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下面将简要地介绍一下陈应天教授所开拓的能大幅度降低太阳能热发电成本，能和火力发电相竞争的新的技术路线。 一. 已在发展“理念”上弄清楚光伏发电技术和热发电技术孰优孰劣的辩证关系。 国内外均有不少人反对发展热发电。理由是：从技术发展的“潜力”来看，光伏发电比热发电有潜在的更高的光电转化率，热发电要由光能转为热能再转为电能。虽然当前光能转为热能的效率高达80%，热能转为电能的效率是30%，二者相乘是24%，高于市场已有充分供应的效率为22%的硅光电池。但从发展前景来看，光伏发电近期就可能有较大幅度的效率的提高，已有许多新技术充分展现出这一发展前景。德国将在撒哈拉大沙漠部署的槽式热发电技术，所要求的上网电价是0.20欧元/度电；陈应天教授所开拓的“4倍聚光+跟踪”的技术，已将可接受的上网电价，下降到1.09元/度电。两者相差一倍！ 但我国仍需大力发展热发电技术。 原因是：1）热发电技术不仅可用来发电，还能供热，如何用太阳能供热，取代工农业大量使用的煤供热，是节能减排技术待解决的大问题。2）太阳能热发电不仅可获清洁、有一定经济效益的电力，它还伴生大量低中温废热，能大幅度降低海水或盐湖淡化的成本，在有需要电热联供地区和某些工农业，这一技术将能发挥重大作用。3）太阳能发电的“间隙性”，是各种太阳能发电技术均存在的重大弱点，但热发电却有可能通过“储热”，大幅度缓解、甚而完全解决“间隙性”困难，而一旦完全解决了“间隙性”困难，太阳能热电站还能充当“调峰”电站。4）太阳能发电的重要发展方向之一，可利用“分光”技术，对适用于“光伏发电”波段，适用于“热发电”的波段，分别加以利用，这将大幅度提高发电效率。5）我国是发展中的大国，我国有复杂的地形、气候，……不同地区会有不同的需求。6)重要的是：现在世界上所竭力“推崇”的三种技术路线，“槽式”、“塔式”和“碟式”，均有严重弱点，均有大幅度改进的余地。 陈应天教授已提出克服这些重大弱点的一系列的技术理念和技术措施。这些理念的实现，将能将现有槽式发电成本，从人民币2.0元/度下降到0.8~1.0元/度电，随着这些理念和措施的产业化和规模化，也能将太阳能热发电成本下降到和火力发电相竞争的水平。 下面将简略地介绍陈应天教授等人所提出的太阳能热发电的新的理念和可能采取的措施。 二. 槽式发电的原理是：利用柱形抛物面反光镜将阳光聚焦在长达几公里~12公里的柱形吸热管上，最后转化为水蒸汽推动涡轮机组发电。 槽式电站的优点是结构简单，只需南北跟踪，东西不跟踪。缺点是，聚光比较低，余弦损失较大，可高达30%，热交换损失也较大，可高达10%~20%，吸热管的温度较低，系统的综合效率也较低。但是，这一系统的突出优点是：比较容易产业化，而且正在大规模实现产业化。 我国推进槽式发电技术，有一个特殊困难。在槽式发电技术中，将不得不用到能经受400~500度高温，长达几十米或100米的钢管和保温用的真空管。这一难题仅在以色列获得解决！世界各国均向以色列采购，供不应求。但以色列拒绝转让技术，也拒绝向中国供应。所以国内一些专家转而研究其它技术，如碟式或塔式发电技术。但“塔式”或“碟式”的结构特别复杂，技术要求也高，大规模产业化有很大困难。 三. 陈应天教授倡议用结构完全相同的，“陈式定日镜+小塔支撑的集热面”，来克服“槽式”电站所固有的困难。 