說起太陽能發(fā)電，想必大家已然不陌生，小到路邊裝有太陽能電池板的路燈，大到大型的太陽能發(fā)電站，都有太陽能發(fā)電的身影。只不過，這些太陽能發(fā)電項(xiàng)目多數(shù)是光伏發(fā)電，除了太陽能光伏外，還有一種利用太陽能轉(zhuǎn)化為電能的方式——太陽能光熱發(fā)電。

(一)什么是太陽能光熱發(fā)電?

太陽能光熱發(fā)電，是將比較集中的太陽光能通過傳遞介質(zhì)轉(zhuǎn)化為熱能，然后再轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)。一般光熱發(fā)電系統(tǒng)可以分成四部分：集熱系統(tǒng)、熱傳輸系統(tǒng)、蓄熱與熱交換系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)。

集熱系統(tǒng)，顧名思義就是聚集太陽能，并將太陽能轉(zhuǎn)換為熱能，簡(jiǎn)而言之就是利用太陽把集熱工質(zhì)(編者注：工質(zhì)即實(shí)現(xiàn)熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的媒介物質(zhì))“烤熱”。熱傳輸系統(tǒng)，是通過泵等設(shè)備將工質(zhì)輸送給蓄熱系統(tǒng)或熱交換系統(tǒng)，傳輸過程就是一個(gè)字：“快”，以免工質(zhì)“涼”下來。蓄熱和熱交換系統(tǒng)，相當(dāng)于一個(gè)“大電池”和一座“燒火爐”。

蓄熱系統(tǒng)將送來的熱量存儲(chǔ)下來，熱交換系統(tǒng)將工質(zhì)(一般是水)“燒開”成蒸汽，來推動(dòng)汽輪機(jī)旋轉(zhuǎn)。發(fā)電系統(tǒng)則類似常規(guī)火力發(fā)電系統(tǒng)，蒸汽驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)，再帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。

所以，太陽能光熱發(fā)電經(jīng)歷了四步能量轉(zhuǎn)換過程：光能——熱能(存起來或者發(fā)電)——機(jī)械能(汽輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng))——電能。

(光熱發(fā)電四大系統(tǒng))

光熱發(fā)電按所加熱介質(zhì)的溫度高低分為高溫發(fā)電和低溫發(fā)電。高溫太陽能光熱發(fā)電都是采用以水蒸氣為介質(zhì)的朗肯循環(huán)。而低溫太陽能發(fā)電是以低沸點(diǎn)有機(jī)物為工質(zhì)的朗肯循環(huán)。

(朗肯循環(huán))

目前國際上光熱發(fā)電的主流形式為高溫光熱發(fā)電，又可以根據(jù)集熱形式不同分為塔式、槽式、碟式等種類。

塔式系統(tǒng)利用多臺(tái)平面反射鏡(稱為定光鏡)，將太陽光反射到中心高塔頂部的接收器上(下方左側(cè)圖中發(fā)光的部分)，并轉(zhuǎn)換成熱能傳給工質(zhì)。

槽式系統(tǒng)的聚光鏡為槽型拋物面，一般成串使用，細(xì)長(zhǎng)型的管狀集熱器被固定在聚光鏡的焦點(diǎn)線上，工質(zhì)在集熱管內(nèi)被加熱。目前，國際上已投運(yùn)或在建的光熱發(fā)電站中，槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)較多。

碟式光熱發(fā)電是利用旋轉(zhuǎn)拋物面聚光鏡將太陽光聚集在集熱器上，集熱器內(nèi)的工質(zhì)被加熱從而驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)做功發(fā)電的一種發(fā)電方式，是目前發(fā)電效率最高的，可達(dá)30%。

(塔式、槽式、碟式光熱發(fā)電)

(二)塔式、槽式、碟式，三種技術(shù)路線大PK

上文提到了光熱發(fā)電的三大主流形式——塔式、槽式、碟式系統(tǒng)。下面我們來一探究竟。

1、塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)

塔式系統(tǒng)的聚光鏡一般是定日鏡群(編者注：定日鏡即將太陽或其他天體的光線反射到固定方向的光學(xué)裝置)，將陽光聚集到一個(gè)固定在接收塔頂部的接收器上，接收器上的吸熱器吸收由定日鏡系統(tǒng)反射來的高熱流密度輻射能。

目前，國內(nèi)外采用的定日鏡大多是鏡表面具有微小弧度的平凹面鏡。和其他兩種不同的是，塔式系統(tǒng)可通過熔鹽儲(chǔ)熱，具有聚光比高、工作溫度高、熱傳遞路程短、熱損耗少、系統(tǒng)綜合效率高等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)高精度、大容量、連續(xù)發(fā)電，適合大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電。

2、槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)

