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对我国发展太阳能热发电的一点看法

http://cn.newmaker.com 7/21/2006 9:52:00 AM 佳工机电网

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国家发改委中国可再生能源规模化发展项目管理办公室王亦楠

太阳能热发电是大规模开发利用太阳能的一个重要技术途径。由于关键技术有待重大突破，目前国外塔式、槽式、碟式系统都还面临着投资大、成本高的问题。本文分析了塔式、槽式、碟式现行三种技术路线在我国推广应用的技术难点，提出了一个新型分立式太阳能热发电技术路线。这一新技术不仅具有完全自主知识产权，而且比国外现行的热发电技术更为经济高效。
太阳能热发电是光伏发电技术以外的另一有很大发展潜力的太阳能发电技术。它是将太阳能聚集起来产生高温热能，加热工作介质来驱动发电机发电。除了高温热能的产生来自太阳之外，其他组成部分与常规发电设备类似。因此，实现太阳能光热转换的聚光接收器能否做到高效率、低成本，是太阳能热发电能否实现商业化的关键。

斥巨资买进国外设备前景并不乐观

第一次石油危机之后，欧美一些发达国家开始关注具有更高能源利用效率的太阳能热发电技术，并相继建立起不同型式的示范装置。根据太阳能聚光跟踪理论和实现方法的不同，已经出现了塔式定日镜、槽式线聚焦和碟式点聚焦三种不同技术路线的太阳能热发电系统，目前只有槽式系统实现了商业化，塔式系统、碟式系统仍处于示范阶段。

近两年来，国内一些学者积极呼吁开展太阳能热发电示范，有些地方也在筹划巨资买进国外的塔式或槽式太阳能热发电系统设备，建设较大规模的MW级示范电站。对于这种热潮，笔者存在着担忧与置疑：

1、国外技术本身尚未成熟，产业化尚存在困难，还有待重大技术突破。经过四十年多年的探索，热发电技术产业化在国外也进展非常缓慢。即使是目前已经商业示范运行的槽式系统，尽管热发电成本已经做到低于光伏发电成本，但却并没有像光伏发电市场那样出现快速增长。太阳能热发电的产业化还有待关键技术的更大突破，比如提高太阳聚光接受器的效率、开发先进的热存储技术等等。

2、国外技术直接照搬过来，在我国特殊气候条件下是否适用值得研究。与塔式、碟式系统相比，槽式系统的抗风性能最差，目前的槽式电站多处于少风或无风地区，而我国阳光富足地区往往多风、大风甚至沙尘暴频起，直接照搬其适用性非常值得怀疑。如果在我国开展示范，必须增强槽式系统的抗风能力，因而成本必然要在国外已有示范基础上大大增加，并非像已经运行的那样乐观。

塔式太阳能热发电技术的产业化障碍

塔式太阳能热发电系统是在空旷平地上建立高大的塔，塔顶安装固定一个接收器（相当于锅炉），塔的周围安置大量的定日镜，将太阳光聚集并反射到塔顶的接收器上产生高温，接收器内生成的高温蒸汽推动汽轮机来发电。图1为美国Solar two塔式太阳能热发电站。

尽管塔式热发电系统起步较早，人们也一直希望通过尽可能多的定日镜，将太阳能量聚集到几十兆瓦的水平，但是塔式系统的造价一直居高不下，产业化困难重重，其根本原因在于定日镜系统的设计。目前典型的塔式热发电的定日镜有两个特点：一是定日镜的反射面几乎都采用普通的球面或平面；二是定日镜的跟踪都使用传统的方位角仰角公式。这两个设计特点导致塔式太阳能聚光接收器存在着以下难以克服的问题：

1、太阳在塔上聚焦的光斑在一天之内呈现大幅度变化，导致聚光光强大幅度波动。普通球面或平面反射镜无法克服由于太阳运动而产生的像差，由于太阳的盘面效应，各个反射镜在中央塔上形成的光斑大小随着它与中心塔的距离增加而线性增长，塔上最后形成的太阳聚焦光斑在一天之内可以随定日镜场的大小从几米变化到几十米之大，因此聚光光强出现大幅度波动，再加上各个定日镜的不同余弦效应，塔式系统的光热转换效率仅为60％左右。尽管目前在一些比较讲究的塔式系统的设计中，对不同的定日镜开始采用不同曲率半径的球面，以减小太阳在塔上光斑的尺寸，但光学设计复杂性大大增加导致制造成本也跟着大幅增长。

