研究所发展规划(太阳能部分)

能源与动力工程研究所发展规划

（2012-1014，太阳能部分）

2012年1月

目 录

1．概述 ................................................................................................................... 1 2．聚焦式太阳能集热系统 .................................................................................... 1

2.1. 聚焦式太阳能技术简介以及国内外进展情况 ...................................... 2

2.1.1国际上的项目进展情况 ................................................................. 2 2.1.2.国内的进展情况 ............................................................................. 3 2.2．市场前景及产业化后经济、社会效益预期结果 ................................. 4

2.2.1. 国家和山东省政策导向的推动作用 ............................................ 4 2.2.2.该项技术的适宜性 ......................................................................... 5 2.2.3.经济和社会效益 ............................................................................. 5 2.3 聚焦式太阳能集热技术的研究规划和主要内容 ................................... 5 2.４ 聚焦式太阳能集热技术的预期研究成果 ............................................. 7 3．太阳能海水淡化 ................................................................................................ 7

3.1 海水淡化简介 ........................................................................................... 7 3.2 市场需求和产业化前景 ........................................................................... 8 3.3聚焦式太阳能海水淡化的研究规划和主要内容 .................................... 9 3.3 聚焦式太阳能海水淡化的预期研究成果 ............................................. 10

能源与动力工程研究所发展规划（2012-2014，太阳能部分）

1．概述

能源与动力工程研究所是由鲁东大学与山东鲁东新能科技股份有限公司共同发起成立。面向烟台市和山东省的重大战略需求和工业布局调整，致力于工业节能泵、太阳能及热泵等建筑工业节能产品技术研发和科研成果转化。

研究所下设工业泵中心和能源工程技术中心，后者现有实验室建筑面积600余平方米，已配置热电偶校验装置、精密光谱日射强度计、热电偶点焊仪、灰熔点测定仪、多功能风速仪、温度记录仪、多路温度巡检仪（含PC数据采集系统）等200余万元的仪器设备。

能源工程技术中心的主要研究方向为聚焦式太阳能技术，目前在研的科技项目包括山东省自然科学基金——考虑能流不均匀性的槽型抛物面太阳能光热系统接收管的传热研究（ZR2011EL018）以及烟台市科技项目“采用聚焦式太阳能集热的露点蒸发太阳能海水淡化装置的产品开发”等；另一方面，本着服务地方经济的思想（烟台是中国重要的制冷工业基地，有烟台冰轮、顿汉布什等业内知名企业），中心结合部分科研人员的研究背景和其它自身优势，确立了可与太阳能结合使用的高效热泵作为另一研究方向。

“产学研相结合、实现科技向生产力的转化、以节能环保服务地方”是能源与动力工程研究所的宗旨。以下分别就能源工程技术中心的研发产品做一基本介绍。

2．聚焦式太阳能集热系统

能源问题和环境问题的强力应对已刻不容缓。根据国际能源署（International Energy Agengy, IEA）的预测，石油和天然气的枯竭在本世纪的中叶将成为现实，而环境问题尤其是气候变化的日益凸显又使煤炭的大规模使用受到限制。在这一大背景下，作为上述问题最终解决方案，新能源相关产业必将在我国国民经济的发展中发挥日益重要的作用。

新能源相关技术的开发与利用将大有可为。聚焦式太阳能技术由于其工作温度高，用途广泛等特点而备受瞩目。美国加州9座总装机容量达354MW的槽型抛

1

物面太阳能电站1984年以来的成功运营证明了聚焦式太阳能技术巨大的商业化潜力。

近年来，从节能和环保要求出发，我国政府不断采取措施，大力推广可再生能源技术应用，目前已在太阳能低温应用方面取得了飞速发展。根据IEA统计，国内太阳能集热器安装面积约占全世界的1/3（大部分为民用），居世界第一。相对而言，在太阳能中高温的工业应用方面还处于研究和探索阶段，工程实例较少，但发展潜力巨大。