陈式定日镜的照片 四. 陈式定日镜的特点是：不论太阳自晨至晚，从冬到夏，这一定日镜能自动地在时间、空间分布上较均匀地将太阳光反射到某一由“小塔”所支撑的某一“集热面”上。 这一新设计一方面继承和吸收了“塔式”、“碟式”热发电技术中的“点聚焦”集热技术，有比“槽式”热发电的“柱聚焦”，有较小的余弦损失，有更高的集热量、集热温度、更高的热电转化效率；但同时又保留了“槽式”热发电技术结构单纯，易于规模化、产业化等优点。因为只要将一座座“小塔”，重复连接成十几公里的“多塔”，就能构建功率达1兆瓦、10兆瓦，甚而100兆瓦的太阳能热电站。至于定日镜，就只需要“克隆”，实际上也就是在陈应天教授所发明的“太阳炉炼硅”技术里用到的定日镜，而且也正在走向产业化。全部结构所用部件均是当前中国技术条件下可以实现大规模产业化的技术。所以，它的单位功率的造价，就完全可能比现在德国使用的槽式电站发电成本至少下降30%~40%。 陈应天教授在这一试验中所获得的突出的成就是，已做到其定日镜的造价为1200元/m2，能抗12级大风，而且还有价格下降的空间！至于“小塔”，由于它的集热面较小，塔身较矮，抗风根本不成为问题。显然，这些技术为我国太阳能热发电技术的提前产业化，开阔了新途径。尤其是，这一技术完全是我国自己创新，自主研发，并拥有完全自主知识产权的新技术。 五. 为进一步降低太阳能热发电成本，陈应天教授等人还提出了“两步走”升温的新理念。 能源有高品位和低品位之分。凡较易转化为电能的为高品位能源，较难转化为电能的为低品位能源。我国是“以煤为主”的国家。正如已故工程热物理所所长吴仲华院士所指出：利用热能的基本准则，是“温度对口，梯级利用”。否则将出现“大浪费”。高品位的煤，承担着低品位的职能；可发电的“煤”，却用作室温为23~27度的供暖。 其实，不仅在室内供暖，在各种工业锅炉供暖、供气，甚而在火力发电机组发电过程中，也存在着上述“大浪费”。发电机组往往用“煤”从加热冷水开始，逐步加温产生高温高压水蒸汽。但“加热冷水”完全可用各种低品位的热能来取代！或者说，在热能利用问题上，要“温度对口，优质优用，梯级加热，梯级利用”。 太阳能供热当然也应发展“两步走”的升温技术。第一步利用价廉、技术较简单，但温度和品位较低的太阳能，将水加温成为160~200度中低温的水蒸汽。第二步利用技术较复杂，成本也相对较高的“定日镜+集热面+小塔”装置，将低品位的中低温的水蒸汽，继续升温加热到发电机组所需高温高压的水蒸汽，推动涡轮机组发电。 水的比热约为1cal/gm·0C，水蒸汽的比热约为0.5cal/gm·0C，液态水转化为气态蒸汽吸收的“相变”热，高达540cal之多。所以，在“两步走”的太阳能集热装置的设计中，其“第一步”由冷水加温到160~2000C的水蒸汽，所收集的太阳能将占到全部热量的70~80%；“第二步”升温所及收高品位的太阳能，仅占全部热量的20~30%。 由于“第一步”吸收的热量，是占全部热量的70%~80%，廉价而品位较低的太阳能；“第二步”吸收的热量，是成本较高，品位也较高，但仅占全部热量的20~30%的太阳能；这一“两步走”的升温技术，将大幅度降低太阳能热发电技术的集热成本。 六. 上述“设想”，已付诸实践。陈应天已在他研发的4倍聚光光伏发电装置基础上，进一步扩展为5倍聚光集热太阳能中低温蒸汽发生器。下面是5倍聚光集热太阳能中低温蒸汽发生器的样机： 此装置的供热功率是60KW，集热面积是190m2。