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聚光太陽能熱發電

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西班牙的PS10太陽能發電塔，把太陽光從定日鏡（英語：Heliostat）場集中到中央的太陽能發電塔.
354MW（百萬瓦）太陽能發電系統（SEGS）（英語：SEGS）太陽能設施的一部分，在美國加州北部聖貝納迪諾縣。
此條目介紹的是利用太陽能的熱來發電的技術。關於使用光伏效應的發電技術，請見「太陽能電池」。關於太陽發出的熱能的應用，請見「太陽熱能」。

聚光太陽能熱發電（或稱聚焦型太陽能熱發電，英語：Concentrated solar power，縮寫：CSP）是一個集熱式的太陽能發電廠的發電系統。它使用反射鏡或透鏡，利用光學原理將大面積的陽光匯聚到一個相對細小的集光區中，令太陽能集中，在發電機上的集光區受太陽光照射而溫度上升，由光熱轉換原理令太陽能換化為熱能，熱能通過熱機（通常是蒸汽渦輪發動機）作功驅動發電機，從而產生的電力。

CSP已被廣泛的商業化，並且從2007年至2010年年底，CSP市場已經出現了約740 MW的發電能力的增加。在2010年，超過一半的發電能力（約478 MW）已被安裝，使其全球總發電能力達到1095 MW。西班牙在2010年增加了400 MW，以總的632 MW領先了全球，而美國截至同一年年底增加了78 MW，達到了總發電能力爲509 MW，其中包括兩個化石燃料-CSP混合的發電廠。[1]中東也提升他們的安裝基於CSP項目的計劃，並作為該計劃的一部分，世界上最大的CSP項目Shams-I已被馬斯達爾（MASDAR）安裝在阿布扎比市[2]。

CSP不會受到雲層干擾，其供電時間為用電高峰，許多CSP可以使用熔鹽儲熱，因此在沒有日照後數小時仍會發電，儲熱量也不需太高，在深夜及凌晨可以停止發電，但此時用電量較低（使用基載電力就可滿足），這樣的CSP就已經很實用，在非高峰時間，CSP的發電量可以依需求調節（可以在短時間內停止發電、此時聚集的熱量會完全儲存於熔鹽內），彈性甚至比天然氣發電還要高。

CSP預計將以快速的步伐繼續增長。截至2011年4月，在西班牙建設另外946MW的容量，使新容量總計為1,789MW，預計到2013年底前投入營運。在美國有進一步的1.5GW的拋物線槽式和發電塔式發電廠正在建設中，並還有簽訂了至少6.2GW的合同。在北非和中東地區，以及印度和中國也存在顯著的興趣。全球市場一直被拋物線槽式發電廠佔據着，佔了90％的CSP發電廠。[1]

目前的技術

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聚光太陽能熱發電（CSP）被用來產生電力（有時也稱為太陽能熱能發電，通常通過水蒸氣產生）。聚光太陽能技術系統的使用有追日系統（英語：Solar_tracker）的鏡子或透鏡，把大面積的陽光聚焦到一個小面積。然後將集中的的光用作常規發電廠（太陽能熱能發電）的熱源。CSP系統中使用的太陽能聚光器也經常被用來提供工業過程的加熱或冷卻，例如太陽能空調。

聚光技術存在四個常見的形式，即拋物線槽型（英語：Parabolic trough），斯特林碟型，聚光線性菲涅爾反射鏡（英語：Compact linear Fresnel reflector）型，和太陽能發電塔（英語：Solar power tower）型。[3]雖然簡單，這些太陽能集光器距離理論上的集光最大值還很遠。[4][5]

拋物線槽型

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拋物線槽型發電廠，位於加州
主條目：拋物線槽型（英語：Parabolic trough）

拋物線槽型的聚光鏡是由把反射光集中到焦線的一個接收器的拋物線反射鏡組成。接收器是在拋物面反射鏡的中間正上方的一個管子，並且管子中充滿了的工作流體。反射鏡通過沿單軸在白天跟蹤太陽。在流經接收器時，工作流體（例如，熔鹽[6]）被加熱到150-350℃（423—623 K（302—662 °F）），然後將其用作發電系統用的熱源。[7]拋物線槽型系統是最發達的CSP技術。在加利福尼亞州太陽能發電系統（SEGS）（英語：SEGS）廠，世界上第一個商業的拋物線槽型發電廠，Acciona公司在內華達州博爾德市附近的內華達太陽能一廠（英語：Nevada Solar One），和安達索爾太陽能電站，歐洲第一個商業拋物線槽型發電廠都是代表，還有在西班牙阿爾梅利亞的SSPS-DCS的測試設備Plataforma太陽能（英語：Plataforma Solar de Almería）。[8]

