“追光”的鏡子如何發電

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導語：海子的《今夜我在德令哈》膾炙人口，同樣在“金色世界”德令哈，坐落著科幻場景般的發電基地。近年來，光伏這一最為成熟的太陽能發電方式受到了大量的輿論關注。然而光伏并不是太陽能唯一的利用方式，它還有一個叫做“光熱發電”的兄弟。隨著大規模的建設逐漸鋪開，我國在光熱發電領域也將迎來長足的發展。

德令哈光熱電站

一、我國光熱發電正在全力追趕

目前，我國“太陽能熱發電”還屬于初級起步階段，為進行技術探索與發展，正全力追趕西班牙、美國等先發國家。迄今為止，首批示范項目中包括塔式7 座、槽式1 個、線性菲涅式1 個，共計 550 MW。

我國的七大光熱發電基地

據電力規劃設計總院副院長孫銳介紹，目前我國光熱產業設備國產化率已超90%，主要產品產能正快速提升。通過相關院所和企業的自主研發，我國的大規模塔式光熱發電技術已經成熟，所采用的國產化聚光集熱系統、儲換熱系統、相關算法等核心科技也是可靠的。

依靠過去的技術積累，在產業鏈可控的前提下，我國正掀起一股建造100兆瓦級別光熱電站的浪潮，該級別的光熱電站是目前全球主流。根據相關統計，近年來我國公布了48個光熱電站規劃項目，總裝機量達到5.94GW，對比國外的項目約6.81GW，未來新增裝機量約占全球的一半份額。

我國光照資源主要分布于青藏高原

我國光照條件最好的地區在青藏高原，例如柴達木盆地不但是資源“寶盆”，還有成為太陽能發電基地的潛力：年均降雨日不超過十天，年均日照時間為3500小時以上，一年四季均可穩定地發電。與其白白浪費戈壁灘的荒地，不如將照射陽光利用起來。可以預見，西部越來越多的光熱電站將成為“西電東輸”戰略的重要組成部分。

二、光熱與光伏有什么區別？

光熱發電，全名聚光太陽能熱發電。光熱依靠大量鏡面聚集太陽直射光加熱導熱介質，再經過熱交換產生高溫蒸氣，推動汽輪機發電，“燒開水”的環節與火力發電無異，因此光熱電站被戲稱為“遠看光電站，近看火電廠”。

光熱發電比常規的光伏發電在并網方面更具優勢，光熱發電的轉換效率要遠遠高于光伏發電。

與其他風電、光伏等清潔能源相比，光熱電站通過白天將多余熱量儲存，晚間再用儲存的熱量釋放發電可以實現連續供電，保證電流穩定，避免新能源難以解決的入網調峰問題。

相對而言，光伏產生的垃圾電（即不穩定輸入電網的電力）較多，對電網終端而言難于消納，反而會造成問題。歐洲最近一度產生的負電價正是由于荷蘭海上風力發電產生的垃圾電過多導致的。

光熱與光伏發電原理對比圖

光伏與光熱發電體現的是“小分散”、“大集中”兩種思路。光伏的單位成本與規模基本不相關。而光熱這項技術天然就需要規模效應，邊際成本較低，僅需增加和替換較便宜的鏡面即可。隨著鏡面單元的增加，其發電效率越高、成本越低。

三、萬片定日鏡形成科幻場景
通過發電原理分類，光熱電站主要分為塔式、槽式、碟式和菲涅爾式四種，全球范圍內較大規模的光熱電站以塔式為主，原因是其鏡面單元的維護相對簡單。

光熱發電主要分為四種結構

從空中俯瞰，上萬個定日鏡單元近乎形成一個以中央塔為圓心、直徑約兩公里的圓形，反射的光線在空中隱約構成一道等腰三角形的光幕，亮度隨著高度不斷增加，最終匯聚于中央塔頂的集熱器。

用于反射太陽光的單片鏡片面積為20平方米，鏡面反射率約為94%，并由無人駕駛清洗車定期清理，每一個定日鏡單位由回轉減速器和推桿控制偏轉方向。

以德令哈光熱電站為例，光熱電站由2.7萬個這樣的反射單位構成。考慮到對陽光和土地的利用率，定日鏡的布置盡量緊湊，整個定日鏡場地的直徑略小于兩公里。未來若有需求，仍能夠通過增加鏡片數量拓展發電功率。