聚焦式太阳能光热（Concentrating solar thermal, CST）技术属于太阳能中高温应用的范畴，它分为槽型抛物面、塔式、碟式３种基本形式，能够实现大规模发电。CST技术的可靠性和商业化前景已被美国加利福尼亚州Mojave Desert自1984年起陆续兴建的9座槽型抛物面太阳能电站的成功运营所证明。CST能以较高的工作温度实现热能的产出，其应用领域还包括吸收式制冷、化工、工业过程供热、海水淡化、水处理乃至制冷、供热和发电的联合系统。

CST技术在我国尚处于示范阶段，要实现大规模商业化还有很多问题需要进一步完善和解决。“十一五期间”，科技部组织实施了聚焦式太阳能(Parabolic trough solar, PTS)发电技术的重大专项，在北京延庆建设1MW的塔式发电示范系统。在各类CST技术中，槽型抛物面太阳能应用已有多年的大规模商业化经验，在技术上最为成熟；欧美国家对其科研投入也远远超过其它两种技术，其市场前景也最为看好。

2.1. 聚焦式太阳能技术简介以及国内外进展情况

聚焦式太阳能技术属于新能源中的中高端技术，未来发展潜力巨大，在国内外的发展势头十分迅速。

2.1.1国际上的项目进展情况

如前所述，聚焦式技术的可靠性和大规模商业化前景已被Luz公司在美国加州陆续兴建的9座槽型抛物面太阳能电站所充分证明。

由于一次能源价格的大幅下降，以及政府补贴的消减，Luz公司建造第10座槽型抛物面太阳能电站的计划未能实现，于1991年宣告破产，幸运的是，加州的9座电站没有受到太大的影响，一直运营至今。

过高的单位容量投资是太阳能热发电技术商业化的主要障碍之一，通过科研

2

机构、运营商和政府的努力，情况已大有改观。近5年来，通过对接收器设计上的改进以及完善操作维护程序，加州的槽型抛物面太阳能电站的运营成本已经降低了30%之多。由于持续的技术进步，新建电站的发电成本已经从初期的0.27USD/kWh降低到0.10-0.12USD/kWh，加上来自于政府的上网电价补贴，以及针对发展中国家的碳减排补贴等各项财政支持，抛物槽式太阳能发电技术已经可以在成本上与传统发电方式竞争，如果考虑到对环境保护的贡献则其优势将更为明显。另一方面，由于石油和煤等化石能源的逐渐枯竭，火力发电的成本必将不断上涨，从长远来看，太阳能热发电具有优于传统发电方式的成本潜力。

近年来，聚焦式太阳能再次成为国际上的投资热点，Acciona Energia公司在美国内华达州建设的64MW槽型抛物面式太阳能电站（Nevada Solar One）已于2007年1月并网发电，该项目是自1991年以来的首个商业化聚焦式太阳能电站，位于该州首府Las Vegas 东南40英里处的Boulder City，太阳能集热器阵列面积为1,214,058 m2，总投资为2.66亿美元，建设周期为16个月[24.]。除了美国之外，西班牙、印度、摩洛哥、埃及、墨西哥、意大利、希腊等国家也都在规划建设聚焦式太阳能发电装置，其中西班牙由于拥有丰富的太阳能资源以及政府的大力支持（Euro0.26/kWh的优惠上网电价）发展最快，在安达鲁西亚首府Seville附近的Sanlúcar la Mayor建设了11MW的塔式电站（PS10），已于2007年5月投入运营。

西班牙在槽型抛物面热发电方面也处于欧洲前列——位于西班牙南部Sierra Nevada地区Andasol，总装机容量达200MW的槽型抛物面太阳能电站项目进展顺利，该项目分为I期和II期，其中I期100MW工程已并网发电；此外，西班牙另有若干大型项目在建。

可以说，世界范围内的太阳能热发电的浪潮正在兴起。目前，全球投入使用的太阳能热发电电站装机容量约有700MW，在建项目1200MW，已经宣布建设的装机容量则为1.26万MW。

2.1.2.国内的进展情况

“十一五”(2006年-2010年)期间，中国科学院电工研究所已经在国家高技术发展计划(即“863计划”)支持下，于北京延庆开始建设1兆瓦的太阳能塔式热发电示范项目（实验性质）。

