1、我國發展太陽能熱發電的幾點看法國家發改委中國可再生能源規模化發展項目管理辦公室王亦楠太陽能熱發電是大規模開發利用太陽能的一個重要技術途徑。由于關鍵技術 有待重大突破，目前國外塔式、槽式、碟式系統都還面臨著投資大、成本高的問 題。本文分析了塔式、槽式、碟式現行三種技術路線在我國推廣應用的技術難點， 提出了一個新型分立式太陽能熱發電技術路線。這一新技術不僅具有完全自主知 識產權，而且比國外現行的熱發電技術更為經濟高效。太陽能熱發電是光伏發電技術以外的另一有很大發展潛力的太陽能發電技 術。它是將太陽能聚集起來產生高溫熱能，加熱工作介質來驅動發電機發電。除 了高溫熱能的產生來自太陽之外，其他組成部分與

2、常規發電設備類似。因此，實 現太陽能光熱轉換的聚光接收器能否做到高效率、低成本，是太陽能熱發電能否 實現商業化的關鍵。一、斥巨資買進國外設備前景并不樂觀第一次石油危機之后，歐美一些發達國家開始關注具有更高能源利用效率的 太陽能熱發電技術，并相繼建立起不同型式的示范裝置。根據太陽能聚光跟蹤理 論和實現方法的不同，已經出現了塔式定日鏡、槽式線聚焦和碟式點聚焦三種不 同技術路線的太陽能熱發電系統，目前只有槽式系統實現了商業化，塔式系統、 碟式系統仍處于示范階段。近兩年來，國內一些學者積極呼吁開展太陽能熱發電示范，有些地方也在籌 劃巨資買進國外的塔式或槽式太陽能熱發電系統設備，建設較大規模的MW級 示

3、范電站。對于這種熱潮，筆者存在著擔憂與置疑：1、國外技術本身尚未成熟，產業化尚存在困難，還有待重大技術突破。經過四 十年多年的探索，熱發電技術產業化在國外也進展非常緩慢。即使是目前已 經商業示范運行的槽式系統，盡管熱發電成本已經做到低于光伏發電成本， 但卻并沒有像光伏發電市場那樣出現快速增長。太陽能熱發電的產業化還有 待關鍵技術的更大突破，比如提高太陽聚光接受器的效率、開發先進的熱存 儲技術等等。2、國外技術直接照搬過來，在我國特殊氣候條件下是否適用值得研究。與塔式、 碟式系統相比，槽式系統的抗風性能最差，目前的槽式電站多處于少風或無 風地區，而我國陽光富足地區往往多風、大風甚至沙塵暴頻起，直

4、接照搬其 適用性非常值得懷疑。如果在我國開展示范，必須增強槽式系統的抗風能力， 因而成本必然要在國外已有示范基礎上大大增加，并非像已經運行的那樣樂 觀。二、塔式太陽能熱發電技術的產業化障礙塔式太陽能熱發電系統是在空曠平地上建立高大的塔，塔頂安裝固定一個接 收器（相當于鍋爐），塔的周圍安置大量的定日鏡，將太陽光聚集并反射到塔頂 的接收器上產生高溫，接收器內生成的高溫蒸汽推動汽輪機來發電。圖1為美國 Solar two塔式太陽能熱發電站。盡管塔式熱發電系統起步較早，人們也一直希望通過盡可能多的定日鏡，將 太陽能量聚集到幾十兆瓦的水平，但是塔式系統的造價一直居高不下，產業化困 難重重，其根本原因在于

5、定日鏡系統的設計。目前典型的塔式熱發電的定日鏡有 兩個特點：一是定日鏡的反射面幾乎都采用普通的球面或平面；二是定日鏡的跟 蹤都使用傳統的方位角仰角公式。這兩個設計特點導致塔式太陽能聚光接收器存 在著以下難以克服的問題：1、太陽在塔上聚焦的光斑在一天之內呈現大幅度變化，導致聚光光強大幅 度波動。普通球面或平面反射鏡無法克服由于太陽運動而產生的像差，由 于太陽的盤面效應，各個反射鏡在中央塔上形成的光斑大小隨著它與中心 塔的距離增加而線性增長，塔上最后形成的太陽聚焦光斑在一天之內可以 隨定日鏡場的大小從幾米變化到幾十米之大，因此聚光光強出現大幅度波 動，再加上各個定日鏡的不同余弦效應，塔式系統的光熱

