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)轉化為熱能，然后再轉化為電能的技術。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，并將太陽能轉換為熱能，簡而言之就是利用太陽把集熱工質(zhì)(編者注：工質(zhì)即實現(xiàn)熱能和機械能相互轉化的媒介物質(zhì))“烤熱”。熱傳輸系統(tǒng)，是通過泵等設備將工質(zhì)輸送給蓄熱系統(tǒng)或熱交換系統(tǒng)，傳輸過程就是一個字：“快”，以免工質(zhì)“涼”下來。蓄熱和熱交換系統(tǒng)，相當于一個“大電池”和一座“燒火爐”。

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

所以，太陽能光熱發(fā)電經(jīng)歷了四步能量轉換過程：光能——熱能(存起來或者發(fā)電)——機械能(汽輪機轉動)——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)電是以低沸點有機物為工質(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(下方左側圖中發(fā)光的部分)，并轉換成熱能傳給工質(zhì)。

槽式系統(tǒng)的聚光鏡為槽型拋物面，一般成串使用，細長型的管狀集熱器被固定在聚光鏡的焦點線上，工質(zhì)在集熱管內(nèi)被加熱。目前，國際上已投運或在建的光熱發(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)動發(fā)電機做功發(fā)電的一種發(fā)電方式，是目前發(fā)電效率最高的，可達30%。

(塔式、槽式、碟式光熱發(fā)電)

(二)塔式、槽式、碟式，三種技術路線大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裝置)，將陽光聚集到一個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，可實現(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)因為聚光鏡為槽式拋物面，所以太陽光會聚焦在一條直線上，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。

其關鍵技術在于聚光鏡的生產(chǎn)制造，以及兩個方面的控制，一個是自動跟蹤控制，使得槽式聚光器時刻對準太陽，以保證最大限度的吸收太陽能，據(jù)統(tǒng)計跟蹤比非跟蹤所獲得的能量要高出37.7%。另外一個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)為點聚焦，于焦點處的太陽能接收器收集高溫熱能，加熱工質(zhì)，驅(qū)動發(fā)電機組，或在焦點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、效率高、靈活性強等特點，可以獨立運行，非常適合作為邊遠地區(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)

綜合對比三種技術路線，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過大且降低造價很難，缺乏大規(guī)模發(fā)電裝置運行的實際經(jīng)驗;

槽式系統(tǒng)結構相對簡單、技術較為成熟，商業(yè)化運營經(jīng)驗豐富，仍是當前光熱發(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，結構緊湊、安裝方便，非常適合分布式小規(guī)模能源系統(tǒng)，但斯特林熱機關鍵技術難度大，目前仍處于試驗示范階段。

三種技術路線比較(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”，就是當太陽光照射到太陽能電池上時，電池吸收光能，在電池的兩端出現(xiàn)異號電荷積累，即產(chǎn)生電壓，引出電極并接上負載，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)電過程簡單，直接從光能轉變成電能，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)結構簡單，便于搭建，維護成本低。

當然，光伏發(fā)電的劣勢也很明顯：

(1)陰天、晚上沒有功率輸出;

(2)因為沒有中間環(huán)節(jié)導致電能儲存成本高，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，光伏轉換效率不足20%。

再來看光熱發(fā)電，它最大的優(yōu)勢就是有中間環(huán)節(jié)，因為有熱能作為中間能源，就具有了三大優(yōu)勢：

(1)能源存儲成本大大降低，熱能存儲技術成熟度遠高于電能存儲;

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

(3)因為可以平滑輸出，就具備了作為電網(wǎng)旋轉備用和消峰填谷出力的可能，可相當于“快速火電機組+抽水蓄能機組”。

但是劣勢也很明顯：

(1)地域性是硬傷，光熱發(fā)電對工作溫度要求高，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，需要大面積的光學反射裝置和昂貴的接收裝置將太陽能直接轉換為熱能，這一過程的投資成本占整個電站投資的一半左右，這是導致光熱發(fā)電成本居高不下的最大原因;

(3)技術上仍舊不成熟，這點看商業(yè)化程度就可以知道了。

(四)光熱發(fā)電雖好，但投入實際使用仍任重道遠

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

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

這其中，西班牙在運光熱電站總裝機容量為2300MW，占全球總裝機容量近一半，位居世界第一，美國總裝機量為1777MW，位列世界第二，兩者合計約占全球光熱裝機的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，中國是世界上第8個掌握大規(guī)模光熱技術的國家。

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

光熱發(fā)電盡管原理簡單，其能量轉換環(huán)節(jié)卻比光伏發(fā)電復雜很多，涉及光學、熱學、電學、材料學、熱能工程等多個學科的交叉融合，對于不同技術路線，效率提升的障礙和路徑也有所不同，可以說推廣應用仍是任重道遠。

但是我們應該看到其發(fā)展的巨大前景：

1、與光伏電站、火電廠聯(lián)合發(fā)電，形成互補效應。在同一個發(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，這兩大技術的結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)，解決偏遠山區(qū)供電問題，碟式系統(tǒng)最適合，但由于其發(fā)電技術還不成熟，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)進軍光熱發(fā)電市場，整體產(chǎn)業(yè)鏈已初步形成：五大電力公司先后跟進太陽能光熱發(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，如大型塔式電站用定日鏡的能力和產(chǎn)能，兆瓦級太陽能塔式熱發(fā)電站已經(jīng)試運行;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。

結語

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)中進行存儲，在陰天和晚上釋放出來，以實現(xiàn)連續(xù)發(fā)電，一年將有超過5000小時的滿發(fā)運行時間，可以在電網(wǎng)中作為一個基礎電源來承擔調(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，提高關鍵部件的性能、解決相關技術難題、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。