EnergyTech | 一文看清光热发电的真相
无所不能
12月03日 11:00
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曾经由于成本过高而被市场唾弃的太阳能热发电，如今再次成为市场热点。那么，在与激烈的可再生能源竞争中，太阳能光热发电乃英雄尔？
【无所不能 文|吴治永】中国太阳能和风能资源丰富地区远离用电负荷中心、风电和光伏过快增长以及其电能品质自身具有波动性的问题，使得各地弃风、弃光问题日益突出。于是，曾经由于成本过高而被市场唾弃的太阳能热发电，如今再次成为市场热点。那么，在与激烈的可再生能源竞争中，太阳能光热发电乃英雄尔？
太阳能热发电基本原理
我们绝大多数人都有过这样的经历，在太阳光低下利用凸透镜聚焦点燃木材、纸张或者香烟，这其实就是太阳能高温利用最简单的例子。对太阳能进行大规模的聚焦，即可收集起来产生高温热能，热能转换为工质的内能、利用内能驱动机械做功，即可实现发电。这就是太阳能热发电的基本原理。
我们知道，热机是指各种利用内能做功的机械，按照不同的分类方式有内燃机和外燃机，蒸汽轮机、燃气轮机和斯特林机等。就太阳能热发电系统来说，根据聚光系统所采用的聚焦方式，分为线聚焦和点聚焦两种。线聚焦又分为槽式和菲涅耳式两种，点聚焦分为塔式和碟式两种。目前，通常的聚光系统聚焦倍数10-1000倍，加热工质温度可到400℃（导热油）、560℃（熔融盐），甚至接近1000℃（金属、空气、二氧化碳、氦气、氢气等）左右，利用聚光太阳能把工质加热到高温，理论上可以实现所有的热力循环，包括卡诺循环、布伦顿循环和斯特林循环等。由于聚光系统是太阳能热发电站的主要特点，因而人们通常称为槽式、菲涅耳式、塔式和碟式太阳能热发电４种方式。
从能量转换的角度来看，太阳能热发电站主要包括光热转换和热功转换两个过程。光热转换通过聚光系统和吸热系统实现，热功转换通过热机实现。相比其它发电站形式，太阳能热发电站的主要特点有：
1 只利用太阳能辐射的直射辐射部分。根据不同的气候环境，太阳能直射辐射通常占总辐射的比例50-90％。
2 大规模聚光系统。小到百平方米量级，大至万平方米量级。太阳能热发电站目前只能大规模利用（碟式斯特林太阳能发电以百平方米量级的聚光器为模块），聚光系统占地面积通常以平方公里计。
3 存储和传输工质的管道具有较大热惯性。由于管道具有热惯性，即使不采用储热，其发电的电力品质也比较平稳。
4 储热和补燃。太阳能热发电站可以广泛利用储热和化石能源补燃的技术。储热会使电站增加10-15%的成本。
相比当下如火如荼的光伏和风电，太阳能热发电最大的优势就是电力波动相对较小，这是由于太阳能热发电站系统较大的热惯性（英文Thermal inertia，是指物体由于具有热容，当其所处环境温度瞬间变化时，物体自身的温度变化具有滞后性）、可采用储热（利用大型储热罐和储热介质把热量存储起来。这相当于进一步增大了太阳能热发电站的热惯性）和补燃的原因。热发电站系统自身的热惯性能消除太阳辐照分钟级的波动，而采用储热能消除十分钟至几小时级的波动。电力品质相对平稳是太阳能热发电的最大优势。然而，优势是否会成为胜势呢？先看下面分析。
太阳能热发电站的成本及下降空间分析
下图显示了槽式和塔式太阳能热发电站的成本构成。
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图１ 太阳能热发电站的成本构成 （来源：irena）
需要说明的是，太阳能热发电站的成本与其规模、所采用技术途径、储热时间及是否有补燃等因素有重要关系。但可以肯定的是，聚光系统占整个电站成本的40％左右。太阳能热发电站的管路、控制系统和发电系统的成本，与现有化石能源电站相应设备的成本基本相同。由于太阳能热发电站热源的间歇性，其对热机的要求更高。因而，这部分设备成本的下降空间十分有限。综上，太阳能热发电站聚光场的成本几乎完全决定太阳能热发电的成本。那么，太阳能热发电站聚光场的成本如何呢？请看下面分析。
当前，太阳能热发电采用的聚光器，基本都是镀银玻璃镜和钢结构的形式。根据国内建设某塔式太阳能电站的相关经验，一台镜面面积为100平米的定日镜成本约为20万人民币，相当于2000元／平方米；槽式太阳能聚光器的成本也在1500元／平方米左右。此外，单台定日镜用钢材超过10吨（重量与定日镜面积有关）。这里先算一笔账：100平米面积的太阳能，不考虑余弦损失的情况下（如考虑，则年均效率约60-70%），并假设DNI（Direct Normal Irradiance，法向直射辐射）资源为2000kWh/m2y条件下工作，再直接采用国际上当前塔式电站年光电转换效率约15％，按电费１元计算，那么1年的收益为：