由此易算出每平方米热功率为300W/m2，而且此太阳能蒸汽发生器的供热成本是0.10元/度热。与此对比的是：我国由清华大学所研发的真空管集热的太阳能热水器供热成本是0.25元/度热，欧洲生产的热水器是0.9元/度热。如以此蒸汽发生器的使用寿命为15年的假定和煤供热锅炉做一对比，这一供热成本约相当于500元/吨煤的价格。 下面是现有国产太阳能热水器和陈应天所设计的太阳能蒸汽发生器性能和用途的一个比较的简表： 七. 一个有兴趣的问题是，为什么这一蒸汽发生器能做到低成本、高效益？ 1）由于这是5倍聚光，其加热升温时间，将比1倍加热缩短3~4倍，其加热过程中的热损失，也将减少2~3倍。 2）可用技术上远为简单，成本也远为低廉的“低倍聚光+跟踪”技术，这一“低倍聚光+跟踪”技术的各部件，已在“4倍聚光光伏发电装置”的研发中获得成功，而且也已成熟。 3）所追求的目标是中低温供热，而不是高温供热。因而可和太阳能热水器用相同的廉价的集热、储热、传热材料，可大幅度降低供热成本和占地面积。 4）这一蒸汽发生器用了先进导热技术，相变导热管，或又称为动力导热管。由于这是一种廉价、高效，被称为热领域里的“超导”导热技术，因而此蒸汽发生器供热效率较高、结构紧凑、成本低廉。 注意到当前工农业以及日常生活应用领域所用到的供热技术，大多是中低温供热，所以这一价廉物美的供热技术，不仅能为“两步走”的太阳能热发电的升温技术，起重要作用，而且还有极为宽阔的应用前景，能为节能减排起重大作用。 八. 陈应天教授已研发出，可放置在屋顶上，同时“供热+供电”的转盘。其设计指标如下：光热为10kW、光电为2kW、供热面积为140m2、屋顶载重为30 kg/m2，可提供包括空调、采暖、风扇、电视、炊事、电脑、洗澡等在内全部用电、用热能、用蒸汽和热水。 为解决储热问题，还研发出“鹅卵石+导热油”的廉价储热罐，体积为4 m×2.5m×2.5m，可调节4000m2的供热面积。
当然，国外“槽式”电站的倡议者，并不是技术上的“盲人”，他们所以选择价格较昂贵的导热材料，其“潜台词”是希望一举而同时解决高温储热和连续供热问题。但从需求来看，当前急需解决的首先是大幅度降低太阳能热发电成本，和光伏发电技术相竞争。光伏发电“上网”，需要由直流变为交流，其“并网”发电，往往占到总成本的15%~20%。随着光伏发电技术水平的不断提高，发电成本的不断下降，这一“并网”发电成本，就有可能上升到30%~35%。热发电所提供的电流是交流，其“并网”发电就完全没有这方面困难。这也是我们主张大力发展太阳能热发电的重要原因之一。 至于连续供电或“间隙性”问题，可由、应由正在拟议和热议中的，即将大规模上马的“智能电网”，另行解决。 十. 现在试验中的“集热面”，是用“碳化硅”作集热材料，用“不锈钢+高温高压水蒸汽”作导热、传热材料，因为碳化硅和不锈钢有近似相同的热膨胀系数，二者能够“密合”。由于碳化硅，不锈钢，高纯水均是廉价材料，这一技术如能实现，也将大幅度降低成本。 十一. 将上述所有大幅度降低成本的技术集中起来，将能至少将国外发展的“槽式”发电成本，下降50~70%。一旦实现了产业化和规模化，也完全可能下降到和火力发电相竞争的0.5元/度电的水平。因为这里所用的材料和器件，都是机电工业通用的材料和器件，已证明有50~60年的使用寿命；太阳能热发电技术完全能在规模化、效益化进程中大幅度降低成本。 