建筑物和聚光场的布置250
8.2.1主厂房位置的确定250
8.2.2塔式电站吸热塔布置251
8.2.3聚光场内道路布置251
8.2.4厂区围墙251
8.3交通运输251
8.4竖向布置252
8.5管线布置253
8.5.1厂区地下管线的布置253
8.5.2架空管线的布置253
8.5.3管线与周边环境的协调253

9主厂房布置254
9.1主厂房方位254
9.2主厂房与储热器254
9.3太阳能储热系统布置254

10水处理设备及系统255
10.1吸热器和蒸发器补给水处理255
10.2水处理设备的计算255
10.3给水、炉水校正处理及热力系统水汽取样255
10.4防腐256

11电力系统257
11.1发电站与电力网的连接257
11.2系统保护257
11.3系统通信257

12电气设备及系统258
12.1高压配电装置258
12.2电气主控制室258
12.3直流系统258
12.4电气测量仪表258
12.5继电保护和安全自动装置258
12.6照明系统259
12.7电缆选择与敷设259
12.8过电压保护和接地259
12.9爆炸火灾危险环境的电力装置259

13热工自动化260
13.1基本规定260
13.2控制方式260
13.3热工检测260
13.4自动调节261
13.5热工保护261
13.6联锁261
13.7电源和气源261
13.8控制室261
13.9电缆、导管和就地设备布置262
13.10采暖的基本规定262
13.11太阳能吸热塔262
13.12厂区采暖热网及加热站262

14建筑和结构264
14.1基本规定264
14.2防火264
14.3室内环境265

15辅助及附属设施266

16太阳能热发电站的环境保护267
16.1基本规定267
16.2环境保护设计要求267
16.3污染防治267
16.4环境保护设施268

参考文献269