摘要：塔式光热发电技术作为太阳能光热发电的重要分支，以其高聚光比、高工作温度、高光电转换效率等优势，在新能源领域展现出了巨大的发展潜力。基于此，文章分析了塔式光热发电技术的定义、分类及技术原理，总结了其在国内外的发展现状，分析了关键技术，并对该技术的未来发展趋势进行了展望，以期为相关领域的研究与应用提供参考。
0引言
随着全球能源转型和“双碳”目标的推进，可再生能源的开发利用日益受到重视。塔式光热发电技术作为太阳能光热发电的先进形式，凭借其独特的优势成为新能源领域的研究热点。
1塔式光热发电技术概述
1.1定义与分类
塔式光热发电技术作为一种先进的太阳能光热发电方式，其核心在于利用大规模定日镜阵列将广阔地域内的太阳光能聚焦至中央集热塔顶端的吸热器上，加热传热工质产生高温蒸汽，进而驱动汽轮机发电，实现了太阳能向电能的高效转换。塔式光热一般采用定日镜阵列聚焦，聚光比为300～1 500，工作温度为550～1 400℃，集热效率为22%～23%，具备强大的储能配置能力，是目前市场中大规模、大容量商业化成功应用的典型代表。
相比槽式、蝶式和菲涅耳式等其他光热发电技术，塔式光热发电展现出了显著的技术优势。槽式光热主要依赖线性抛物面反射镜沿单轴跟踪太阳，将阳光集中在一条长条形的集热管上，聚光比为50～100，工作温度为350～600℃，集热效率为20%～21%，储能配置能力中等，适用于大规模部署但聚光效率相对较低；蝶式采用双轴跟踪的抛物面反射镜，将阳光聚焦到较小的接收面上，集热效率可达31%，但多适用于分布式应用且成本较高；菲涅耳式则利用平面镜或轻微弯曲的镜面，通过多级反射提高聚光比，其成本效益与空间利用效率较为均衡，但多为示范项目，大规模应用很少。
通过上述对比可以看出，塔式光热发电技术在高聚光比、高集热效率、储能配置能力及适应大规模电站建设方面表现突出，是未来光热发电领域的重要发展方向之一。
1.2技术原理
塔式光热发电技术原理是利用众多装有跟踪系统的高精度定日镜实时追踪太阳位置，将太阳光反射并聚焦于集热塔顶部的吸热器上，聚焦后的高温太阳光直接加热传热工质（通常为熔盐）到极高温度（数百摄氏度）后，通过热交换系统将热能传递产生高温高压蒸汽，驱动汽轮机旋转，从而带动发电机发电。
目前塔式聚光集热系统主要分为两类，一次反射技术的吸热器多安装在高位，50～100 MW级吸热器高度约200 m，吸热器多为管屏式、外形呈多边圆柱状；二次反射技术的吸热器放置在地面（5～8 m），50～100 MW级二次反射镜面高度约75～100 m，吸热器多为容积式或“容积式+管屏式”组合。
2塔式光热发电技术的国内外发展现状
2.1国内市场
国内塔式光热起步较晚，但近年来却呈现蓬勃发展态势，特别是在“双碳”目标背景下，国家系列政策为塔式光热提供了广阔的发展空间。从国家能源局鼓励新能源企业探索“光伏+光热”等创新模式，到《国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知》中明确提出积极发展太阳能光热发电，均彰显了政府推动光热发电技术发展的坚定决心。南京江宁与北京延庆大汉等实验示范电站的成功运营，实现了从实验示范电站向商业化示范电站的跨越式迈进。青海德令哈和敦煌塔式光热电站等项目顺利投运，标志着我国塔式光热发电技术已迈入应用新阶段，为后续大规模商业化奠定了坚实基础，展现出其在清洁能源领域中的巨大潜力。
2.2国外市场
国外塔式光热经历了多个发展阶段。20世纪80年代，其开始受到关注并逐步进入实验与示范阶段。进入21世纪后，随着技术的成熟提升和成本逐步降低，塔式光热发电项目开始在全球范围内加速部署。特别是在2007年至2013年期间，多个标志性项目相继建成并投入运营，如西班牙的PS10、PS20和Gemasolar电站，这些项目不仅展示了塔式光热发电技术的可行性，还推动了相关产业链的发展和完善。其中，西班牙的Gemasolar电站尤为引人注目，它是世界上首个实现24 h连续发电的塔式光热电站，装机容量达50 MW，年发电量可达110 000 MW·h，运行小时数远超传统太阳能发电项目。