6、轉換效率僅為 60%左右。盡管目前在一些比較講究的塔式系統的設計中，對不同的定日 鏡開始采用不同曲率半徑的球面，以減小太陽在塔上光斑的尺寸，但光學 設計復雜性大大增加導致制造成本也跟著大幅增長。2、眾多的定日鏡圍繞中心塔而建立，占地面積巨大。中央塔的建立必須要 保證各個定日鏡之間互相不能阻擋光線，各個定日鏡之間的距離隨著它們 與中心塔距離的增加而大幅度增長，因而塔式熱發電系統的占地面積隨著 功率等級的增加而呈指數性激增。3、各個定日鏡需要單獨進行兩維控制，控制系統極其復雜。在塔式系統中， 各個定日鏡相對于中心塔有著不同的朝向和距離，因此，每個定日鏡的跟 蹤都要進行單獨的兩維控制，且各個定日鏡的

7、控制各不相同，這就極大地 增加了控制系統的復雜性和安裝調試特別是光學調整的難度。4、為了減少眾多定日鏡的余弦效應，中心塔必須建得足夠高才行。美國已 經建成的Solar Two (10MW)塔式熱發電的中心塔高達100多米。這樣高 的塔不僅不可避免地增加塔式系統的熱發電成本，而且無法適應我國北部 多風地區的工作環境。由于上述這些問題，塔式熱發電系統盡管可以實現1000度的聚焦高溫，但 一直面臨著單位裝機容量投資過大的問題(目前塔式系統的初投資成本為3.4 4.8萬元/kW)，而且造價降低非常困難，所以塔式系統五十多年來始終停留在示 范階段而沒有推廣開來。三、槽式太陽能熱發電技術的應用難點槽式太陽

8、能熱發電系統是利用圓柱拋物面的槽式反射鏡將太陽聚焦到管狀 的接收器上，并將管內傳熱工質加熱。槽式系統商業化的典型代表是位于美國加 州Mojave沙漠上的總裝機容量為354MW的9座槽式太陽能熱發電站，年發電 總量為8億kWh，從上世紀90年代初開始并網運行。目前塔式、槽式、碟式三種系統中，只有槽式實現了商業化。通過技術不斷 改進和電站規模不斷擴大，美國加州Mojave沙漠的槽式熱發電系統的初投資成 本已經由1號電站（功率為14MW）的4490美元/kW降到了 8號電站（功率為 80MW）的2890美元/kW，發電成本由1號電站的44美分/kWh下降到9號電站 的17美分/kWh （按照2004

9、年美元計算），系統效率由1號電站的9.3%提高到9 號電站的13.6%。槽式系統以線聚焦代替了點聚焦，并且聚焦的管線隨著圓柱拋物面反射鏡一 起跟蹤太陽而運動，這樣解決了塔式系統由于聚焦光斑不均勻而導致的光熱轉換 效率不高的問題，將光熱轉換效率提高到70%左右。但是槽式系統也帶來三個 新的問題：1、無法實現固定目標下的跟蹤，導致系統機械笨重。由于太陽能接收器（中 間的聚焦管線）固定在槽式反射鏡上，隨著反射鏡一起運動，因而導致整 個系統的機械裝置比較笨重，而且熱管的連接節必須是活動性的，這種結 構保溫較為困難也容易損壞。2、槽式系統的抗風能力較差，不適宜工作在大風地區。圖2電站中，每個 槽式反射鏡

10、都是99米長、5.7米寬的一個大整體鏡面，風阻很大，因此現 有的槽式太陽能熱發電系統一般應用于無風或微風的荒漠地區，與我國北 方多風甚至大風的氣候條件有很大差異，在我國應用必須要改變或加強反 射鏡的支撐結構以增加槽式系統的抗風性能，這樣必然導致初投資成本和 熱發電成本在目前國外2890美元/kW和17美分/kWh的水平上大幅上揚。3、槽式系統的接收器長，散熱面積大。槽式系統的太陽能接收器是根很長 的吸熱管，盡管發展了許多新的吸光技術，其散熱（包括由熱輻射造成的 散熱）面積要比其有效的受光面積大，因此與點型聚光系統如碟式和塔式 相比，槽式系統的熱損耗較大。四、碟式太陽能熱發電技術的產業化障礙碟式

