中國(guó)太陽(yáng)能和風(fēng)能資源豐富地區(qū)遠(yuǎn)離用電負(fù)荷中心、風(fēng)電和光伏過(guò)快增長(zhǎng)以及其電能品質(zhì)自身具有波動(dòng)性的問(wèn)題，使得各地棄風(fēng)、棄光問(wèn)題日益突出。于是，曾經(jīng)由于成本過(guò)高而被市場(chǎng)唾棄的太陽(yáng)能熱發(fā)電，如今再次成為市場(chǎng)熱點(diǎn)。那么，在與激烈的可再生能源競(jìng)爭(zhēng)中，太陽(yáng)能光熱發(fā)電乃英雄爾？

太陽(yáng)能熱發(fā)電基本原理

我們絕大多數(shù)人都有過(guò)這樣的經(jīng)歷，在太陽(yáng)光低下利用凸透鏡聚焦點(diǎn)燃木材、紙張或者香煙，這其實(shí)就是太陽(yáng)能高溫利用最簡(jiǎn)單的例子。對(duì)太陽(yáng)能進(jìn)行大規(guī)模的聚焦，即可收集起來(lái)產(chǎn)生高溫?zé)崮?，熱能轉(zhuǎn)換為工質(zhì)的內(nèi)能、利用內(nèi)能驅(qū)動(dòng)機(jī)械做功，即可實(shí)現(xiàn)發(fā)電。這就是太陽(yáng)能熱發(fā)電的基本原理。

我們知道，熱機(jī)是指各種利用內(nèi)能做功的機(jī)械，按照不同的分類方式有內(nèi)燃機(jī)和外燃機(jī)，蒸汽輪機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)和斯特林機(jī)等。就太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，根據(jù)聚光系統(tǒng)所采用的聚焦方式，分為線聚焦和點(diǎn)聚焦兩種。線聚焦又分為槽式和菲涅耳式兩種，點(diǎn)聚焦分為塔式和碟式兩種。目前，通常的聚光系統(tǒng)聚焦倍數(shù)10-1000倍，加熱工質(zhì)溫度可到400℃（導(dǎo)熱油）、560℃（熔融鹽），甚至接近1000℃（金屬、空氣、二氧化碳、氦氣、氫氣等）左右，利用聚光太陽(yáng)能把工質(zhì)加熱到高溫，理論上可以實(shí)現(xiàn)所有的熱力循環(huán)，包括卡諾循環(huán)、布倫頓循環(huán)和斯特林循環(huán)等。由于聚光系統(tǒng)是太陽(yáng)能熱發(fā)電站的主要特點(diǎn)，因而人們通常稱為槽式、菲涅耳式、塔式和碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電4種方式。

從能量轉(zhuǎn)換的角度來(lái)看，太陽(yáng)能熱發(fā)電站主要包括光熱轉(zhuǎn)換和熱功轉(zhuǎn)換兩個(gè)過(guò)程。光熱轉(zhuǎn)換通過(guò)聚光系統(tǒng)和吸熱系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，熱功轉(zhuǎn)換通過(guò)熱機(jī)實(shí)現(xiàn)。相比其它發(fā)電站形式，太陽(yáng)能熱發(fā)電站的主要特點(diǎn)有：

1、只利用太陽(yáng)能輻射的直射輻射部分。根據(jù)不同的氣候環(huán)境，太陽(yáng)能直射輻射通常占總輻射的比例50-90％。

2、大規(guī)模聚光系統(tǒng)。小到百平方米量級(jí)，大至萬(wàn)平方米量級(jí)。太陽(yáng)能熱發(fā)電站目前只能大規(guī)模利用（碟式斯特林太陽(yáng)能發(fā)電以百平方米量級(jí)的聚光器為模塊），聚光系統(tǒng)占地面積通常以平方公里計(jì)。

3、存儲(chǔ)和傳輸工質(zhì)的管道具有較大熱慣性。由于管道具有熱慣性，即使不采用儲(chǔ)熱，其發(fā)電的電力品質(zhì)也比較平穩(wěn)。