中国首个商业化的太阳能热发电项目——内蒙古50兆瓦项目的特许权招标，

3

预计于今年五六月开始。

即将于今年五六月间在内蒙古公开招标的50兆瓦槽式太阳能热发电电站，则是目前国内规模最大的太阳能热发电。根据内蒙古当地相关部门的估算，该项目总投资16亿元人民币。项目建成后，每年可发电1.2亿度，实现产值1.8亿元和税收1530万元。

早在三年前，该项目就作为全国示范项目获得了国家发改委下达的《关于同意内蒙古自治区太阳能热发电示范项目开展前期工作的复函》。随后，德国太阳千年公司与内蒙古绿能新能源有限公司共同建立了内蒙古施德普太阳能开发有限公司，专门从事中国首个太阳能槽式热发电的可行性研究报告和实施工作。

根据2009年2月内蒙古水利厅批复的该项目水土保持方案资料，项目位于鄂尔多斯杭锦旗巴拉贡镇境内，占地一百多公顷。

该项目规划年总发电量为1.2亿度，如果含税上网电价达到每度电2.26元，当资本金内部收益率达到8.86%时，资本金投资回收期接近16年，而项目可以运行25年。

然而，聚焦式太阳能技术要实现大规模商业化还有很多问题需要进一步完善和解决。除了电站基础设施建设（包括新技术和新设备的开发）问题外，作为槽型抛物面聚焦式太阳能系统的核心部件-接收器本身的研发现状，在制造成本、使用寿命、可靠性以及效率等方面都有待提高，这些都在不同程度上制约了该项技术的推广。为了解决上述问题，涉及材料、机械、流体、传热、光学等领域的相关基础研究成为紧迫的课题。

2.2．市场前景及产业化后经济、社会效益预期结果

聚焦式太阳能光热技术的市场前景和预期经济、社会效益是相当乐观的。 2.2.1. 国家和山东省政策导向的推动作用

为了应对能源短缺和气候变化，我国政府已经作出了转变经济发展方式的战略决策，并已向世界作出承诺——到2020年单位GDP二氧化碳排放比2005年下降40%-45%，并作为约束性指标纳入国民经济和社会发展中长期规划，制定可行的统计、监测和考核办法。

我国已颁布了《可再生能源法》，实施细则也在逐步完善中，中高温太阳能项目将得到贷款及补贴，获批项目的实际投资风险将大大降低。

4

山东省已确定了发展半岛蓝色经济区的发展规划，并上升到国家层面，新能源相关产业是蓝色经济的重要支撑点。聚焦式太阳能光热技术作为技术含量较高的应用技术，有望带动相关产业的快速发展。

2.2.2.该项技术的适宜性

聚焦式太阳能光热技术除了可以实现大规模的并网发电之外，还能以较高的工作温度实现热能的产出，其应用领域包括吸收式制冷、化工、工业过程供热、海水淡化、水处理乃至制冷、供热和发电的联合系统。宽广的应用领域决定了它在我国和我省的发展潜力。

从技术进步和社会发展的角度来说，大力发展高端新能源技术也符合世界潮流。

2.2.3.经济和社会效益

聚焦式太阳能光热应用本身就是一项高产出的技术。以聚焦式热发电为例，美国加州的9座电站总投资超过12亿美元，年并网发电量在8*108KWh以上。该项目不仅经受住了多次外部冲击，而且带动了装备业等相关产业的发展和技术进步。

作为高端的新能源技术，投资过高是槽型抛物面太阳能光热技术商业化的主要障碍，通过科研机构、运营商和政府的努力，情况已大有改观。仍以加州电站为例，通过改进接收器设计以及完善操作维护程序，近5年来电站运营成本已经降低30%。加上政府补贴，该项技术已可以在成本上与传统火力发电竞争，如果考虑到对环保的贡献其优势将更加明显。

从长远来看，由于石油和煤炭等化石能源逐渐枯竭，传统的发电（也包括制冷、供热、水处理等）成本必将不断上升，聚焦式太阳能光热具有优于传统方式的潜力。

2.3 聚焦式太阳能集热技术的研究规划和主要内容

以山东省自然科学基金——考虑能流不均匀性的槽型抛物面太阳能光热系统接收管的传热研究（ZR2011EL018）为平台，完善现有技术，并开发新的核心技术，生产具有自有知识产权的高新技术产品。