2、众多的定日镜围绕中心塔而建立，占地面积巨大。中央塔的建立必须要保证各个定日镜之间互相不能阻挡光线，各个定日镜之间的距离随着它们与中心塔距离的增加而大幅度增长，因而塔式热发电系统的占地面积随着功率等级的增加而呈指数性激增。

3、各个定日镜需要单独进行两维控制，控制系统极其复杂。在塔式系统中，各个定日镜相对于中心塔有着不同的朝向和距离，因此，每个定日镜的跟踪都要进行单独的两维控制，且各个定日镜的控制各不相同，这就极大地增加了控制系统的复杂性和安装调试特别是光学调整的难度。

4、为了减少众多定日镜的余弦效应，中心塔必须建得足够高才行。美国已经建成的Solar Two（10MW）塔式热发电的中心塔高达100多米。这样高的塔不仅不可避免地增加塔式系统的热发电成本，而且无法适应我国北部多风地区的工作环境。

由于上述这些问题，塔式热发电系统尽管可以实现1000度的聚焦高温，但一直面临着单位装机容量投资过大的问题（目前塔式系统的初投资成本为3.4～4.8万元/kW），而且造价降低非常困难，所以塔式系统五十多年来始终停留在示范阶段而没有推广开来。

槽式太阳能热发电技术的应用难点

槽式太阳能热发电系统是利用圆柱抛物面的槽式反射镜将太阳聚焦到管状的接收器上，并将管内传热工质加热。槽式系统商业化的典型代表是位于美国加州Mojave沙漠上的总装机容量为354MW的9座槽式太阳能热发电站，年发电总量为8亿kWh，从上世纪90年代初开始并网运行（见图2）。

目前塔式、槽式、碟式三种系统中，只有槽式实现了商业化。通过技术不断改进和电站规模不断扩大，美国加州Mojave沙漠的槽式热发电系统的初投资成本已经由1号电站（功率为14MW）的4490美元/kW降到了8号电站（功率为80MW）的2890美元/kW，发电成本由1号电站的44美分/kWh下降到9号电站的17美分/kWh（按照2004年美元计算），系统效率由1号电站的9.3％提高到9号电站的13.6％。

槽式系统以线聚焦代替了点聚焦，并且聚焦的管线随着圆柱抛物面反射镜一起跟踪太阳而运动，这样解决了塔式系统由于聚焦光斑不均匀而导致的光热转换效率不高的问题，将光热转换效率提高到70％左右。但是槽式系统也带来三个新的问题：

1、无法实现固定目标下的跟踪，导致系统机械笨重。由于太阳能接收器（中间的聚焦管线）固定在槽式反射镜上，随着反射镜一起运动，因而导致整个系统的机械装置比较笨重，而且热管的连接节必须是活动性的，这种结构保温较为困难也容易损坏。

2、槽式系统的抗风能力较差，不适宜工作在大风地区。图2电站中，每个槽式反射镜都是99米长、5.7米宽的一个大整体镜面，风阻很大，因此现有的槽式太阳能热发电系统一般应用于无风或微风的荒漠地区，与我国北方多风甚至大风的气候条件有很大差异，在我国应用必须要改变或加强反射镜的支撑结构以增加槽式系统的抗风性能，这样必然导致初投资成本和热发电成本在目前国外2890美元/kW和17美分/kWh的水平上大幅上扬。

3、槽式系统的接收器长，散热面积大。槽式系统的太阳能接收器是根很长的吸热管，尽管发展了许多新的吸光技术，其散热（包括由热辐射造成的散热）面积要比其有效的受光面积大，因此与点型聚光系统如碟式和塔式相比，槽式系统的热损耗较大。

碟式太阳能热发电技术的产业化障碍

碟式太阳能热发电系统是利用旋转抛物面的碟式反射镜将太阳聚焦到一个焦点。和槽式一样，碟式系统的太阳能接收器也不固定，随着碟形反射镜跟踪太阳的运动而运动，克服了塔式系统较大余弦效应的损失问题，光热转换效率大大提高。和槽式不同的是，碟式接收器将太阳聚焦于旋转抛物面的焦点上，而槽式接收器则将太阳聚焦于圆柱抛物面的焦线上。图3是碟式系统的代表性案例——美国SES公司的碟式－斯特林热机太阳能发电系统。