槽式系統(tǒng)因?yàn)榫酃忡R為槽式拋物面，所以太陽光會(huì)聚焦在一條直線上，即焦線。在這條焦線上安裝管狀太陽能集熱器，用來吸收聚焦后的太陽輻射能。

其關(guān)鍵技術(shù)在于聚光鏡的生產(chǎn)制造，以及兩個(gè)方面的控制，一個(gè)是自動(dòng)跟蹤控制，使得槽式聚光器時(shí)刻對(duì)準(zhǔn)太陽，以保證最大限度的吸收太陽能，據(jù)統(tǒng)計(jì)跟蹤比非跟蹤所獲得的能量要高出37.7%。另外一個(gè)是傳熱液體回路的溫度與壓力控制。

槽式系統(tǒng)聚光后溫度可達(dá)到400°C左右。

(槽式系統(tǒng)原理圖)

3、碟式光熱發(fā)電系統(tǒng)

碟式系統(tǒng)為點(diǎn)聚焦，于焦點(diǎn)處的太陽能接收器收集高溫?zé)崮?，加熱工質(zhì)，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)組，或在焦點(diǎn)處直接放置太陽能斯特林發(fā)電裝置。這種系統(tǒng)具有壽命長(zhǎng)、效率高、靈活性強(qiáng)等特點(diǎn)，可以獨(dú)立運(yùn)行，非常適合作為邊遠(yuǎn)地區(qū)的小型電源使用。

一般碟式太陽能熱發(fā)電功率為10.25kW，聚光鏡直徑為5.10米。

(小型碟式光熱發(fā)電裝置)

綜合對(duì)比三種技術(shù)路線，塔式在大規(guī)模發(fā)電中最具有發(fā)展?jié)摿Γ乔捌趩挝煌顿Y過大且降低造價(jià)很難，缺乏大規(guī)模發(fā)電裝置運(yùn)行的實(shí)際經(jīng)驗(yàn);

槽式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、技術(shù)較為成熟，商業(yè)化運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)豐富，仍是當(dāng)前光熱發(fā)電的主流路線，但其聚光比小、系統(tǒng)工作溫度低、核心部件真空管技術(shù)尚未成熟、吸熱管表面選擇性涂層性能不穩(wěn)定等問題仍舊存在;

碟式的熱效率最高，結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便，非常適合分布式小規(guī)模能源系統(tǒng)，但斯特林熱機(jī)關(guān)鍵技術(shù)難度大，目前仍處于試驗(yàn)示范階段。

三種技術(shù)路線比較(2013年)

(三)都是利用太陽能，光伏發(fā)電和光熱發(fā)電有啥不一樣?

光伏發(fā)電的原理稱為“光生伏特”，就是當(dāng)太陽光照射到太陽能電池上時(shí)，電池吸收光能，在電池的兩端出現(xiàn)異號(hào)電荷積累，即產(chǎn)生電壓，引出電極并接上負(fù)載，就產(chǎn)生電流。

(光伏電池發(fā)電原理與光伏電站系統(tǒng)圖)

所以，除了來源都是太陽，光伏發(fā)電和光熱發(fā)電完全是兩碼事。但是它倆經(jīng)常被放在一起比較，看看誰更厲害。我們今天也來比一比，首先看光伏發(fā)電，主要優(yōu)勢(shì)有：

(1)基本不受地域影響，理論上只要太陽能照到就能裝;

(2)不消耗化石能源，無污染，零噪聲;

(3)發(fā)電過程簡(jiǎn)單，直接從光能轉(zhuǎn)變成電能，沒有中間環(huán)節(jié);

(4)占用土地少，如果裝在房頂上，占地基本為零;

(5)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于搭建，維護(hù)成本低。

當(dāng)然，光伏發(fā)電的劣勢(shì)也很明顯：

(1)陰天、晚上沒有功率輸出;

(2)因?yàn)闆]有中間環(huán)節(jié)導(dǎo)致電能儲(chǔ)存成本高，限制了接入電網(wǎng)的規(guī)模;

(3)目前和火電相比效率還是比較低，光伏轉(zhuǎn)換效率不足20%。

再來看光熱發(fā)電，它最大的優(yōu)勢(shì)就是有中間環(huán)節(jié)，因?yàn)橛袩崮茏鳛橹虚g能源，就具有了三大優(yōu)勢(shì)：

(1)能源存儲(chǔ)成本大大降低，熱能存儲(chǔ)技術(shù)成熟度遠(yuǎn)高于電能存儲(chǔ);

(2)隨之帶來的發(fā)電可調(diào)度性很高，這一點(diǎn)就很類似火電站了，可以隨時(shí)根據(jù)負(fù)荷調(diào)整發(fā)電量，平滑地輸出功率;

