中國太陽能和風(fēng)能資源豐富地區(qū)遠離用電負(fù)荷中心、風(fēng)電和光伏過快增長以及其電能品質(zhì)自身具有波動性的問題，使得各地棄風(fēng)、棄光問題日益突出。于是，曾經(jīng)由于成本過高而被市場唾棄的太陽能熱發(fā)電，如今再次成為市場熱點。那么，在與激烈的可再生能源競爭中，太陽能光熱發(fā)電乃英雄爾?

太陽能熱發(fā)電基本原理

我們絕大多數(shù)人都有過這樣的經(jīng)歷，在太陽光低下利用凸透鏡聚焦點燃木材、紙張或者香煙，這其實就是太陽能高溫利用最簡單的例子。對太陽能進行大規(guī)模的聚焦，即可收集起來產(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)動機械做功，即可實現(xiàn)發(fā)電。這就是太陽能熱發(fā)電的基本原理。

我們知道，熱機是指各種利用內(nèi)能做功的機械，按照不同的分類方式有內(nèi)燃機和外燃機，蒸汽輪機、燃氣輪機和斯特林機等。就太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)來說，根據(jù)聚光系統(tǒng)所采用的聚焦方式，分為線聚焦和點聚焦兩種。線聚焦又分為槽式和菲涅耳式兩種，點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，利用聚光太陽能把工質(zhì)加熱到高溫，理論上可以實現(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)是太陽能熱發(fā)電站的主要特點，因而人們通常稱為槽式、菲涅耳式、塔式和碟式太陽能熱發(fā)電4種方式。

從能量轉(zhuǎn)換的角度來看，太陽能熱發(fā)電站主要包括光熱轉(zhuǎn)換和熱功轉(zhuǎn)換兩個過程。光熱轉(zhuǎn)換通過聚光系統(tǒng)和吸熱系統(tǒng)實現(xiàn)，熱功轉(zhuǎn)換通過熱機實現(xiàn)。相比其它發(fā)電站形式，太陽能熱發(fā)電站的主要特點有：

1、只利用太陽能輻射的直射輻射部分。根據(jù)不同的氣候環(huán)境，太陽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，大至萬平方米量級。太陽能熱發(fā)電站目前只能大規(guī)模利用(碟式斯特林太陽能發(fā)電以百平方米量級的聚光器為模塊)，聚光系統(tǒng)占地面積通常以平方公里計。

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

4、儲熱和補燃。太陽能熱發(fā)電站可以廣泛利用儲熱和化石能源補燃的技術(shù)。儲熱會使電站增加10-15%的成本。

相比當(dāng)下如火如荼的光伏和風(fēng)電，太陽能熱發(fā)電最大的優(yōu)勢就是電力波動相對較小，這是由于太陽能熱發(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，物體自身的溫度變化具有滯后性)、可采用儲熱(利用大型儲熱罐和儲熱介質(zhì)把熱量存儲起來。這相當(dāng)于進一步增大了太陽能熱發(fā)電站的熱慣性)和補燃的原因。熱發(fā)電站系統(tǒng)自身的熱慣性能消除太陽輻照分鐘級的波動，而采用儲熱能消除十分鐘至幾小時級的波動。電力品質(zhì)相對平穩(wěn)是太陽能熱發(fā)電的最大優(yōu)勢。然而，優(yōu)勢是否會成為勝勢呢?先看下面分析。

太陽能熱發(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能熱發(fā)電站的成本構(gòu)成。

圖1 太陽能熱發(fā)電站的成本構(gòu)成

需要說明的是，太陽能熱發(fā)電站的成本與其規(guī)模、所采用技術(shù)途徑、儲熱時間及是否有補燃等因素有重要關(guān)系。但可以肯定的是，聚光系統(tǒng)占整個電站成本的40%左右。太陽能熱發(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。由于太陽能熱發(fā)電站熱源的間歇性，其對熱機的要求更高。因而，這部分設(shè)備成本的下降空間十分有限。綜上，太陽能熱發(fā)電站聚光場的成本幾乎完全決定太陽能熱發(fā)電的成本。那么，太陽能熱發(fā)電站聚光場的成本如何呢?請看下面分析。

當(dāng)前，太陽能熱發(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)國內(nèi)建設(shè)某塔式太陽能電站的相關(guān)經(jīng)驗，一臺鏡面面積為100平米的定日鏡成本約為20萬人民幣，相當(dāng)于2000元/平方米;槽式太陽能聚光器的成本也在1500元/平方米左右。此外，單臺定日鏡用鋼材超過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，再直接采用國際上當(dāng)前塔式電站年光電轉(zhuǎn)換效率約15%，按電費1元計算，那么1年的收益為：

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

這樣一來，僅僅定日鏡的投資回收期約7年。如果考慮到聚光場成本只占電站的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。

要特別說明的是，碟式斯特林太陽能發(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)。碟式斯特林太陽能發(fā)電效率在22-32%;聚光光伏在聚焦太陽光500倍左右時它的光電轉(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)換效率遠高于普通太陽能光伏、太陽能槽式和塔式發(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，下降無門。

目前，聚光鏡普遍采用玻璃鏡和鋼結(jié)構(gòu)和跟蹤太陽的形式。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(有運動部件)，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，對太陽能熱發(fā)電的成本下降空間沒有樂觀的理由。

此外，由于日夜變化和季節(jié)變化，太陽能熱發(fā)電站即使采用大規(guī)模儲熱也面臨頻繁起停的問題，這對整個系統(tǒng)——尤其是熱機的穩(wěn)定性、可靠性和壽命提出了更高要求，汽輪機將長期處于非設(shè)計點工作——這時熱電轉(zhuǎn)換效率比設(shè)計點低，而經(jīng)常起停對汽輪機的壽命是嚴(yán)峻考驗。這毫無疑問會增加太陽能熱發(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“天時地利人和”嗎?

太陽能熱發(fā)電，最根本的就是需要有好的太陽能資源，利用才有意義。但是，根據(jù)SolarGIS提供的中國太陽能資源分布(筆者曾對多個測量站的數(shù)據(jù)和SolarGIS數(shù)據(jù)做過比較，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西北地區(qū)。而我國西北地區(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，且同樣遠離用電負(fù)荷中心。

實際上，國內(nèi)已經(jīng)建成了多個示范項目(海南、蘭州、內(nèi)蒙、青海、三海關(guān)、延慶等)，有一些項目已經(jīng)拆除，國家投資的和民間投資的系統(tǒng)都有。經(jīng)過試驗，這些項目的“光——熱”轉(zhuǎn)換效率到底達到多少?年產(chǎn)生蒸汽時間能夠達到多少?有的項目還發(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)國內(nèi)公開發(fā)表文獻中的數(shù)據(jù)(webofknowledge數(shù)據(jù)庫中查詢的文獻)，國產(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%(有的項目更低)，而發(fā)電成本接近1.5元/度。

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

還有這些太陽能中高溫?zé)崂?/strong>