碟式热发电系统的优点是：（1）光热转换效率高达85%左右，在三类系统中位居首位；（2）使用灵活，既可以作分布式系统单独供电，也可以并网发电。碟式系统的缺点是：（1）造价昂贵，在三种系统中也是位居首位，目前碟式热发电系统的初投资成本高达4.7～6.4万元/kW；（2）尽管碟式系统的聚光比非常高，可以达到2000℃的高温，但是对于目前的热发电技术而言，如此高的温度并不需要甚至是具有破坏性的。所以，碟式系统的接收器一般并不放在焦点上，而是根据性能指标要求适当地放在较低的温度区内，这样高聚光度的优点实际上并不能得到充分的发挥；（3）热储存困难，热熔盐储热技术危险性大而且造价高。

由于与光伏发电系统相比，碟式热发电系统具有气动阻力低、发射质量小等优点，因此近年来研发主要集中于具有更小单位功率质量比的空间电源应用领域，今后的研究方向主要是提高系统的稳定性和降低系统发电成本两个方面。

更为经济高效且具自主知识产权的新型分立式太阳能热发电技术

前述可见，建立在传统聚光和跟踪理论基础之上的塔式、槽式、碟式系统均存在着难以克服的困难，因而导致单位装机投资大、热发电成本高、推广应用有困难。那么我国在发展太阳能热发电技术领域有没有突破口呢？笔者最近发现一个新的太阳聚光和跟踪理论的突破，为我国发展更为经济高效且具有自主知识产权的新型太阳能热发电技术提供了思路。

一、新的太阳聚光和跟踪理论有什么优点?

由于太阳能辐射到地球表面的能量密度比较低，因此，无论是对于太阳能光伏发电还是太阳能热发电，能否经济高效利用太阳能的关键在于太阳聚光和跟踪水平的优劣。上世纪80年代自适应光学在近代精密光学中取得很大成功，但由于控制系统极其复杂且价格高昂，在太阳能上应用一直是个难题。当时在英国剑桥大学和美国加州理工学院任高级研究员的陈应天博士提出了一种利用行与列的运动来代替点的二维运动的新的数学控制模式，这样由子镜组成的光学矩阵镜面的控制可以由几何级数大大减少为代数级数。陈应天用8年时间完成了这个新的行列控制理论的完整数学模型，并发展出了将其一般理论应用于太阳能的理论与公式。为了将其优点在太阳能聚光应用上充分发挥出来，他打破了传统的采用方位角-仰角的太阳跟踪方法，在世界上第一个提出了采用自旋-仰角的跟踪公式。这个新的太阳聚光跟踪理论，被国际著名太阳能专家——以色列特拉维夫大学的Kribus教授评论为“在一个多年几乎没有进展的定日镜领域中的第一个突破”。世界最权威的太阳能刊物《Solar Energy Engineering》围绕这一新的聚光跟踪理论从2001年起连续发表了他的八篇论文，在国际学界引起巨大反响。经国际太阳能权威机构进行严格地分析比较后证明，根据新的聚光跟踪理论推导出的新的聚光曲面和跟踪方法（国际上现称为“陈的曲面”和“陈的跟踪方法”），比传统的聚光跟踪方法更能有效的接受太阳能。建立在理论突破基础上的新型定日镜技术具有以下三大优点：

1、新的高次曲面比传统几何镜面（球面或抛物面等）的聚光倍数提高几倍甚至十几倍。即使在入射角变化的情况下，也能够有效地消除太阳光斑的象差，从而使聚光的倍数大大增加，并第一次实现了聚光与跟踪同时进行的设计模式。

2、用更简单、更可靠的方法实现目前国外难以做到的固定目标下的跟踪。跟踪太阳运动的部分只限于聚光镜，而聚光目标不必同聚光镜一同运动，因而整个系统的机械大大简化、重量大大减少，这是新型太阳能发电系统的成本能够大幅度下降的一个重要原因。

3、各种变型的设计可用于不同的工作环境和工作要求，操作系统大大简化。新的聚光跟踪理论可应用于地球上任何一点、任何位置、任何朝向的定日镜，因此可以使用单个集成线路代替复杂的计算机控制系统。

基础理论的突破往往带来重大的技术革新。新的聚光跟踪理论为太阳能的高效经济利用开辟了一条全新的途径。各种更廉价、更高效的太阳能聚光接收器正在被陆续开发出来，从几个太阳聚光的新型光伏发电系统（见图4）、几十个太阳聚光的新型太阳灶（见图5）、几百个太阳聚光的高集中度的光伏发电系统（见图6）、再到成千上万个太阳聚光的高温太阳炉（见图7），理论突破的巨大威力已经得到实践的成功检验。

二、新型分立式太阳能热发电技术有什么特点?

