“追光”的镜子如何发电

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导语：海子的《今夜我在德令哈》脍炙人口，同样在“金色世界”德令哈，坐落着科幻场景般的发电基地。近年来，光伏这一最为成熟的太阳能发电方式受到了大量的舆论关注。然而光伏并不是太阳能唯一的利用方式，它还有一个叫做“光热发电”的兄弟。随着大规模的建设逐渐铺开，我国在光热发电领域也将迎来长足的发展。

德令哈光热电站

一、我国光热发电正在全力追赶

目前，我国“太阳能热发电”还属于初级起步阶段，为进行技术探索与发展，正全力追赶西班牙、美国等先发国家。迄今为止，首批示范项目中包括塔式7 座、槽式1 个、线性菲涅式1 个，共计 550 MW。

我国的七大光热发电基地

据电力规划设计总院副院长孙锐介绍，目前我国光热产业设备国产化率已超90%，主要产品产能正快速提升。通过相关院所和企业的自主研发，我国的大规模塔式光热发电技术已经成熟，所采用的国产化聚光集热系统、储换热系统、相关算法等核心科技也是可靠的。

依靠过去的技术积累，在产业链可控的前提下，我国正掀起一股建造100兆瓦级别光热电站的浪潮，该级别的光热电站是目前全球主流。根据相关统计，近年来我国公布了48个光热电站规划项目，总装机量达到5.94GW，对比国外的项目约6.81GW，未来新增装机量约占全球的一半份额。

我国光照资源主要分布于青藏高原

我国光照条件最好的地区在青藏高原，例如柴达木盆地不但是资源“宝盆”，还有成为太阳能发电基地的潜力：年均降雨日不超过十天，年均日照时间为3500小时以上，一年四季均可稳定地发电。与其白白浪费戈壁滩的荒地，不如将照射阳光利用起来。可以预见，西部越来越多的光热电站将成为“西电东输”战略的重要组成部分。

二、光热与光伏有什么区别？

光热发电，全名聚光太阳能热发电。光热依靠大量镜面聚集太阳直射光加热导热介质，再经过热交换产生高温蒸气，推动汽轮机发电，“烧开水”的环节与火力发电无异，因此光热电站被戏称为“远看光电站，近看火电厂”。

光热发电比常规的光伏发电在并网方面更具优势，光热发电的转换效率要远远高于光伏发电。

与其他风电、光伏等清洁能源相比，光热电站通过白天将多余热量储存，晚间再用储存的热量释放发电可以实现连续供电，保证电流稳定，避免新能源难以解决的入网调峰问题。

相对而言，光伏产生的垃圾电（即不稳定输入电网的电力）较多，对电网终端而言难于消纳，反而会造成问题。欧洲最近一度产生的负电价正是由于荷兰海上风力发电产生的垃圾电过多导致的。

光热与光伏发电原理对比图

光伏与光热发电体现的是“小分散”、“大集中”两种思路。光伏的单位成本与规模基本不相关。而光热这项技术天然就需要规模效应，边际成本较低，仅需增加和替换较便宜的镜面即可。随着镜面单元的增加，其发电效率越高、成本越低。

三、万片定日镜形成科幻场景
通过发电原理分类，光热电站主要分为塔式、槽式、碟式和菲涅尔式四种，全球范围内较大规模的光热电站以塔式为主，原因是其镜面单元的维护相对简单。

光热发电主要分为四种结构

从空中俯瞰，上万个定日镜单元近乎形成一个以中央塔为圆心、直径约两公里的圆形，反射的光线在空中隐约构成一道等腰三角形的光幕，亮度随着高度不断增加，最终汇聚于中央塔顶的集热器。

用于反射太阳光的单片镜片面积为20平方米，镜面反射率约为94%，并由无人驾驶清洗车定期清理，每一个定日镜单位由回转减速器和推杆控制偏转方向。

以德令哈光热电站为例，光热电站由2.7万个这样的反射单位构成。考虑到对阳光和土地的利用率，定日镜的布置尽量紧凑，整个定日镜场地的直径略小于两公里。未来若有需求，仍能够通过增加镜片数量拓展发电功率。