4、儲(chǔ)熱和補(bǔ)燃。太陽(yáng)能熱發(fā)電站可以廣泛利用儲(chǔ)熱和化石能源補(bǔ)燃的技術(shù)。儲(chǔ)熱會(huì)使電站增加10-15%的成本。

相比當(dāng)下如火如荼的光伏和風(fēng)電，太陽(yáng)能熱發(fā)電最大的優(yōu)勢(shì)就是電力波動(dòng)相對(duì)較小，這是由于太陽(yáng)能熱發(fā)電站系統(tǒng)較大的熱慣性（英文Thermalinertia，是指物體由于具有熱容，當(dāng)其所處環(huán)境溫度瞬間變化時(shí)，物體自身的溫度變化具有滯后性）、可采用儲(chǔ)熱（利用大型儲(chǔ)熱罐和儲(chǔ)熱介質(zhì)把熱量存儲(chǔ)起來(lái)。這相當(dāng)于進(jìn)一步增大了太陽(yáng)能熱發(fā)電站的熱慣性）和補(bǔ)燃的原因。熱發(fā)電站系統(tǒng)自身的熱慣性能消除太陽(yáng)輻照分鐘級(jí)的波動(dòng)，而采用儲(chǔ)熱能消除十分鐘至幾小時(shí)級(jí)的波動(dòng)。電力品質(zhì)相對(duì)平穩(wěn)是太陽(yáng)能熱發(fā)電的最大優(yōu)勢(shì)。然而，優(yōu)勢(shì)是否會(huì)成為勝勢(shì)呢？先看下面分析。

太陽(yáng)能熱發(fā)電站的成本及下降空間分析

下圖顯示了槽式和塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的成本構(gòu)成。

圖1太陽(yáng)能熱發(fā)電站的成本構(gòu)成

需要說(shuō)明的是，太陽(yáng)能熱發(fā)電站的成本與其規(guī)模、所采用技術(shù)途徑、儲(chǔ)熱時(shí)間及是否有補(bǔ)燃等因素有重要關(guān)系。但可以肯定的是，聚光系統(tǒng)占整個(gè)電站成本的40％左右。太陽(yáng)能熱發(fā)電站的管路、控制系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)的成本，與現(xiàn)有化石能源電站相應(yīng)設(shè)備的成本基本相同。由于太陽(yáng)能熱發(fā)電站熱源的間歇性，其對(duì)熱機(jī)的要求更高。因而，這部分設(shè)備成本的下降空間十分有限。綜上，太陽(yáng)能熱發(fā)電站聚光場(chǎng)的成本幾乎完全決定太陽(yáng)能熱發(fā)電的成本。那么，太陽(yáng)能熱發(fā)電站聚光場(chǎng)的成本如何呢？請(qǐng)看下面分析。

當(dāng)前，太陽(yáng)能熱發(fā)電采用的聚光器，基本都是鍍銀玻璃鏡和鋼結(jié)構(gòu)的形式。根據(jù)國(guó)內(nèi)建設(shè)某塔式太陽(yáng)能電站的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，一臺(tái)鏡面面積為100平米的定日鏡成本約為20萬(wàn)人民幣，相當(dāng)于2000元／平方米；槽式太陽(yáng)能聚光器的成本也在1500元／平方米左右。此外，單臺(tái)定日鏡用鋼材超過(guò)10噸（重量與定日鏡面積有關(guān)）。這里先算一筆賬：100平米面積的太陽(yáng)能，不考慮余弦損失的情況下（如考慮，則年均效率約60-70%），并假設(shè)DNI（DirectNormalIrradiance，法向直射輻射）資源為2000kWh/m2y條件下工作，再直接采用國(guó)際上當(dāng)前塔式電站年光電轉(zhuǎn)換效率約15％，按電費(fèi)1元計(jì)算，那么1年的收益為：

100m2*2000kWh/m2y*15%＊1元/kWh＝30000元/y。

這樣一來(lái)，僅僅定日鏡的投資回收期約7年。如果考慮到聚光場(chǎng)成本只占電站的40％，那么投資回收期是16.7年。如果定日鏡成本下降一半（其它設(shè)備的成本不變），投資回收期將是13.3年。