新的聚光跟踪理论应用于太阳能热发电技术，则为结合塔式和槽式的优点、消除两者的缺陷提供了实现手段。按照新的聚光跟踪理论而设计的新型分立式太阳能热发电系统的示意图（见图8），其中聚光反射镜采用特殊的高次曲面来取代传统的平面、球面、抛物面、双曲面，聚光反射镜的跟踪采用自旋-仰角的控制方法，新型分立式太阳能热发电技术具有塔式或槽式难以兼顾的3大优点：（1）聚焦光斑小而且均匀，光热转换效率可以达到80%（高于槽式），聚焦温度高达500～1000度如塔式；（2）被聚焦的目标可以固定不动如塔式，使得系统机械大大简化并且散热损失小；各反射镜的转动速率和方向完全一致如槽式，因此控制系统极为简单且安装调试非常方便；（3）反射镜可以做成3米×3米或5米×5米的单体，抗风性能大大增强。

建立在新的聚光跟踪理论基础上的这一新型分立式太阳能热发电技术路线已经得到国际学术界和工程界的高度评价。2004年在国外从事塔式、槽式技术的5位世界著名太阳能热发电技术专家，包括以色列特拉维夫大学（AVIV）流体力学和热传导系系主任Kribus博士、以色列Weizmann研究所环境科学和能源研究室主任J. Karni博士、德国空间研究中心（DLR）热力学技术研究所研究员R. Buck博士和A. Pfahl博士以及英国剑桥大学工程系教授T.P. Bligh博士联合陈应天博士在《Solar Energy Engineering》上发表了他们对这一新型定日镜技术的肯定，并通过大量的计算证明采用新的自旋-仰角跟踪方法会比传统的方位角-仰角跟踪方法的聚光效率提高10%-30%。

三、新型分立式太阳能热发电技术和塔式、槽式、碟式系统的技术经济性比较

塔式、槽式、碟式和新型分立式四种太阳能热发电系统的技术经济性能（包括工作温度、太阳聚光倍数、光热转换效率、热发电投资成本）对比见表1所示。

由表1可见，新型分立式太阳能热发电技术比塔式、槽式、碟式太阳能热发电技术具有更优的性价比。如果建设一个50MW规模的单独使用太阳能的热发电电站，采用新型分立式太阳能热发电技术的电站投资成本可以做到2.5万元/kW，这仅仅是国外目前塔式系统投资成本的52％、槽式系统的57％和碟式系统的39％；如果扩大到100MW的规模，新型分立式太阳能热发电技术的投资成本将可以进一步降至2万元/kW以下，热发电成本预期为0.5元/度。太阳能热发电技术的最关键设备——新型分立式太阳能聚光接收器，不仅使我国完全拥有自主知识产权，而且可以做到比国外现行的塔式、槽式、碟式太阳能接收器更为高效和经济。

目前，采用新型分立式太阳能热发电技术的小型试验电站正在设计研制之中，其反射镜的特殊高次曲面已在前面图5～图7中展示的新型太阳灶（60个太阳聚光）、高倍聚光光伏发电系统（300个太阳聚光）和新型太阳炉（1万个太阳聚光）三个应用上显示出了其高效率、低成本的威力。目前应用于太阳能热发电的技术关键是要保证这种特殊曲面在一次成型和大批量制造时的精度，以使高次曲面更加逼近。

诸多行业的发展事实已经证明，关键技术是买不来的，能买到的或能买来时已不是关键技术。鉴于技术本身的成熟度、在我国的适用性以及关键技术自主知识产权的缺失等问题，塔式系统、槽式系统是否值得巨资买进来、在我国开展大规模示范还需冷静而深入地仔细研究；建立在新的聚光跟踪理论突破基础之上的、更为经济高效且具有完全自主知识产权的新型分立式太阳能热发电技术，则为我国太阳能热发电产业实现真正自主创新和关键技术的跨越式发展提供了一个宝贵机遇。

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