斯特林碟型

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拋物面太陽能碟把太陽光線聚光到斯特林發動機的加熱元件。整個裝置可作為一個太陽跟蹤器（英語：Solar tracker）。
主條目：斯特林碟型

聚光太陽能熱發電（CSP）-斯特林已知具有在所有太陽能技術中最高的效率（30％左右，相對於太陽能光伏PV的約15％），以及被預測為能生產高規模化生產的所有的可再生能源中最便宜的能量和在炎熱地區，半沙漠等。蝶式系統利用大型拋物線曲面聚光反射鏡（形狀與衛星電視碟相似），將入射陽光聚集在焦點處，在那裏一個接收器捕捉熱量並將其轉換成有用的形式。通常是碟與斯特林發動機被耦合在一個斯特林碟形系統，但有時蒸汽機也被使用。[9]這些產生旋轉動能，可使用發電機轉換為電能。[10]

聚光線性菲涅爾反射鏡型

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主條目：聚光線性菲涅爾反射鏡（英語：Compact linear Fresnel reflector）

菲涅耳反射器是由許多薄的平面鏡條把太陽光集中到管子上，其中管子通過被泵送的工作流體。平面鏡允許在相同的空間中有比一個拋物面反射器量更多的反射面，從而捕獲更多的可用的太陽光，並且它們比拋物面反射器便宜得多。菲涅耳反射器可以用於各種大小的聚光太陽能熱發電。[11][12]

太陽能發電塔型

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主條目：太陽能發電塔（英語：Solar power tower）

塔式太陽能熱發電是採用大量的定向反射鏡(定日鏡（英語：Heliostat）)將太陽光聚集到一個裝在塔頂的中央熱交換器（接受器）上，接受器一般可以收集100MW的輻射功率，產生1100°C的高溫。

在西班牙的PS10太陽能發電塔，是世界上第一個商業化電力公用事業規模的太陽能發電塔。

在世界各地的部署

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1,000
2,000
3,000
4,000
5,000
1984
1990
1995
2000
2005
2010
2015
自1984年以來的全球CSP容量，單位：兆瓦（MWp）
2016年各國家的CSP容量 (MWp)
國家 總共 增加
 西班牙 2,300 0
 美國 1,738 0
 印度 225 0
 南非 200 100
 摩洛哥 180 0
 阿聯酋 100 0
 阿爾及利亞 25 0
 埃及 20 0
 澳洲 12 0
 中國 10 10
 泰國 5 0
Source: REN21 Global Status Report, June, 2017[13]

CSP發電廠的商業部署從1984年在美國興建太陽能發電系統（SEGS）（英語：SEGS）開始，直到1990年最後SEGS廠完成。從1991年到2006年，沒有CSP發電廠在世界任何地方被建造。

在2013年，全球的裝機量增長了36％，或近0.9 GW至3.4GW。西班牙和美國仍是全球領先者，同時安裝CSP的國家數量在不斷增加。對於具有高太陽輻射的發展中國家和地區存在顯着趨勢。自2004年全球CSP安裝容量增加了近十倍，並在過去五年中以平均每年50％速度增長。[14]:51

CSP也越來越多地與更便宜的光伏太陽能發電競爭，並採用聚光光伏（英語：Concentrator photovoltaics）（CPV），這是一種快速增長的技術，就像CSP最適合高太陽能日照的地區一樣[15][16]。此外，近來已經提出了一種新型的太陽能CPV / CSP混合系統[17]。

世界聚光太陽能熱發電（MWp）
年份 1984 1985 1989 1990 1991-2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021
已安裝的 14 60 200 80 0 1 74 55 179 307 629 803 872 925 420 110 100 550 381 239 110
累積的 14 74 274 354 354 355 429 484 663 969 1,598 2,553 3,425 4,335 4,705 4,815 4,915 5,465 6,451[18] 6690 6800[19]
Sources: REN21[13][20]:146[14] :51[21]  · CSP-world.com[22] · IRENA[23] · HeliosCSP[24]

全球市場最初以槽式電站(parabolic-trough plants)為主，一度佔聚光太陽能熱發電電站的 90%[1]。

大約自2010 年以來，中央電力塔(central power tower)式的聚光太陽能熱發電因其較高的運行溫度（高達565 °C（1,049 °F），而槽式最高溫度為400 °C（752 °F））而受到新發電廠的青睞，這保證了更高的效率。

較大的聚光太陽能熱發電項目包括美國的伊萬帕太陽能發電設施（392 MW），該項目採用太陽能發電塔式技術，無需熱能儲存，和摩洛哥的瓦爾扎扎特太陽能發電站[25]，該項目採用槽式和塔式技術相結合的技術，總計 510 MW，可熱能儲存數小時。