遗憾的是，由于严重短缺经费和人员，上述待开拓的“碳化硅+不锈钢+高温高压水蒸汽”的技术，仅获部分成功，尚有不少技术问题有待进一步解决。目前这一高温蒸汽发生器所达到的技术指标，仅能提供温度为3020C压力为38个大气压力的水蒸汽，离发电尚有一定距离。 十二. 对储热问题，陈应天等人又提出蓄热装置是为太阳能供热服务的。不同的供热需求，将要求不同的蓄热装置等新理念。 如果太阳能热发电将采用“两步走”升温技术；其蓄热装置也就应采用“两层次”蓄热。如果说中低温供热成本，比高温供热成本低很多；中低温蓄热成本，也比高温蓄热成本低很多。 关于中低温蓄热，将遵循下列几个原则： 1）“地下+大型”。 2）用廉价导热和蓄热材料，如“岩石+导热介质+能耐高压蒸汽的管道”。 上述构想有可能将中低温供热装置和中低温蓄热装置，用最短的管道相联结，大幅度减少热能损失。 关于高温蓄热，将支持下列构想： 1）用金属钠作为导热介质。金属钠将在97度~880度范围为液态，有极好的导热、导电性能，可全密封，用电磁泵驱动，甚而可用重力泵驱动，已在核反应堆中有广泛应用。 2）也许最佳高温蓄热材料可选为“Al+Si”。此体系有较大的相变热和较广泛的适用范围的相变温度，而且材料成本较低，蒸汽压也较低。 3）为适应“两步走”升温的需要，还可将上述高温蓄热装置，放在超大型中低温蓄热装置里面，实现“两层次”蓄热。这将能减少高温储热装置的热能损失，并能就近实现“两步走”升温。 4）中国的未来，将完全有必要在“地下”建造“大型”或“超大型”储热装置；应该和储存石油、储存天然气一样，同样重视储热，而且最好将储热和开采地热资源相结合。 由于这只是构想，未能付诸实践，很希望听到批评性意见。 十三. 陈应天教授在太阳能供热还有一则“小发明”，但将有广泛应用价值的“小发明”，——一个可在农村中推广的简便而价廉的太阳灶。 下面是用陈教授所发展的无光象主动光学所设计的，能供农村大量使用的，60倍聚焦的太阳灶。其特点是，用来煮饭做菜的灶具，不需移动！ 与传统的太阳灶相比，它的优点是： （1）便于操作。聚光镜和灶是分离的，太阳灶可像其他普通炉灶一样放在地面即可；（2）便于携带，太阳灶本身仅用一个特殊曲面的反光玻璃和铝制支架做成，连同聚光镜（直径约1米），总重量仅为10kg左右，而且可以做成折叠式，非常易于移动和携带；（3）聚光效率更高。样机实验证明，从早上9点到下午5点，聚光光斑的大小基本不变，这样上下午使用和太阳正午时的使用效果相差不大。（4）如果采用透光玻璃做外墙，由聚光镜所聚集的太阳光，将能透过玻璃而聚焦到放在室内的太阳灶。 这一新型太阳灶如实现产业化，其成本将不会超过400元。这种简单实用的新型太阳灶如果推广到我国广大农村，人们的日常炊事用太阳能取代薪柴或煤作燃料，既方便了老百姓的生活，又能防止对树木植被的破坏和煤炭资源的消耗，进而缓解资源和环境的压力。 十四. 一个极有前景的发展方向，大力发展水能和太阳能的紧密合作。 1）太阳能和风能都有在一个待解决的困难问题，“间隙性”问题。“有太阳有能，无太阳无能”,“有风有能，无风无能”。美国总统奥巴马解决美国能源问题的设想是：“太阳能（风能）+大型锂离子储能电池+锂离子动力蓄电池驱动的电动车+智能电网”。所谓智能电网，是以计算机对“需要”和“供给”都加以协调控制，以求得最大经济效益的高效电网，至于我国是“需求侧管理”式的电网，一旦不满足需求，就拉闸限电。