太阳能前沿技术

1、研究院篇-何祚庥：太阳能热发电最新技术前沿太阳能时代正渐行渐近。太阳能发电始终面临着经济性的挑战，为了赢得成本最低的桂冠，有几种技术正在激烈竞争，哪种技术能拔得头筹，目前尚不清楚。现在，有三种技术基于硅片的光伏技术、薄膜光伏技术和聚光集热式太阳能发电技术分别在某些应用领域具有优势，但没有一种技术能在所有领域独占鳌头。在这些技术成本的相对竞争中，可能会出现一些重大创新和变化。2009年7月13日，以慕尼黑再保险公司和西门子公司为首的12家大公司打出重拳，决定成立“沙漠技术工业倡议公司”（DesertecIndustrialInitiative,简称DII），投资约4000亿欧元，在非洲撒哈拉大沙

2、漠建造功率达2亿千瓦的太阳能热电站，同时淡化海水。DII公司认为，现在世界太阳能生产技术已经成熟，太阳能的存储和运输技术也已过关；计划于3年内完成可行性计划，到2050年满足欧洲所需能源的15%。DII公司还认为，现在太阳能发电成本为每千瓦时20欧分，而普通能源成本为每千瓦时45欧分，只有开发太阳能发电新技术，并大规模发电，才能有效降低太阳能发电成本。美国总统奥巴马宣称：“在开发、生产、利用和节约能源的新技术方面，没有什么比创新更重要。”中国科学院理论物理研究所特聘研究员陈应天教授及其团队不仅在太阳能光伏发电技术方面获得决定性的重大突破，而且在太阳能热发电技术的“创新”，也获得重要进展。光伏热

3、发电技术的优劣辨证国内外均有不少人反对发展光伏热发电。反对者认为，从技术发展的“潜力”来看，光伏发电比光伏热发电有潜在的更高的光电转化率。目前光热转化效率高达80%，热电转化效率是30%，二者相乘得出光伏热发电的转化效率为24%，而目前硅光电池的转化效率为22%，相比较光伏热发电转化效率还具有优势。所以我国仍需大力发展热发电技术。太阳能热发电不仅可以发电，还能供热，而如何用太阳能供热取代煤供热，是节能减排研究领域的重要课题。太阳能供热采暖是继太阳能热水器之后，最具发展潜力的太阳能热利用技术，是今后应大力推广的技术。太阳能热发电在生产电力的同时，还伴生大量低中温废热，在有需要热电联供地区和某些工

4、农业生产中，这一技术将能发挥重大作用。特别是利用太阳能进行海水淡化，能大幅度降低淡化海水或盐湖的成本。太阳能发电存在“间隙性”，是各种太阳能发电技术均存在的弊端，但热发电却有可能通过“储热”，大幅度缓解、进而完全解决“间隙性”难题，未来太阳能热电站还能充当“调峰”电站。太阳能发电的重要发展方向之一，是可利用“分光”技术，对于“光伏发电”波段、“热发电”的波段分别加以利用，这将大幅度提高光伏热发电效率。太阳能热发电的新理念现在世界上所竭力“推崇”的三种太阳能热发电技术路线“槽式”、“塔式”和“碟式”，均有严重弱点，都有大幅度改进的余地。槽式发电的原理槽式发电的原理是利用柱形抛物面反光镜将阳光聚焦

5、在长达几公里至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，聚光效率比较低余弦损失，可高达30%，热交换损失可高达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400500高温，长达几十米或100米的钢制真空管。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他技术，如“碟式”或“塔式”发电技术

6、。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。一种新型的“陈式定日镜技术”陈应天教授研制出一种新型的“陈式定日镜+小塔支撑的集热面”，用来克服“槽式”电站所固有的困难。陈式定日镜的特点是：不论太阳自晨至晚，从冬到夏，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。这种新型的陈式定日镜技术继承和吸收了“塔式”、“碟式”热发电技术中的“点聚焦”集热技术，同“槽式”热发电的“柱聚焦”技术相比，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”热发电技术结构简单，易于规模化、产业化等优点。因为只要将一座座“小

7、塔”，连接成十几公里的“多塔”，就能构建功率达1兆瓦、10兆瓦，甚至100兆瓦的太阳能热电站。而定日镜正在走向产业化，只需要“克隆”即可实现。而新型定日镜可以实现大规模产业化，所以，它的单位功率造价将可能比现在德国使用的槽式电站发电成本至少下降30%40%。将现有槽式发电成本，从2.0元/千瓦时下降到0.81.0元/千瓦时，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。陈应天教授在这一试验中所获得的突出成就是，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。

