說(shuō)起太陽(yáng)能發(fā)電，想必大家已然不陌生，小到路邊裝有太陽(yáng)能電池板的路燈，大到大型的太陽(yáng)能發(fā)電站，都有太陽(yáng)能發(fā)電的身影。只不過(guò)，這些太陽(yáng)能發(fā)電項目多數是光伏發(fā)電，除了太陽(yáng)能光伏外，還有一種利用太陽(yáng)能轉化為電能的方式——太陽(yáng)能光熱發(fā)電。
(一)什么是太陽(yáng)能光熱發(fā)電?
太陽(yáng)能光熱發(fā)電，是將比較集中的太陽(yáng)光能通過(guò)傳遞介質(zhì)轉化為熱能，然后再轉化為電能的技術(shù)。一般光熱發(fā)電系統可以分成四部分：集熱系統、熱傳輸系統、蓄熱與熱交換系統、發(fā)電系統。
集熱系統，顧名思義就是聚集太陽(yáng)能，并將太陽(yáng)能轉換為熱能，簡(jiǎn)而言之就是利用太陽(yáng)把集熱工質(zhì)(編者注：工質(zhì)即實(shí)現熱能和機械能相互轉化的媒介物質(zhì))“烤熱”。熱傳輸系統，是通過(guò)泵等設備將工質(zhì)輸送給蓄熱系統或熱交換系統，傳輸過(guò)程就是一個(gè)字：“快”，以免工質(zhì)“涼”下來(lái)。蓄熱和熱交換系統，相當于一個(gè)“大電池”和一座“燒火爐”。
蓄熱系統將送來(lái)的熱量存儲下來(lái)，熱交換系統將工質(zhì)(一般是水)“燒開(kāi)”成蒸汽，來(lái)推動(dòng)汽輪機旋轉。發(fā)電系統則類(lèi)似常規火力發(fā)電系統，蒸汽驅動(dòng)汽輪機，再帶動(dòng)發(fā)電機發(fā)電。
所以，太陽(yáng)能光熱發(fā)電經(jīng)歷了四步能量轉換過(guò)程：光能——熱能(存起來(lái)或者發(fā)電)——機械能(汽輪機轉動(dòng))——電能。
(光熱發(fā)電四大系統)
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(yáng)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(yáng)能發(fā)電是以低沸點(diǎn)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，又可以根據集熱形式不同分為塔式、槽式、碟式等種類(lèi)。
塔式系統利用多臺平面反射鏡(稱(chēng)為定光鏡)，將太陽(yáng)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)。
槽式系統的聚光鏡為槽型拋物面，一般成串使用，細長(cháng)型的管狀集熱器被固定在聚光鏡的焦點(diǎn)線(xiàn)上，工質(zhì)在集熱管內被加熱。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)電系統較多。
碟式光熱發(fā)電是利用旋轉拋物面聚光鏡將太陽(yáng)光聚集在集熱器上，集熱器內的工質(zhì)被加熱從而驅動(dòng)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(shù)路線(xiàn)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。下面我們來(lái)一探究竟。
1、塔式光熱發(fā)電系統
塔式系統的聚光鏡一般是定日鏡群(編者注：定日鏡即將太陽(yáng)或其他天體的光線(xiàn)反射到固定方向的光學(xué)裝置)，將陽(yáng)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反射來(lái)的高熱流密度輻射能。
目前，國內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，塔式系統可通過(guò)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、系統綜合效率高等特點(diǎn)，可實(shí)現高精度、大容量、連續發(fā)電，適合大規模并網(wǎng)發(fā)電。
2、槽式光熱發(fā)電系統
槽式系統因為聚光鏡為槽式拋物面，所以太陽(yáng)光會(huì )聚焦在一條直線(xiàn)上，即焦線(xiàn)。在這條焦線(xiàn)上安裝管狀太陽(yáng)能集熱器，用來(lái)吸收聚焦后的太陽(yáng)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)刻對準太陽(yáng)，以保證最大限度的吸收太陽(yáng)能，據統計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。
槽式系統聚光后溫度可達到400°C左右。
(槽式系統原理圖)
3、碟式光熱發(fā)電系統
碟式系統為點(diǎn)聚焦，于焦點(diǎn)處的太陽(yáng)能接收器收集高溫熱能，加熱工質(zhì)，驅動(dòng)發(fā)電機組，或在焦點(diǎn)處直接放置太陽(yáng)能斯特林發(fā)電裝置。這種系統具有壽命長(cháng)、效率高、靈活性強等特點(diǎn)，可以獨立運行，非常適合作為邊遠地區的小型電源使用。
一般碟式太陽(yáng)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(shù)路線(xiàn)，塔式在大規模發(fā)電中最具有發(fā)展潛力，但是前期單位投資過(guò)大且降低造價(jià)很難，缺乏大規模發(fā)電裝置運行的實(shí)際經(jīng)驗;