要实现槽型抛物面太阳能技术的大规模应用，除了基础设施建设（包括新技术和新设备的开发）问题外，作为系统的核心部件-接收器本身的研发现状，在制

5

造成本、使用寿命、可靠性以及效率等方面都有待提高，这些都在不同程度上制约了PTS技术的推广。为了解决上述问题，涉及材料、机械、流体、传热、光学等领域的相关基础研究成为紧迫的课题（提高光热转化效率，降低生产成本，延长使用寿命等）。对这一点，各国的官产学研各方具有共识。

有鉴于此，在未来3年的研究中，将在理论上力求突破，通过对模拟槽型抛物面太阳能集热器的接收器内的传热过程，研究各种相关因素对接收器效率的影响机理，对聚焦式太阳能光热系统中接收器的结构设计提出建议。

除了理论方面，将完成能够满足聚光光学特性和单轴跟踪精度要求的槽型抛物面太阳能光热系统样机的试制，通过对制造工艺的比较优化和形位公差的控制，保证反射镜支架及反射板的尺寸和分布基本不变，通过PLC控制的手段保证追踪误差，保证研究结果的正确性和有效性；建立槽型抛物面太阳能光热系统的实验系统，精确稳定地控制微小的流体流量和载热体温度等指标，实现稳定的流动工况。观察和记录周向以及纵向范围内的传热特性及其变化特征；针对不同的气象条件和流动条件下接收器内能流分布的特征及其变化特征进行测量和评估。具体拟评估的影响参数有：（a）直射辐射强度； (b)风速；(c)环境温度； (d)接收器的结构参数；(e) 载热体的循环温度； (f) 循环流量。

在研发过程中，采用实验研究和理论分析相结合的研究方法。理论分析采取由浅入深，循序渐进的技术路线，而样机开发考虑多方面因素的影响重点放在条件设定和控制上，以保证结果的准确性和适用性。

（1）槽型抛物面太阳能集热器（Parabolic Trough Solar Concentrator, PTSC）的制作。

本课题的研究目的之一是评价不均匀太阳辐射能流对于接收器传热特性的影响，PTC的结构和精度十分关键，需要自行制作。申请者在天津大学从事博士研究时曾从事过类似的工作，了解所用材料和相关工艺，相信经过一些必要的准备过程能够制作出满足试验要求的设备。集热器长度初定5m，采光口宽度1.5m，抛物线最大边缘角根据与采集因子的关系确定。通过测量集热器的反射率以及控制形位误差等指标，准确掌握相关光学和物理性质，保证实验结果的准确性。

样机的另一个关键是太阳跟踪装置。跟踪装置的硬件部分拟由带刹车装置的交流变频电机以及大减速比的齿轮箱组成；控制部分采用PLC。通过软件硬件有

6

机的结合和适时修正实现跟踪精度。

样机的开发将着眼于工程应用中的关键问题。在实际工程的集热器阵列中，往往会出现接收器外层玻璃管与内层金属管之间环形空间真空度降低乃至完全缺失的情况，此类研究对于工程应用具有一定的理论价值和实际意义，这也是样机开发需要解决的问题之一。

聚焦式太阳能集热系统的研究在国际上具有一定的创新性和理论价值，可为聚焦式太阳能系统的结构设计和性能改进提供依据。 2.４ 聚焦式太阳能集热技术的预期研究成果

未来3年内，经过槽型抛物面反射镜进入接收器的不均匀能流所导致的变化的传热特性的分析;通过多种工况下不均匀能流对接收器内流动影响和光热转化效率的数学模拟和实验评估。发表SCI或EI检索论文3-5篇。

完成槽型抛物面光热转化系统样机的开发和制作，通过这一过程以及对样机的性能评价，取得相关国家专利1-2项，形成自有知识产权。

3．太阳能海水淡化

3.1 海水淡化简介

淡水是人类赖以生存和发展的基本物质。然而，海水占地球总水量的97％以上，仅剩的不到3％的淡水，其分布也极其不均，存在于河流、湖泊和可供人类直接利用的地下淡水不足0.36％。就人均占有量来说，中国的水资源相当匮乏，只居世界的第108位。