智能电网将包括巨大调控设备，一是由锂离子蓄电池为基础，能存储几百亿度电能的大型储能装置，另一是电动车的锂离子蓄电池为基础的动力电池的组合。美国现有2亿辆轿车，未来的电动车组成的轿车，每辆约需20千瓦~50千瓦的电力。2亿辆电动车的储能能力，至少是2亿×20千瓦=40亿千瓦的调节能力。 但在我国，我以为当前更重要的措施，是大力发展太阳能和水能的合作。 2）水能是价廉物美、清洁环保的可再生能源。缺点：资源总量有限，季节供应不均衡。 3）太阳能是资源总量极其丰富、清洁环保的可再生能源。在960万平方公里的面积上，年辐照高达17000亿吨标准煤，而2008年，我国年耗能28亿标准煤。缺点是：季节、昼夜供应不均衡，价格十分昂贵，约是火力发电成本的5~10倍！ 4）一个新出现的动向是：太阳能发电成本正在大幅度下降。不论光伏发电或热发电装机，均已下降到约20000元/千瓦的水平，在今后的5~7年内，还可能将发电成本下降到0.5~0.6元/度电。 5）由于太阳能资源的无比丰富，由于太阳能和水能在季节供应互相补充，再加上我国有足够多的地形，能修建达几亿千瓦的抽水储能电站，将能在近期就能大幅度弥补可再生能源发电间隙性的重大优点。 6）极有兴趣的动向是：最近，在美国奥巴马等人设想的“智能电网”的构思中，除大力发展各式各样的锂离子蓄电池外，近来也将构建“大型抽水储能电站”，作为“智能电网”的重要内涵。 十五. 一个最佳的发展太阳能发电的区域。 太阳图所展现的最佳区域，显然是甘肃省长达1000公里的河西走廊和由西宁直达拉萨沿着青藏铁路、青藏公路一大片高原地区，年平均辐照达200~220W/m2。河西走廊将有50000平方公里面积，而青藏铁路、公路沿线，可能有50000~100000平方公里之多。如以年发电8640小时计，年辐照总量可高达1728~1900KW·h/m2。当前光伏电池的发电效率可高达20%，每平方米可发出50~60W/m2的电力。如以20W/m2计，100000~150000平方公里的面积，年发电量将等效20亿~30亿千瓦的装机！这一巨大发电量，将大幅度支持我国未来电力的需求。 在青藏铁路、公路周边铺设光伏电池的另一优点是：将不用担心由于气候变暖使铁路、公路的冻土塌陷。 总结、分析陈应天教授所以能在5年回国期间，即获得初步的辉煌的成功，重要原因之一，是“首先要打好理论仗”。首先从“理论”上较透彻地分析了太阳能研究和开发工作中一系列重大弱点，从“理论”上指出克服这些重大弱点的关键所在。早在20世纪90年代陈应天教授提出了一种全新的光学聚光和跟踪理论，国际太阳能杂志《Solar Energy》围绕这一新的聚光和跟踪理论连续发表了他的八篇论文，（注：由于这一理论涉及许多高深的科学理念和复杂的数学，这里不能介绍，但这一理论完全是科学的理论），被以色列著名太阳能专家Kribus教授评论为，“在一个多年几乎没有进展的光学基础领域中的第一个突破”。 陈应天还利用这个新的太阳聚光和跟踪理论，先后研制了各种更廉价、更高效的太阳能收集器。从几个太阳聚光的新型光伏发电系统、几十个太阳聚光的新型太阳灶、几百个太阳聚光的高集中度的光伏发电系统和热发电系统再到成千上万个太阳聚光的高温太阳炉，所有这些发明，无一不在彰显着理论创新的巨大威力。 但是，在中国太阳能界流行的理念是：“太阳能没有理论，太阳能也不需要理论研究！ |
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