同時為了確保最佳的光線集束效果，控制室根據自校準算法自動控制每一臺鏡面隨日光轉向。每數秒更新一次角度，使得上萬臺鏡面均以最佳角度照向吸熱器。

四、光熱轉化依靠吸熱器

在塔式光熱電站中，吸熱器將上萬束太陽能聚光轉化為可儲存的高溫熱能，是整個系統的關鍵部件之一。

吸熱器的性能直接決定了工作介質的工作溫度，進而影響到發電效率，因此吸熱器是光熱發電的核心科技。

塔式光熱電站使用的主要是外露管式吸熱器，其結構簡單，可接收360度范圍內的太陽輻射，有利于鏡場大規模布置，是目前應用最廣泛的吸熱器形式。

外露管式吸熱器

太陽能聚焦處的最高溫度可達到1000攝氏度以上，在吸熱器內部，熔鹽流體通過可耐超高溫的管道外壁，吸收不斷反射的高強度聚光，同時需要根據熱量控制熔鹽流體的流速。通過吸熱器，熔鹽能從290攝氏度被加熱到570攝氏度以上。在這個過程中，吸熱器起到了為整套系統輸入熱能的作用。

外露管式吸熱器雖然更匹配大型光熱電站的建設，但也存在不足之處，尤其是在開放環境中反射、輻射及對流散熱造成的能量損失較大，熱效率相對較低。我國科學家正通過不斷提升材料性能嘗試解決該問題。

五、熔鹽儲能發電技術世界領先

熔鹽具有工作溫度高且范圍廣、傳熱能力強、成本較低、化學性質穩定等優點，目前已成為光熱電站儲能發電的“血液”，就連最先進的第四代核反應熔鹽堆也將熔鹽作為工作介質。

光熱電站的儲熱系統約有一萬噸吸熱熔鹽，工作介質經過吸熱器后沿著管道流動進入儲熱罐。通過這個過程，整套系統以吸熱器為能量來源，在白天不斷地循環往復儲備熱量。

儲備上萬噸熔鹽的儲熱罐

儲熱罐的作用不但是收集熱量，更能將能量收集與發電環節分離，做到發電節奏可控。罐中上萬噸的熔鹽可以持續對蒸汽發生器放熱，其作用相當于火力發電的鍋爐，利用熱交換產生500攝氏度左右的蒸汽，全天候地依靠“燒開水” 發電。

發電系統依賴熔鹽熱能

一旦熔鹽用于產生蒸汽發電后，被帶走熱量的熔鹽經管道回冷儲罐，最終會在白天被吸熱器再次加熱進入儲熱罐，永久循環往復。整套系統構成光-熱-電的能量轉化循環，它的原理與空調類似，即通過工作介質的流動將外界輸入能量轉化為其他形式。

作為電網的基礎負荷，儲熱罐中的熔鹽能夠在外界停止輸入熱能的前提下保證持續發電超過48小時，基本能應對所有天氣狀況。在極端情況下，也可通過西部地區同樣豐富的天然氣補燃方式來保障電力供給。

六、光熱發電也有瓶頸

根據國家能源局的規劃，我國光熱發電有潛力達到600GW 的規模，目前僅完成了千分之一，是絕對的藍海市場。然而，當前我國的光熱發電技術距離完全的市場化還存在著一定的門檻和障礙。目前的問題是光熱發電的成本還很高，需要全行業一起通過做大規模降低成本。

通過企業調研，當前新建光熱發電度電成本約0.9元/千瓦時~1.0元/千瓦時，仍遠高于陸上風電和光伏發電。聚光、吸熱、儲換熱系統占據初始投資的主要部分，約占整個電站成本的77％左右，是決定光熱發電站造價高低最重要的因素。聚光鏡、集熱管、追蹤器、熔鹽等關鍵設備和材料的生產成本居高不下。

光熱能否和光伏競爭？

其次，是光熱發電的部分設備尚依賴進口。如熔鹽泵、熔鹽閥、熔鹽流量計、旋轉接頭等產品，在光熱電站中需求量有限，成本中占比低，但其工況環境嚴苛，技術參數要求高，國內產品質量相對國外不高，還以進口為主，國內廠商解決這些問題需要一定時間。

此外，通過使用溫度更高、成本更低的吸熱和儲熱介質，采用超臨界二氧化碳透平技術等實現更高效率的發電技術方面，仍還有較長的路要走。

結語：

作為一項新興技術，光熱發電可儲可調、能保證穩定的電能輸出，在進一步降本增效后，將與風電、光伏形成優勢互補，一同服務于我國的“西電東輸”整體戰略。此外，我國的光熱稟賦在全球并不在頂尖之列，優秀的太陽能技術將隨著我國“一帶一路”戰略一同走向世界的“陽光地帶”。

參考文獻：

[1] 人民日報. 德令哈光熱發電產業推動進入光熱能源時代

[2] 中國工程熱物理學會. 同樣是太陽能發電，為什么光熱發電一直“默默無聞”？

[3] 青海日報. 我國首個太陽能光熱示范電站在德令哈正式投運

[4] 中央電視臺. 新疆哈密伊吾縣“超級鏡子發電站”

[5] 經濟日報. 光熱發電迎來規模化良機