常规的海水淡化方法，如蒸馏法、离子交换法、渗析法、反渗透膜法以及冷冻法等，都要消耗大量的燃料或电力。在中国能源较紧张的条件下，利用太阳能从海水(苦咸水)中制取淡水，是解决淡水缺乏的重要途径之一，有广泛的应用前景。

中高温太阳能集热技术的发展，使得太阳能几乎可以与所有传统的海水淡化系统相结合，符合当今节能减排，可持续发展的潮流，具有广阔的发展前景。在利用太阳能光热转化进行海水淡化方面，对太阳能集热器和相应海水淡化装置的改进是今后的发展方向。槽形抛物面集热器是国际上中高温集热器中科研投入的重点，其可靠性和经济效益早已被美国加州总装机容量354MW的9座槽形抛物

7

面太阳能电站的长期运行所证实。将此种集热器与露点蒸发海水淡化技术相结合，由于其较高的工作温度，可以达到较高的效率，符合太阳能海水淡化技术的趋势。

与槽形抛物面太阳能集热技术相耦合的露点蒸发海水淡化技术，通过槽形抛物面太阳能集热器这一中温集热器，以较高的工作温度实现太阳能的光热转化和利用，基于载气增湿和去湿的原理进行海水和苦咸水的淡化，同时回收冷凝去湿的热量，为蒸发盐水提供汽化潜热,使整个过程的热效率得到有效提高。

课题组前期已进行了相关科研基础工作，包括山东省自然科学基金“考虑能流不均匀性的槽型抛物面太阳能光热系统接收管的传热研究”(ZR2011EL018)，并已经获得了一些槽型抛物面太阳能集热系统以及换热器的优化设计经验与实验数据，有良好的研究基础。近年来在Renewable and Sustainable Energy ，中国电机工程学报，太阳能学报等权威学术期刊上发表了10余篇与课题直接相关的科研论文，其中被3大索引收录9篇。在太阳能光热应用领域具有一定的国内影响。在产品制造方面，拥有海水淡化系统中用作为去湿装置的壳管式换热器的生产技术。 3.2 市场需求和产业化前景

到2007年底，中国已建海水淡化工程的产水能力已达到16万吨/日，天津、青岛、河北等沿海地区多个日处理10-20万吨的大型海水淡化项目相继启动。很多沿海的大型电力、石化、化工企业，开始大量利用海水，年利用海水作为工业冷却水量约420亿立方米，其中电力行业利用海水作冷却水量占90％。

经过多年的科技攻关，中国在海水淡化、海水直接利用等海水利用关键技术方面取得重大突破，技术经济日趋合理。部分技术如低温多效海水淡化技术、海水循环冷却技术已跻身国际先进水平。目前中国海水淡化已基本具备了产业化发展条件，但与国外先进水平还有很大差距。

当务之急是尽快形成中国海水淡化设备市场的完整产业链条。围绕制约海水淡化成本降低的关键问题，发展关键装备和核心技术，研发具有自主知识产权的海水淡化新技术、新工艺、新装备和新产品，提高关键材料和关键设备的国产化率，增强自主建设符合节能环保要求的海水淡化工程的能力。

未来20年内国际海水淡化市场将有近700亿美元的商机。中国未来会有几十亿美元的市场。过去海水淡化产业关注的热点在中东地区和欧洲西班牙等地，但现在英国、法国、新加坡、丹麦、日本等国家的海水淡化企业纷纷来到中国，从

8

事技术、投资和建设活动。目前，中国市场成为国外海水淡化产品装备制造集团的重要战略市场。

根据全国海水利用专项规划，到2010年，中国海水淡化规模将达到每日80万至100万吨，2020年中国海水淡化能力达到每日250万至300万吨，尤其是国家积极支持海水淡化产业，自2008年1月1日起，企业的海水淡化工程所得将免征所得税。中国海水淡化产业发展前景广阔。 3.3聚焦式太阳能海水淡化的研究规划和主要内容