同时为了确保最佳的光线集束效果，控制室根据自校准算法自动控制每一台镜面随日光转向。每数秒更新一次角度，使得上万台镜面均以最佳角度照向吸热器。

四、光热转化依靠吸热器

在塔式光热电站中，吸热器将上万束太阳能聚光转化为可储存的高温热能，是整个系统的关键部件之一。

吸热器的性能直接决定了工作介质的工作温度，进而影响到发电效率，因此吸热器是光热发电的核心科技。

塔式光热电站使用的主要是外露管式吸热器，其结构简单，可接收360度范围内的太阳辐射，有利于镜场大规模布置，是目前应用最广泛的吸热器形式。

外露管式吸热器

太阳能聚焦处的最高温度可达到1000摄氏度以上，在吸热器内部，熔盐流体通过可耐超高温的管道外壁，吸收不断反射的高强度聚光，同时需要根据热量控制熔盐流体的流速。通过吸热器，熔盐能从290摄氏度被加热到570摄氏度以上。在这个过程中，吸热器起到了为整套系统输入热能的作用。

外露管式吸热器虽然更匹配大型光热电站的建设，但也存在不足之处，尤其是在开放环境中反射、辐射及对流散热造成的能量损失较大，热效率相对较低。我国科学家正通过不断提升材料性能尝试解决该问题。

五、熔盐储能发电技术世界领先

熔盐具有工作温度高且范围广、传热能力强、成本较低、化学性质稳定等优点，目前已成为光热电站储能发电的“血液”，就连最先进的第四代核反应熔盐堆也将熔盐作为工作介质。

光热电站的储热系统约有一万吨吸热熔盐，工作介质经过吸热器后沿着管道流动进入储热罐。通过这个过程，整套系统以吸热器为能量来源，在白天不断地循环往复储备热量。

储备上万吨熔盐的储热罐

储热罐的作用不但是收集热量，更能将能量收集与发电环节分离，做到发电节奏可控。罐中上万吨的熔盐可以持续对蒸汽发生器放热，其作用相当于火力发电的锅炉，利用热交换产生500摄氏度左右的蒸汽，全天候地依靠“烧开水” 发电。

发电系统依赖熔盐热能

一旦熔盐用于产生蒸汽发电后，被带走热量的熔盐经管道回冷储罐，最终会在白天被吸热器再次加热进入储热罐，永久循环往复。整套系统构成光-热-电的能量转化循环，它的原理与空调类似，即通过工作介质的流动将外界输入能量转化为其他形式。

作为电网的基础负荷，储热罐中的熔盐能够在外界停止输入热能的前提下保证持续发电超过48小时，基本能应对所有天气状况。在极端情况下，也可通过西部地区同样丰富的天然气补燃方式来保障电力供给。

六、光热发电也有瓶颈

根据国家能源局的规划，我国光热发电有潜力达到600GW 的规模，目前仅完成了千分之一，是绝对的蓝海市场。然而，当前我国的光热发电技术距离完全的市场化还存在着一定的门槛和障碍。目前的问题是光热发电的成本还很高，需要全行业一起通过做大规模降低成本。

通过企业调研，当前新建光热发电度电成本约0.9元/千瓦时~1.0元/千瓦时，仍远高于陆上风电和光伏发电。聚光、吸热、储换热系统占据初始投资的主要部分，约占整个电站成本的77％左右，是决定光热发电站造价高低最重要的因素。聚光镜、集热管、追踪器、熔盐等关键设备和材料的生产成本居高不下。

光热能否和光伏竞争？

其次，是光热发电的部分设备尚依赖进口。如熔盐泵、熔盐阀、熔盐流量计、旋转接头等产品，在光热电站中需求量有限，成本中占比低，但其工况环境严苛，技术参数要求高，国内产品质量相对国外不高，还以进口为主，国内厂商解决这些问题需要一定时间。

此外，通过使用温度更高、成本更低的吸热和储热介质，采用超临界二氧化碳透平技术等实现更高效率的发电技术方面，仍还有较长的路要走。

结语：

作为一项新兴技术，光热发电可储可调、能保证稳定的电能输出，在进一步降本增效后，将与风电、光伏形成优势互补，一同服务于我国的“西电东输”整体战略。此外，我国的光热禀赋在全球并不在顶尖之列，优秀的太阳能技术将随着我国“一带一路”战略一同走向世界的“阳光地带”。

参考文献：

[1] 人民日报. 德令哈光热发电产业推动进入光热能源时代

[2] 中国工程热物理学会. 同样是太阳能发电，为什么光热发电一直“默默无闻”？

[3] 青海日报. 我国首个太阳能光热示范电站在德令哈正式投运

[4] 中央电视台. 新疆哈密伊吾县“超级镜子发电站”

[5] 经济日报. 光热发电迎来规模化良机