(3)因?yàn)榭梢云交敵?，就具備了作為電網(wǎng)旋轉(zhuǎn)備用和消峰填谷出力的可能，可相當(dāng)于“快速火電機(jī)組+抽水蓄能機(jī)組”。

但是劣勢(shì)也很明顯：

(1)地域性是硬傷，光熱發(fā)電對(duì)工作溫度要求高，需要直射光照，所以一般都建在沙漠里;

(2)成本高昂，光熱發(fā)電的成本是常規(guī)能源發(fā)電成本的一倍以上，電站投資成本是光伏的4倍，太陽能流留密度低，需要大面積的光學(xué)反射裝置和昂貴的接收裝置將太陽能直接轉(zhuǎn)換為熱能，這一過程的投資成本占整個(gè)電站投資的一半左右，這是導(dǎo)致光熱發(fā)電成本居高不下的最大原因;

(3)技術(shù)上仍舊不成熟，這點(diǎn)看商業(yè)化程度就可以知道了。

(四)光熱發(fā)電雖好，但投入實(shí)際使用仍任重道遠(yuǎn)

光熱發(fā)電技術(shù)自上世紀(jì)50年代誕生至今，經(jīng)歷了多個(gè)發(fā)展階段，截至2015年12月底，全球已建成投運(yùn)的光熱電站接近5GW。

(2006-2015年，全球太陽能熱發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量，數(shù)據(jù)來源：IRENA)

這其中，西班牙在運(yùn)光熱電站總裝機(jī)容量為2300MW，占全球總裝機(jī)容量近一半，位居世界第一，美國總裝機(jī)量為1777MW，位列世界第二，兩者合計(jì)約占全球光熱裝機(jī)的88%。

除這兩大光熱大國外，印度、南非、阿聯(lián)酋、阿爾及利亞、摩洛哥等國也在大力發(fā)展光熱太陽能技術(shù)，中國是世界上第8個(gè)掌握大規(guī)模光熱技術(shù)的國家。

(截至2015年12月，各國在運(yùn)太陽能光熱發(fā)電站裝機(jī)容量，數(shù)據(jù)來源：IRENA)

光熱發(fā)電盡管原理簡(jiǎn)單，其能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)卻比光伏發(fā)電復(fù)雜很多，涉及光學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)、材料學(xué)、熱能工程等多個(gè)學(xué)科的交叉融合，對(duì)于不同技術(shù)路線，效率提升的障礙和路徑也有所不同，可以說推廣應(yīng)用仍是任重道遠(yuǎn)。

但是我們應(yīng)該看到其發(fā)展的巨大前景：

1、與光伏電站、火電廠聯(lián)合發(fā)電，形成互補(bǔ)效應(yīng)。在同一個(gè)發(fā)電區(qū)域內(nèi)平衡光熱和光伏之間的電力生產(chǎn)和輸送，可消除光伏的間歇性問題，這兩大技術(shù)的結(jié)合從總體上可有效降低整體系統(tǒng)的發(fā)電成本。

2、建立分布式發(fā)電系統(tǒng)，解決偏遠(yuǎn)山區(qū)供電問題，碟式系統(tǒng)最適合，但由于其發(fā)電技術(shù)還不成熟，目前多采用槽式發(fā)電系統(tǒng)。

有專業(yè)人士指出，國內(nèi)企業(yè)進(jìn)軍光熱發(fā)電市場(chǎng)，整體產(chǎn)業(yè)鏈已初步形成：五大電力公司先后跟進(jìn)太陽能光熱發(fā)電。國內(nèi)企業(yè)在光熱產(chǎn)業(yè)鏈上下游元件生產(chǎn)方面高速成長(zhǎng)，如大型塔式電站用定日鏡的能力和產(chǎn)能，兆瓦級(jí)太陽能塔式熱發(fā)電站已經(jīng)試運(yùn)行;槽式太陽能熱發(fā)電方面，已有300°C真空管，目前正在向450°C真空管邁進(jìn)。

結(jié)語

與光伏發(fā)電相比，光熱發(fā)電能夠?qū)⑻柕臒崃勘４嬖诠べ|(zhì)中進(jìn)行存儲(chǔ)，在陰天和晚上釋放出來，以實(shí)現(xiàn)連續(xù)發(fā)電，一年將有超過5000小時(shí)的滿發(fā)運(yùn)行時(shí)間，可以在電網(wǎng)中作為一個(gè)基礎(chǔ)電源來承擔(dān)調(diào)節(jié)作用，可以說光熱發(fā)電的前景比光伏發(fā)電更好。

不過，前路漫漫，提高關(guān)鍵部件的性能、解決相關(guān)技術(shù)難題、降低商業(yè)成本，以及國家政策施行與法律法規(guī)的完善都是不容回避的問題。