要特別說(shuō)明的是，碟式斯特林太陽(yáng)能發(fā)電和有的聚光光伏（CPV）技術(shù)，采用約50-100平米的碟式聚光系統(tǒng)。碟式斯特林太陽(yáng)能發(fā)電效率在22-32%；聚光光伏在聚焦太陽(yáng)光500倍左右時(shí)它的光電轉(zhuǎn)換效能介于36-40%之間，光電模組的效能在22-28%之間。這兩種技術(shù)的“光—電”轉(zhuǎn)換效率遠(yuǎn)高于普通太陽(yáng)能光伏、太陽(yáng)能槽式和塔式發(fā)電技術(shù)的效率，但目前這兩種技術(shù)都沒(méi)有得到大規(guī)模推廣，而效率小得多的光伏反而發(fā)展得風(fēng)生水起，其主要原因就是聚光器成本太高，下降無(wú)門(mén)。

目前，聚光鏡普遍采用玻璃鏡和鋼結(jié)構(gòu)和跟蹤太陽(yáng)的形式。而玻璃和鋼材已經(jīng)是大規(guī)模生產(chǎn)的材料，生產(chǎn)技術(shù)已非常成熟，通過(guò)技術(shù)提高降低材料成本的空間十分有限。此外，玻璃和鋼結(jié)構(gòu)在惡劣的大氣環(huán)境里跟蹤太陽(yáng)（有運(yùn)動(dòng)部件），既要抵抗惡劣的環(huán)境又要保持跟蹤精度和反射率，要想降低成本非常困難。如果今后沒(méi)有破壞性的創(chuàng)新技術(shù)出現(xiàn)，聚光器仍然采用玻璃鏡和鋼結(jié)構(gòu)的形式，那么，對(duì)太陽(yáng)能熱發(fā)電的成本下降空間沒(méi)有樂(lè)觀的理由。

此外，由于日夜變化和季節(jié)變化，太陽(yáng)能熱發(fā)電站即使采用大規(guī)模儲(chǔ)熱也面臨頻繁起停的問(wèn)題，這對(duì)整個(gè)系統(tǒng)——尤其是熱機(jī)的穩(wěn)定性、可靠性和壽命提出了更高要求，汽輪機(jī)將長(zhǎng)期處于非設(shè)計(jì)點(diǎn)工作——這時(shí)熱電轉(zhuǎn)換效率比設(shè)計(jì)點(diǎn)低，而經(jīng)常起停對(duì)汽輪機(jī)的壽命是嚴(yán)峻考驗(yàn)。這毫無(wú)疑問(wèn)會(huì)增加太陽(yáng)能熱發(fā)電站的成本（系統(tǒng)效率降低，間接增加發(fā)電成本）。

光熱發(fā)電能做到“天時(shí)地利人和”嗎？

太陽(yáng)能熱發(fā)電，最根本的就是需要有好的太陽(yáng)能資源，利用才有意義。但是，根據(jù)SolarGIS提供的中國(guó)太陽(yáng)能資源分布（筆者曾對(duì)多個(gè)測(cè)量站的數(shù)據(jù)和SolarGIS數(shù)據(jù)做過(guò)比較，精度較高），除了西藏地區(qū)以外，DNI大于2000kWh/m2y的地方并不多，DNI資源在2000kWh/m2y左右的地方均位于我國(guó)西北地區(qū)。而我國(guó)西北地區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱、干旱少雨、水資源貧乏、多風(fēng)沙、冬季氣溫寒冷，且同樣遠(yuǎn)離用電負(fù)荷中心。

實(shí)際上，國(guó)內(nèi)已經(jīng)建成了多個(gè)示范項(xiàng)目（海南、蘭州、內(nèi)蒙、青海、三海關(guān)、延慶等），有一些項(xiàng)目已經(jīng)拆除，國(guó)家投資的和民間投資的系統(tǒng)都有。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，這些項(xiàng)目的“光——熱”轉(zhuǎn)換效率到底達(dá)到多少？年產(chǎn)生蒸汽時(shí)間能夠達(dá)到多少？有的項(xiàng)目還發(fā)電了，其“光——電”轉(zhuǎn)換的效率和發(fā)電成本呢？也許由于涉及商業(yè)秘密的原因，這些數(shù)據(jù)極少公布。但根據(jù)國(guó)內(nèi)公開(kāi)發(fā)表文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)（webofknowledge數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢的文獻(xiàn)），國(guó)產(chǎn)某槽式聚光器回路的光熱轉(zhuǎn)換效率低于50%。而從非公開(kāi)渠道獲得的信息顯示，某已建成熱發(fā)電站的“光——電”轉(zhuǎn)換效率低于10%（有的項(xiàng)目更低），而發(fā)電成本接近1.5元/度。