在国内外政策的双重驱动下，塔式光热正迎来前所未有的发展机遇。随着技术的持续进步和政策的不断完善，塔式光热有望在推动全球能源结构转型和应对气候变化中发挥更重要的作用。
3塔式光热发电关键技术
文章根据笔者参与建设的甘肃省河西地区国家第一批沙漠、戈壁、荒漠风光电大基地“光热+”试点项目，也是同期建设塔式光热机组最大单机容量（110 MW）示范项目，对塔式光热发电的关键技术进行简要分析。
3.1定日镜及其控制技术
定日镜是塔式光热发电系统中的核心部件，它通过高反射性（≥90%）镜面精确追踪太阳位置（定位精度≤±0.1°），将太阳光聚集到集热塔顶的吸热器上，从而实现高效的太阳能收集与转换。除高反射性和定位精度外，定日镜还需具备良好的耐候性，以应对极端气候条件的挑战，确保长期稳定运行。
当前，定日镜技术研究的热点与难点主要集中在支架结构设计、高精度传动系统及智能控制系统等方面。支架结构设计需综合考虑力学分析与稳定性要求，通过精确计算与模拟，确保支架在风荷载等外力作用下仍能保持高精度定位。高精度传动系统则采用先进的伺服电机与精密减速器组合，实现微米级的调节精度，确保定日镜能实时追踪太阳轨迹。智能控制系统则集成了传感器、算法与通信技术，实现对定日镜的远程监控、自动调节与故障预警，提高了系统的智能化水平与运维效率。
3.2吸热器设备及材料
吸热器作为塔式光热发电系统中的热能转换核心，其性能直接影响系统的发电效率。管屏式吸热器以其高效的热转换率和灵活的布置方式成为主流选择，容积式吸热器则因其较大的热存储容量和温度均匀性等特点，适用于特定应用场景。吸热器的内部结构设计需精心布局，以最大化减少热损失。
吸热管金属材料的选择尤为关键，需耐高温（≥500℃）、耐腐蚀及能应对恶劣工作环境。根据调研，吸热管材料有Incoloy 800H、Incone 1625和Haynes Alloy 230，三种都满足吸热器高温应用场景下疲劳寿命、导热性、热膨胀特性等专业性能要求。研究表明，吸热效率主要取决于吸热器涂层的吸收率，在550℃左右时，大聚光比的吸热器涂层必须具备高太阳吸收率和低红外发射率，目前有Pyromark 2500系列油漆、WE 61有机硅耐高温油漆等可选。
近年来，随着材料科学的进步，新型耐高温、耐腐蚀、高吸收率材料等不断涌现，为吸热器的性能提升提供了有力支持。
3.3传储热工质选择及技术
塔式光热发电常用的传储热工质有熔盐、水、空气，一般需满足耐高温、热稳定性强、传储热性能佳、过程热损失小、材料相容性好、低气压、低凝点、经济性好等要求。
熔盐凭借其良好的热稳定性、流动性及高比热容，能有效传递并储存大量热能，成为发热系统与储热系统可共用工质，极大地简化了电站集成系统。同时作为良好的储热材料，熔盐储热系统能保证在太阳辐射不足时电站持续平稳出力，因而成为塔式光热发电系统中传热与储热工质的关键选择。目前，塔式光热广泛使用的熔盐有Solar Salt（60%NaNO3+40%KNO3）、Hitec（7%NaNO3+57%NaNO3+40%KNO2）及Hitec XL（45%KNO3+7%NaNO3+48%Ca(NO3)2）。研究表明，Solar Salt的凝固点、热稳定性及储热性优于另外两种熔盐，在进行大规模商业化应用时更具成本优势。熔盐的流动与传热特性对系统设计具有深远影响，需通过精确的流体力学与传热学分析，优化管道布局与流速控制，以实现高效的热能传输与存储。在熔盐传热储热技术方面，低温熔盐的开发拓宽了工作温度范围，提高了系统的灵活性与适应性；高温传热储热材料的制备则满足了更高温度下的应用需求，进一步提升了系统的储能密度与发电效率。此外，系统设备的设计与布置也是关键技术之一，需综合考虑熔盐的物化性质、热应力分布及安全维护等因素，确保系统的长期稳定运行与高效发电。