槽式系統結構相對簡(jiǎn)單、技術(shù)較為成熟，商業(yè)化運營(yíng)經(jīng)驗豐富，仍是當前光熱發(fā)電的主流路線(xiàn)，但其聚光比小、系統工作溫度低、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定等問(wèn)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模能源系統，但斯特林熱機關(guān)鍵技術(shù)難度大，目前仍處于試驗示范階段。
三種技術(shù)路線(xiàn)比較(2013年)
(三)都是利用太陽(yáng)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(chēng)為“光生伏特”，就是當太陽(yáng)光照射到太陽(yáng)能電池上時(shí)，電池吸收光能，在電池的兩端出現異號電荷積累，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圖)
所以，除了來(lái)源都是太陽(yáng)，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(shuí)更厲害。我們今天也來(lái)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(yáng)能照到就能裝;
(2)不消耗化石能源，無(wú)污染，零噪聲;
(3)發(fā)電過(guò)程簡(jiǎn)單，直接從光能轉變成電能，沒(méi)有中間環(huán)節;
(4)占用土地少，如果裝在房頂上，占地基本為零;
(5)結構簡(jiǎn)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(méi)有功率輸出;
(2)因為沒(méi)有中間環(huán)節導致電能儲存成本高，限制了接入電網(wǎng)的規模;
(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(lái)看光熱發(fā)電，它最大的優(yōu)勢就是有中間環(huán)節，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(shù)成熟度遠高于電能存儲;
(2)隨之帶來(lái)的發(fā)電可調度性很高，這一點(diǎn)就很類(lèi)似火電站了，可以隨時(shí)根據負荷調整發(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(yáng)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(yáng)能直接轉換為熱能，這一過(guò)程的投資成本占整個(gè)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(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
光熱發(fā)電技術(shù)自上世紀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，全球已建成投運的光熱電站接近5GW。
(2006-2015年，全球太陽(yáng)能熱發(fā)電累計裝機容量，數據來(lái)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(yáng)能技術(shù)，中國是世界上第8個(gè)掌握大規模光熱技術(shù)的國家。
(截至2015年12月，各國在運太陽(yáng)能光熱發(fā)電站裝機容量，數據來(lái)源：IRENA)
光熱發(fā)電盡管原理簡(jiǎn)單，其能量轉換環(huán)節卻比光伏發(fā)電復雜很多，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，對于不同技術(shù)路線(xiàn)，效率提升的障礙和路徑也有所不同，可以說(shuō)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(chǎng)聯(lián)合發(fā)電，形成互補效應。在同一個(gè)發(fā)電區域內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(wèn)題，這兩大技術(shù)的結合從總體上可有效降低整體系統的發(fā)電成本。
2、建立分布式發(fā)電系統，解決偏遠山區供電問(wèn)題，碟式系統最適合，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。
有專(zhuān)業(yè)人士指出，國內企業(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(yáng)能光熱發(fā)電。國內企業(yè)在光熱產(chǎn)業(yè)鏈上下游元件生產(chǎn)方面高速成長(cháng)，如大型塔式電站用定日鏡的能力和產(chǎn)能，兆瓦級太陽(yáng)能塔式熱發(fā)電站已經(jīng)試運行;槽式太陽(yáng)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)。
結語(yǔ)
與光伏發(fā)電相比，光熱發(fā)電能夠將太陽(yáng)的熱量保存在工質(zhì)中進(jìn)行存儲，在陰天和晚上釋放出來(lái)，以實(shí)現連續發(fā)電，一年將有超過(guò)5000小時(shí)的滿(mǎn)發(fā)運行時(shí)間，可以在電網(wǎng)中作為一個(gè)基礎電源來(lái)承擔調節作用，可以說(shuō)光熱發(fā)電的前景比光伏發(fā)電更好。
不過(guò)，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的完善都是不容回避的問(wèn)題。