11、太陽能熱發電系統是利用旋轉拋物面的碟式反射鏡將太陽聚焦到一個 焦點。和槽式一樣，碟式系統的太陽能接收器也不固定，隨著碟形反射鏡跟蹤太 陽的運動而運動，克服了塔式系統較大余弦效應的損失問題，光熱轉換效率大大 提高。和槽式不同的是，碟式接收器將太陽聚焦于旋轉拋物面的焦點上，而槽式 接收器則將太陽聚焦于圓柱拋物面的焦線上。碟式系統的代表性案例 一一國 SES公司的碟式一斯特林熱機太陽能發電系統。碟式熱發電系統的優點是：（1）光熱轉換效率高達85%左右，在三類系統中位居首位；（2）使用靈活，既可以作分布式系統單獨供電，也可以并網發電。碟式系統的缺點是：（1）造價昂貴，在三種系統中也是位居首位，目前碟式

12、熱發電系統的初投 資成本高達4.76.4萬元/kW；（2）盡管碟式系統的聚光比非常高，可以達到2000C的高溫，但是對于目 前的熱發電技術而言，如此高的溫度并不需要甚至是具有破壞性的。所以，碟式 系統的接收器一般并不放在焦點上，而是根據性能指標要求適當地放在較低的溫 度區內，這樣高聚光度的優點實際上并不能得到充分的發揮；（3）熱儲存困難，熱熔鹽儲熱技術危險性大而且造價高。由于與光伏發電系統相比，碟式熱發電系統具有氣動阻力低、發射質量小等 優點，因此近年來研發主要集中于具有更小單位功率質量比的空間電源應用領域， 今后的研究方向主要是提高系統的穩定性和降低系統發電成本兩個方面。五、更為經濟高效且具

13、自主知識產權的新型分立式太陽能熱發電技術前述可見，建立在傳統聚光和跟蹤理論基礎之上的塔式、槽式、碟式系統均 存在著難以克服的困難，因而導致單位裝機投資大、熱發電成本高、推廣應用有 困難。那么我國在發展太陽能熱發電技術領域有沒有突破口呢？筆者最近發現一 個新的太陽聚光和跟蹤理論的突破，為我國發展更為經濟高效且具有自主知識產 權的新型太陽能熱發電技術提供了思路。1）新的太陽聚光和跟蹤理論有什么優點?由于太陽能輻射到地球表面的能量密度比較低，因此，無論是對于太陽能光 伏發電還是太陽能熱發電，能否經濟高效利用太陽能的關鍵在于太陽聚光和跟蹤 水平的優劣。上世紀80年代自適應光學在近代精密光學中取得很大成

14、功，但由 于控制系統極其復雜且價格高昂，在太陽能上應用一直是個難題。當時在英國劍 橋大學和美國加州理工學院任高級研究員的陳應天博士提出了一種利用行與列 的運動來代替點的二維運動的新的數學控制模式，這樣由子鏡組成的光學矩陣鏡 面的控制可以由幾何級數大大減少為代數級數。陳應天用8年時間完成了這個新 的行列控制理論的完整數學模型，并發展出了將其一般理論應用于太陽能的理論 與公式。為了將其優點在太陽能聚光應用上充分發揮出來，他打破了傳統的采用 方位角-仰角的太陽跟蹤方法，在世界上第一個提出了采用自旋-仰角的跟蹤公式。 這個新的太陽聚光跟蹤理論，被國際著名太陽能專家一一以色列特拉維夫大學的 Kribus