太陽(yáng)能確實(shí)是取之不盡、用之不竭。但以聚光熱發(fā)電的形式利用太陽(yáng)能，對(duì)太陽(yáng)資源嚴(yán)重依賴。沒(méi)有好的太陽(yáng)能資源，很難說(shuō)孟子曰：天時(shí)不如地利，地利不如人和。孟子當(dāng)時(shí)說(shuō)的是古代戰(zhàn)場(chǎng)，理論上天時(shí)、地利和人和都可能成為戰(zhàn)場(chǎng)上改變戰(zhàn)局的因素。但對(duì)于太陽(yáng)能熱發(fā)電來(lái)說(shuō)，雖然沒(méi)有規(guī)定什么樣的太陽(yáng)能資源和環(huán)境條件能建和不能建電站，但天不時(shí)和地不利的因素將深深地影響發(fā)電的成本。

還有這些太陽(yáng)能中高溫?zé)崂?/span>

太陽(yáng)能熱發(fā)電站的聚光鏡場(chǎng)，可以用來(lái)產(chǎn)生蒸汽供工業(yè)應(yīng)用，比如用于海水淡化、紡織行業(yè)、化工和稠油開(kāi)采等，國(guó)內(nèi)已有部分示范項(xiàng)目。海南樂(lè)東、臨高有太陽(yáng)能海水淡化的示范項(xiàng)目，廣東番禺有太陽(yáng)能中溫產(chǎn)生蒸汽供紡織廠用的示范，江蘇海安太陽(yáng)能蒸汽項(xiàng)目，新疆克拉瑪依太陽(yáng)能預(yù)熱天然氣蒸汽鍋爐用于稠油開(kāi)采等。這些項(xiàng)目建成時(shí)有廣泛報(bào)道，但建成后的運(yùn)行情況未有公開(kāi)報(bào)道，更未見(jiàn)有項(xiàng)目推廣的報(bào)道。根據(jù)筆者所掌握的情況，國(guó)內(nèi)至今還沒(méi)有一項(xiàng)太陽(yáng)能中高溫技術(shù)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用，所建的項(xiàng)目基本都是在國(guó)家或地方政府支持下建立示范項(xiàng)目，甚至還有項(xiàng)目結(jié)題時(shí)還遇到困難，其中原因值得各界人士深思。

未來(lái)之路

近年來(lái)，光伏、風(fēng)電、電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能技術(shù)等能源技術(shù)均飛速發(fā)展，全國(guó)各地對(duì)分布式光伏的補(bǔ)貼政策方興未艾，互聯(lián)網(wǎng)+和能源互聯(lián)網(wǎng)概念更是未來(lái)風(fēng)生水起，這些技術(shù)必將提高能源利用效率、改變我們使用能源方式，最終恢復(fù)我們的藍(lán)天白云。而2015年9月30日能源局發(fā)布《關(guān)于組織太陽(yáng)能熱發(fā)電示范項(xiàng)目建設(shè)的通知》，再次掀起了太陽(yáng)能熱發(fā)電站建設(shè)的高潮。但中國(guó)太陽(yáng)能熱發(fā)電將走向何方？太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)是否英雄耳？依筆者之見(jiàn)，當(dāng)前還沒(méi)有足夠證據(jù)能夠支持太陽(yáng)能熱發(fā)電在中國(guó)發(fā)展前景十分樂(lè)觀的觀點(diǎn)。而太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)在中國(guó)的前景最終如何，可能需要等到商業(yè)示范電站建成并運(yùn)行3-5年才見(jiàn)分曉。

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