100m2*2000kWh/m2y*15%＊1元/kWh＝30000元/y。
这样一来，仅仅定日镜的投资回收期约７年。如果考虑到聚光场成本只占电站的40％，那么投资回收期是16.7年。如果定日镜成本下降一半（其它设备的成本不变），投资回收期将是13.3年。
要特别说明的是，碟式斯特林太阳能发电和有的聚光光伏（CPV）技术，采用约50-100平米的碟式聚光系统。碟式斯特林太阳能发电效率在22-32%；聚光光伏在聚焦太阳光500倍左右时它的光电转换效能介于36-40%之间，光电模组的效能在22-28%之间。这两种技术的“光—电”转换效率远高于普通太阳能光伏、太阳能槽式和塔式发电技术的效率，但目前这两种技术都没有得到大规模推广，而效率小得多的光伏反而发展得风生水起，其主要原因就是聚光器成本太高，下降无门。
目前，聚光镜普遍采用玻璃镜和钢结构和跟踪太阳的形式。而玻璃和钢材已经是大规模生产的材料，生产技术已非常成熟，通过技术提高降低材料成本的空间十分有限。此外，玻璃和钢结构在恶劣的大气环境里跟踪太阳（有运动部件），既要抵抗恶劣的环境又要保持跟踪精度和反射率，要想降低成本非常困难。如果今后没有破坏性的创新技术出现，聚光器仍然采用玻璃镜和钢结构的形式，那么，对太阳能热发电的成本下降空间没有乐观的理由。
此外，由于日夜变化和季节变化，太阳能热发电站即使采用大规模储热也面临频繁起停的问题，这对整个系统——尤其是热机的稳定性、可靠性和寿命提出了更高要求，汽轮机将长期处于非设计点工作——这时热电转换效率比设计点低，而经常起停对汽轮机的寿命是严峻考验。这毫无疑问会增加太阳能热发电站的成本（系统效率降低，间接增加发电成本）。
光热发电能做到“天时地利人和”吗？
太阳能热发电，最根本的就是需要有好的太阳能资源，利用才有意义。但是，根据SolarGIS提供的中国太阳能资源分布（笔者曾对多个测量站的数据和SolarGIS数据做过比较，精度较高），除了西藏地区以外，DNI大于2000kWh/m2y的地方并不多，DNI资源在2000kWh/m2y左右的地方均位于我国西北地区。而我国西北地区生态环境脆弱、干旱少雨、水资源贫乏、多风沙、冬季气温寒冷，且同样远离用电负荷中心。
实际上，国内已经建成了多个示范项目（海南、兰州、内蒙、青海、三海关、延庆等），有一些项目已经拆除，国家投资的和民间投资的系统都有。经过试验，这些项目的“光——热”转换效率到底达到多少？年产生蒸汽时间能够达到多少？有的项目还发电了，其“光——电”转换的效率和发电成本呢？也许由于涉及商业秘密的原因，这些数据极少公布。但根据国内公开发表文献中的数据（web of knowledge数据库中查询的文献），国产某槽式聚光器回路的光热转换效率低于50%。而从非公开渠道获得的信息显示，某已建成热发电站的“光——电”转换效率低于10%（有的项目更低），而发电成本接近1.5元/度。
太阳能确实是取之不尽、用之不竭。但以聚光热发电的形式利用太阳能，对太阳资源严重依赖。没有好的太阳能资源，很难说孟子曰：天时不如地利，地利不如人和。孟子当时说的是古代战场，理论上天时、地利和人和都可能成为战场上改变战局的因素。但对于太阳能热发电来说，虽然没有规定什么样的太阳能资源和环境条件能建和不能建电站，但天不时和地不利的因素将深深地影响发电的成本。
还有这些太阳能中高温热利用
太阳能热发电站的聚光镜场，可以用来产生蒸汽供工业应用，比如用于海水淡化、纺织行业、化工和稠油开采等，国内已有部分示范项目。海南乐东、临高有太阳能海水淡化的示范项目，广东番禺有太阳能中温产生蒸汽供纺织厂用的示范，江苏海安太阳能蒸汽项目，新疆克拉玛依太阳能预热天然气蒸汽锅炉用于稠油开采等。这些项目建成时有广泛报道，但建成后的运行情况未有公开报道，更未见有项目推广的报道。根据笔者所掌握的情况，国内至今还没有一项太阳能中高温技术实现了商业化应用，所建的项目基本都是在国家或地方政府支持下建立示范项目，甚至还有项目结题时还遇到困难，其中原因值得各界人士深思。
未来之路
近年来，光伏、风电、电动汽车和储能技术等能源技术均飞速发展，全国各地对分布式光伏的补贴政策方兴未艾，互联网 和能源互联网概念更是未来风生水起，这些技术必将提高能源利用效率、改变我们使用能源方式，最终恢复我们的蓝天白云。而2015年9月30日能源局发布《关于组织太阳能热发电示范项目建设的通知》，再次掀起了太阳能热发电站建设的高潮。但中国太阳能热发电将走向何方？太阳能热发电技术是否英雄耳？依笔者之见，当前还没有足够证据能够支持太阳能热发电在中国发展前景十分乐观的观点。而太阳能热发电技术在中国的前景最终如何，可能需要等到商业示范电站建成并运行3-5年才见分晓。
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