15、教授評論為在一個多年幾乎沒有進展的定日鏡領域中的第一個突破”。世 界最權威的太陽能刊物Solar Energy Engineering圍繞這一新的聚光跟蹤理論從 2001年起連續發表了他的八篇論文，在國際學界引起巨大反響。經國際太陽能 權威機構進行嚴格地分析比較后證明，根據新的聚光跟蹤理論推導出的新的聚光 曲面和跟蹤方法（國際上現稱為陳的曲面和“陳的跟蹤方法），比傳統的聚光 跟蹤方法更能有效的接受太陽能。建立在理論突破基礎上的新型定日鏡技術具 有以下三大優點：1、新的高次曲面比傳統幾何鏡面（球面或拋物面等）的聚光倍數提高幾倍 甚至十幾倍。即使在入射角變化的情況下，也能夠有效地消除太陽光斑的 象

16、差，從而使聚光的倍數大大增加，并第一次實現了聚光與跟蹤同時進行 的設計模式。2、用更簡單、更可靠的方法實現目前國外難以做到的固定目標下的跟蹤。 跟蹤太陽運動的部分只限于聚光鏡，而聚光目標不必同聚光鏡一同運動， 因而整個系統的機械大大簡化、重量大大減少，這是新型太陽能發電系統 的成本能夠大幅度下降的一個重要原因。3、各種變型的設計可用于不同的工作環境和工作要求，操作系統大大簡化。新的聚光跟蹤理論可應用于地球上任何一點、任何位置、任何朝向的定日 鏡，因此可以使用單個集成線路代替復雜的計算機控制系統。基礎理論的突破往往帶來重大的技術革新。新的聚光跟蹤理論為太陽能的 高效經濟利用開辟了一條全新的途徑。

17、各種更廉價、更高效的太陽能聚光 接收器正在被陸續開發出來，從幾個太陽聚光的新型光伏發電系統（見圖 4）、幾十個太陽聚光的新型太陽灶（見圖5）、幾百個太陽聚光的高集中 度的光伏發電系統（見圖6）、再到成千上萬個太陽聚光的高溫太陽爐（見 圖7），理論突破的巨大威力已經得到實踐的成功檢驗。2）新型分立式太陽能熱發電技術有什么特點？新的聚光跟蹤理論應用于太陽能熱發電技術，則為結合塔式和槽式的優點、 消除兩者的缺陷提供了實現手段。按照新的聚光跟蹤理論而設計的新型分立式太 陽能熱發電系統的示意圖（見圖8），其中聚光反射鏡采用特殊的高次曲面來取 代傳統的平面、球面、拋物面、雙曲面，聚光反射鏡的跟蹤采用自旋-

18、仰角的控 制方法，新型分立式太陽能熱發電技術具有塔式或槽式難以兼顧的3大優點：（1） 聚焦光斑小而且均勻，光熱轉換效率可以達到80% （高于槽式），聚焦溫度高達 5001000度如塔式；（2）被聚焦的目標可以固定不動如塔式，使得系統機械大 大簡化并且散熱損失小；各反射鏡的轉動速率和方向完全一致如槽式，因此控制 系統極為簡單且安裝調試非常方便；（3）反射鏡可以做成3米x3米或5米x5米 的單體，抗風性能大大增強。建立在新的聚光跟蹤理論基礎上的這一新型分立式太陽能熱發電技術路線 已經得到國際學術界和工程界的高度評價。2004年在國外從事塔式、槽式技術 的5位世界著名太陽能熱發電技術專家，包括以色列

19、特拉維夫大學（AVIV）流體 力學和熱傳導系系主任Kribus博士、以色列Weizmann研究所環境科學和能源研 究室主任J. Karni博士、德國空間研究中心（DLR）熱力學技術研究所研究員R. Buck 博士和A. Pfahl博士以及英國劍橋大學工程系教授T.P Bligh博士聯合陳應天博士 在Solar Energy Engineering上發表了他們對這一新型定日鏡技術的肯定，并通 過大量的計算證明采用新的自旋-仰角跟蹤方法會比傳統的方位角-仰角跟蹤方 法的聚光效率提高10%-30%。3）新型分立式太陽能熱發電技術和塔式、槽式、碟式系統的技術經濟性比較塔式、槽式、碟式和新型分立式四種太陽能熱發電系統的技術經濟性能（包 括工作溫度、太陽聚光倍數、光熱轉換效率、熱發電投資成本）新型分立式太陽能熱發電技術比塔式、槽式、碟式太陽能熱發電技術具有更 優的性價比。如果建設一個50MW規模