8、显然，这些技术为我国太阳能热发电技术的提前产业化，开辟了新途径。尤其，这一技术完全是我国自主研发，并拥有完全自主知识产权新技术。“两步走”升温的新理念为进一步降低太阳能热发电成本，陈应天教授还提出了“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。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2327的供暖。其实，不仅在室内供暖，在各种工业锅炉供暖、供气，甚至在火力发电机组发电过程中，也存在着上述“大浪费”。发

9、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。或者在热能利用问题上，“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、较简单技术的温度和品位较低的太阳能，将水加温至160200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，水蒸汽的比热约为0.5cal/gm，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

10、步走”的太阳能集热装置的设计中，“第一步”由冷水加温到160200的水蒸汽，所收集的太阳能将占到全部热量的70%80%；“第二步”升温所收集高品位的太阳能，仅占全部热量的20%30%。由于“第一步”吸收的热量，用廉价而品位较低的太阳能，占全部热量的70%80%；所以“两步走”升温技术，将大幅度降低太阳能热发电技术的集热成本。5倍聚光蒸汽发生器上述“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。V此装置的供热功率是60kW，集热面积是190m2。由此易算出热功率为300W/m2，而此太阳能蒸汽发生器的供热成本是0.10元/kW。与

11、此对比的是：由清华大学研发的真空管集热的太阳能热水器供热成本是0.25元/kW，欧洲生产的热水器是0.9元/kW。如按蒸汽发生器的使用寿命为15年计算，采用新型太阳能供热成本约相当于500元/吨煤。将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作一比较。大家感兴趣的问题是，为什么5倍聚光蒸汽发生器能做到低成本、高效益？1.其加热升温时间将比普通太阳能热水器加热缩短1/31/4，其热损失也将减少1/21/3。2.技术简单、成本低廉，“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。因而可以和

12、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.采用了先进导热技术相变导热管，或称动力导热管。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”太阳能热发电的升温技术起重要作用，而且还有极为广阔的应用前景，能为节能减排起重大作用。太阳能储热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30kg/

13、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和用热。为解决储热问题，陈教授还研发出“鹅卵石+导热油”的廉价储热罐，体积为4m2.5m2.5m，可调节4000m2的供热面积。陈应天教授认为，国外“槽式”电站发电成本居高不下的另一重要原因是，在大多设计中，其传热介质，或者用价格十分昂贵的硅基导热油，或者用腐蚀作用较强、价格也相当昂贵的硝基熔盐。而上述昂贵的高温导热介质，完全能用价格十分低廉，处于高压状态的水，或高密度的水蒸汽所取代，这又将进一步大幅度降低热发电技术中的传热成本。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，是希望

14、一举而同时解决高温储热和连续供热问题。但从需求来看，当前亟需解决的首先是大幅度降低太阳能热发电成本，与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，未来可由智能电网解决。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

15、，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。将上述所有大幅度降低成本的技术集中起来，至少能将国外的“槽式”发电成本下降5070%。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5060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，由于严重短缺人员和经费，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302、38个大

16、气压力的水蒸汽，离发电尚有一定距离。对储热问题，陈应天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。他说，相比较中低温供热成本，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+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，用最短的管道相连结，大幅度减少热能损失。关于高温蓄热的构想：1.用金属钠作为导热介质。金属钠将在97880范围为液态，有极好的导

17、热、导电性能，可全密封，用电磁泵驱动，甚至可用重力泵驱动，已在核反应堆中有广泛应用。2.最佳高温蓄热材料可选用“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，蒸汽压力也较低。3.为适应“两步走”升温需要，还可将上述高温蓄热装置，放在超大型中低温蓄热装置中，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.未来完全有必要在“地下”建造“大型”或“超大型”储热装置；应该和储存石油、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，希望听到批评性意见。陈应天教授还有一则有广泛应用价值的“

18、小发明”一个可在农村中推广的简便而价廉的太阳灶。与传统的太阳灶相比，它的优点是：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；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），总质量仅为10kg左右，而且可以做成折叠式，非常易于移动和携带；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，这样上下午和正午时的使用效果相差不大；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

19、，人们的日常炊事用能用太阳能取代薪柴或煤，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。大力发展水能和太阳能的紧密合作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.太阳能和风能都有一个待解决的“间隙性”难题。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，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，二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，每辆约需2050kW的电力。2亿辆电动车的储能能力，至少是2亿20kW=40亿kW的调节能力。但在我国，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。缺点是资源总量有限，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，年辐照高达相当于1.7万亿吨标准煤，而2008年，我国年耗能28亿吨标准煤。缺点是季节、昼夜供应不均衡，价格十分昂贵，约