3.4示例项目选型及应用
定日镜：采用五边形定日镜，镜面呈正五边形、近似圆形，其面形控制精度≤0.3 mrad。
吸热器：采用管屏式吸热器，使用Inconel 625材料，选用Pyromark 2500作涂层材料。
工质：采用二元熔盐，其主要成分为硝酸钠（60%NaNO3）硝酸钾（40%KNO3）混合物，即Solar Salt熔盐。
4塔式光热发电技术的未来展望
4.1技术进步与产业升级
在技术层面，通过持续的研发与创新，预计定日镜系统的定位精度将进一步提升，达到甚至超越±0.05°的精度水平。同时，耐候性材料的研发将使定日镜在极端气候条件下的使用寿命显著延长。吸热器技术也将迎来革新，新型耐高温、耐腐蚀材料的应用将大幅提高热转换效率，降低维护成本。此外，熔盐储热技术的优化将实现更长时间的热能储存与更高效的热能释放，满足电网调峰需求，提升系统的灵活性与可靠性。
在产业链方面，上下游将形成更紧密的合作关系，从原材料供应、设备制造到系统集成、运维服务，各环节将实现协同发展，推动整个产业向规模化、标准化、智能化方向迈进。政府政策的支持也将是产业升级的重要驱动力，通过制定优惠的财政补贴、税收减免等政策，引导社会资本加大对塔式光热发电技术的投入，推动产业向更高效、更经济、更环保的方向发展。
4.2多能创新与协同优化
塔式光热发电技术的未来发展将深刻聚焦于技术多能创新与协同优化领域。作为国内首批“光热+光伏”试点项目的核心，正积极探索并实践光热与光伏的协同配比及“风光热储”多能互补新模式，通过精细化的调度管理实现多电源互补互济，优化运行、平滑出力，减少因天气波动对电网造成的冲击，提升了电力系统的灵活性和稳定性，提升了清洁能源的消纳水平和利用效率。
4.3环境与社会效益提升
在推动能源结构转型与促进可持续发展方面，塔式光热发电技术展现出显著的环境与社会效益，作为一种清洁、可再生的能源利用形式，塔式光热发电技术能显著减少碳排放，另外，联合治沙行业机构及科研院校共同开展“光伏+荒漠生态治理+治沙”的生态试点研究，也能促进当地植被恢复、土壤改良和水资源合理利用，对保护环境具有积极意义。据估算，一座大型塔式光热发电站每年减少的二氧化碳排放量可达数十万吨，相当于数千辆汽车的尾气年排放量，对于实现碳中和目标具有重要意义。
在社会效益方面，塔式光热发电技术的推广将带来广泛的影响。首先，它将提升公众对可再生能源的认知与接受度，推动绿色低碳生活方式的普及。其次，通过提供稳定、可靠的电力供应，塔式光热发电技术将助力偏远地区与欠发达地区的经济发展，改善当地居民的生活条件。最后，作为一种技术密集型产业，塔式光热发电技术的研发与应用将促进科技创新与人才培养，为国家的长期发展注入新的动力。此外，塔式光热发电技术的广泛应用还将促进能源结构的多元化与转型。这种能源结构的转型不仅有助于减少对化石燃料的依赖，降低能源安全风险，还能推动相关产业链的发展，创造更多就业机会，促进经济社会的可持续发展。
5结束语
塔式光热发电技术作为太阳能光热发电的重要形式，具有广阔的发展前景和巨大的市场潜力。面对当前存在的挑战与机遇，需要加大技术研发力度、降低成本、完善政策与市场机制，推动塔式光热发电技术的商业化应用与产业化发展。相信在不久的将来，塔式光热发电技术将成为新能源领域的重要支柱之一，为全球能源转型和“双碳”目标的实现作出重要贡献。
本文转自《超越照明》。
作者：赵令金，国投甘肃新能源有限公司。