成本

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截至2009年9月9日，建設聚光太陽能熱發電站（CSP）的成本一般約為每瓦2.50到4美元，[26]而燃料（太陽輻射）是免費的。因此，一個250百萬瓦（MW）的聚光太陽能熱發電站（CSP）將耗資6億-10億美元興建。可以算出至0.12至0.18美元/千瓦時（kWh）。[26]新的CSP發電站可能會與化石燃料相比在經濟上具有競爭力。彭博新能源財經太陽能分析師納撒尼爾·布拉德（Nathaniel Bullard）的計算，在正在建設中的南加州的一個項目伊萬帕太陽能發電設施的電費成本，會低於從光伏發電並且會大約相同於從天然氣發電。[27]但是，在2011年11月，谷歌宣佈他們將不會再在CSP項目的投資，因為太陽能光伏價格快速下滑。谷歌已經花費1.68億美元在BrightSource公司。[28][29]國際可再生能源機構（IRENA）於2012年6月已出版一系列研究，題為：《可再生能源成本分析》。CSP的研究表明CSP電站有建設和運營兩個成本。成本有望下降，但也有因為安裝不足而不足以明確地建立學習曲線。截至2012年3月，有1.9吉瓦（GW）的CSP被安裝，其中1.8吉瓦（GW）是拋物線槽型集光器（英語：Parabolic trough）的。[30]

在2017年智利拍賣會上，SolarReserve以24小時CSP電力出價沒有補貼的63美元/MWh（¢6.3/kWh)，與其他類型的液化天然氣（LNG）燃氣輪機競爭[31] 。

未來

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國際綠色和平組織，歐洲太陽能熱電協會，和國際能源署的SolarPACES組織的一項研究調查了聚光太陽能發電的潛力和未來。研究發現，到2050年聚光太陽能熱發電量可能佔到世界能源需求的25％。投資額將從20億歐元增加到當時的925億歐元[32]。西班牙是聚光太陽能發電技術的領導者，有50多個政府批准的項目。此外，它出口其技術，進一步增加該技術在全球能源的份額。專家預測，非洲，墨西哥和美國西南部地區的增幅最大，因為CSP這項技術在高太陽輻射地區的表現最好。這表明基於硝酸鹽（鈣，鉀，鈉，...）的儲熱系統將使CSP工廠越來越有利可圖。該研究考察了這項技術的三個不同後果：CSP技術無增長，西班牙和美國的投資持續增長，和最後的CSP的沒有任何障礙的真正增長潛力。第三部分的結果如下表所示：

年度 年度投資額 積累的容量
2015年 €210億 4,755 MW
2050年 €1740億 1,500,000 MW

最後，這項研究確認了CSP的技術如何改進，以及如何在2050年之前大幅度降價。預計從目前的0.23-0.15美元/kwh的範圍下降到0.14-0.10美元/kwh[32]。

參見

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參考資料

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  1. ^ 1.0 1.1 1.2 Janet L. Sawin and Eric Martinot. Renewables Bounced Back in 2010, Finds REN21 Global Report. Renewable Energy World. 2011-09-29 [2013-02-09]. （原始內容存檔於2011-11-02）. 
  2. ^ Largest CSP Project in the World Inaugurated in Abu Dhabi – Renew India Campaign – solar photovoltaic, Indian Solar News, Indian Wind News, Indian Wind Market （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）. Renewindians.com (18 March 2013). Retrieved on 22 April 2013.
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  6. ^ Molten salt as CSP plant working fluid 互聯網檔案館的存檔，存檔日期2013-10-16..（PDF）. Retrieved on 22 April 2013.
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  8. ^ Linear-focusing Concentrator Facilities: DCS, DISS, EUROTROUGH and LS3. Plataforma Solar de Almería. [2007-09-29]. （原始內容存檔於2007年9月28日）. 
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  15. ^ PV-insider.com How CPV trumps CSP in high DNI locations 互聯網檔案館的存檔，存檔日期2014-11-22., 14 February 2012
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  17. ^ Phys.org A novel solar CPV/CSP hybrid system proposed （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）, 11 February 2015
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  25. ^ Louis Boisgibault, Fahad Al Kabbani (2020): Energy Transition in Metropolises, Rural Areas and Deserts （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）. Wiley - ISTE. (Energy series) ISBN 9781786304995.
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  28. ^ Google cans concentrated solar power project （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）, Reve, 24 November 2011.
  29. ^ Google Renewable Energy Cheaper than Coal（RE<C） 互聯網檔案館的存檔，存檔日期2013-06-29.. Google.org. Retrieved on 22 April 2013.
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  31. ^ Kraemer, Susan. SolarReserve Bids 24-Hour Solar At 6.3 Cents In Chile. CleanTechnica. 2017-03-13 [2017-03-14]. （原始內容存檔於2017-08-30）. 
  32. ^ 32.0 32.1 Concentrated solar power could generate 'quarter of world's energy' （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館） Guardian

外部連結

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