在各类海水淡化技术中，露点蒸发淡化是一种新的苦咸水和海水淡化方法。它基于载气增湿和去湿的原理，同时回收冷凝去湿的热量，传热效率受混合气侧的传热控制。露点蒸发淡化技术是以空气为载体,通过用海水或苦咸水对其增湿和去湿来制得淡水,并通过热传递将去湿过程与增湿过程耦合,使冷凝潜热直接传递到蒸发室,为蒸发盐水提供汽化潜热,以提高过程的热效率。

真空管型集热器技术在中国的迅速发展，使得建立在中高温度段运行的太阳能增湿-去湿成为可能。也使以太阳能作为能源，与常规海水淡化系统相结合变成现实，而且正在成为太阳能海水淡化研究中的一个很活跃的课题。国内相关单位也开发了采用真空管型空气集热器的太阳能海水淡化装置，但从长远的发展来看，该集热器的工作温度和热效率有不小的局限性。

拟在前期工作的基础上，用3年时间开发出槽形抛物面太阳能集热露点蒸发太阳能海水淡化装置，并对影响系统效率和淡水产量的关键性因素进行研究，以期进一步提高该装置的转化效率；另一方面，从提高产品功能复合性和运行可靠性的角度出发，我们拟在新的装置中增加蓄热装置以及生活热水生产功能，将对该装置的两种功能——海水淡化和生活热水生产的匹配和控制要素进行研究。

我们将在现有理论模型的基础之上进行方案设计，建设露点蒸发式海水（苦咸水）淡化系统；进行整个装置的集成，安装调试，并进行优化设计；建设实验装置，通过实验对集成装置进行评估，研究各种因素，尤其是当地典型气象条件对海水淡化系统运行性能的影响，并从系统优化的角度对蓄热系统以及生活热水生产系统进行实验研究；

我们的研究将着眼于工程应用和产品推广中的关键问题。槽形抛物面（聚焦式）太阳能露点蒸发海水淡化装置的市场前景广阔，可用于解决海岛以及偏远地

9

区淡水资源短缺的问题，尤其是没有电网覆盖，无法利用常规能源淡化海水的地区；另一方面，在增加太阳能集热器阵列面积的基础上，该技术具备承载规模化海水淡化工程的潜力，同时，淡化过程后产生的盐还可以加工成食用盐及工业用盐，具有较强的综合经济价值。该装置可以以较高的工作温度实现热能的转化和利用，其高效性和宽广的应用领域决定了它在我省和我市的发展潜力。

在本装置的聚焦式太阳能集热系统中，太阳轨迹跟踪装置是保证聚焦式太阳能集热器光热转化效率和有效辐射量的重要部件，目前国内研究限于单纯的光电跟踪或者是固定轨迹跟踪，缺乏应对复杂气项条件的手段，精度无法满足要求。我们将采用太阳周日视运动轨迹和太阳周日视运动的集成跟踪，以达到聚焦效果。

蓄热系统和生活热水生产系统可以保证聚焦式太阳能系统稳定性和持续性，有助于实现该项技术的商业化。本研究从系统优化的角度出发，通过理论分析和实验研究，对整个系统的优化设计进行研究，具有一定的现实意义。 3.3 聚焦式太阳能海水淡化的预期研究成果

通过3年的研究工作，建成并调试成功1套槽形抛物面太阳能露点蒸发海水（苦咸水）淡化装置；结合槽形抛物面太阳能技术的高效化和节能化目标，开发出适用于聚焦式太阳能集热的增湿——去湿海水（苦咸水）淡化技术，淡水生产量达到3.4kg/100(m3 /h)加湿器空气流量,加湿器峰值有效率38%以上。

结合槽型抛物面太阳能集热系统的优化目标，进行系统优化的相关研究，通过对蓄热子系统和生活热水生产的优化设计，使整个装置的综合太阳能转化率提高30%以上。

我们将完成以下关键技术开发

? 适用于槽型抛物面太阳能集热系统的有效跟踪技术

? 适用于聚焦式太阳能露点蒸发海水淡化装置的蓄热系统优化设计技术 ? 槽型抛物面太阳能露点蒸发海水淡化系统的综合分析评价和设计技术 我们拟凝练研究成果，申报发明专利1项；并在在国内外核心学术刊物，就研究内容发表论文2篇以上。

10

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/i3fg.html