对太阳能热发电走向成功之路的考虑
太阳能热发电的原理是将太阳能转化为高温热能，运用热能发生高温高压蒸汽，然后推进蒸汽轮机发电。太阳能热发电体系一般由聚光体系、储热体系、热能运送体系和发电体系组成。其间，聚光体系是将搜集的太阳能转化成高温热能，首要由盯梢体系、接纳器、反射镜及其支撑体系组成。依据选用的技能不同，一般，聚光体系可分为线聚集槽式聚光体系、线性菲涅耳聚光体系、碟式聚光体系和塔式聚光体系。发电体系首要由汽轮机、发电机等组成。
太阳能热发电的优势首要体现在以下 3 个方面：1) 光电转化功率较高。一般聚光体系的光热转化功率为 60%～90%，例如，20 世纪 80 时代研发的 Acurex-15 碟式聚光体系的光学功率可达92%，美国 Sandia 国立实验室研发的腔式接纳器在 750 ℃温度下作业时的热功率到达了 92%[1]，因而碟式聚光体系的光热转化功率高达 80% 以上。而一般发电体系的热电转化功率高达50%[2]，比方，武汉武锅动力工程有限公司的 1350 MW 超超临界二次再热机组的热耗为 6882 kJ/kWh [3]，核算得到其热电转化功率高达 52.50%。综上所述，未来太阳能热发电体系的光电转化功率有望到达 30%～40%。2) 可通过低本钱、高功率的储热体系完成接连发电 [4]。在以可再生动力为主的未来电力体系中，储热体系是现在完成大规划接连发电的必不可少的技能手法。3) 运用低本钱的反射镜高效搜集太阳能，出资本钱较低。
尽管未来太阳能热发电体系的光电转化功率有望到达 30%～40%，但现在其光电转化功率还相对较低。其间，选用斯特林发电机组的碟式太阳能热发电体系的光电转化功率尽管挨近30%，但因为该体系规划小且本钱高已淡出人们的视野，而选用其他技能的太阳能热发电体系的实践光电转化功率都低于 20%。此外，当时太阳能热发电体系的发电本钱还相对较高，现在国际上太阳能热发电的最低上网电价为 0.5 元 /kWh，而我国则高达 1.0 元 /kWh[5]，远高于火力发电的电价，在经济上无竞赛优势。基于此，本文依据现有的太阳能热发电技能及设备，在不考虑资料和制作技能方面前进的情况下，提出了下降太阳能热发电体系出资本钱并使太阳能热发电具有竞赛力的开展道路。
1 太阳能热发电体系出资本钱的影响要素与下降途径
在太阳能热发电体系的首要组成部分中，热能运送体系和发电体系均已在火电厂中长期运用，技能较为老练；储热体系首要是选用绝热资料，当时也已具有老练的产品及出产技能；而聚光体系的本钱约占太阳能热发电体系总本钱的一半以上，其间，除槽式聚光体系的技能较为老练外，其他聚光技能现在尚处于快速开展阶段。
影响太阳能热发电体系出资本钱的首要要素是其硬件的本钱和体系功率，且体系功率与体系的作业温度相关。其间，发电体系的热电转化功率随其作业温度的添加而添加，而聚光体系、储热体系及热能运送体系的功率则随其作业温度的添加而下降，但各体系均存在最佳作业温度。
1.1 体系功率
关于线聚集槽式聚光体系和线性菲涅耳聚光体系而言，聚光比较低、接纳器接纳面的面积较大、接纳器中工质的作业温度较高时，接纳器发生的热丢失较大，因而接纳器的最佳作业温度一般在 300～400 ℃，但这会约束发电体系的热电转化功率，导致太阳能热发电体系的光电转化功率较低。而碟式聚光体系的聚光比是 4 种聚光技能中最大的，因而其光热转化功率较高，并且其接纳器的最佳作业温度可达 600 ℃以上。尽管塔式聚光体系的聚光比介于上述最高聚光比与最低聚光比之间，但受现在传热介质作业温度的约束，选用会集发电的塔式和碟式太阳能热发电体系的接纳器的作业温度并无显着差异，因而这 2种太阳能热发电体系中发电体系的热电转化功率并无显着不同。此外，因为现在线聚集槽式和线性菲涅耳聚光体系一般选用单轴盯梢体系，低余弦因子和接纳器对反射光线的低阻拦率，导致聚光体系的光学功率较低，在最佳作业温度下，聚光体系的年均匀光热转化功率不到 50%；而塔式聚光体系的光热转化功率有望到达 60%，碟式聚光体系的光热转化功率则可挨近 90%。
进步资料功能是进步聚光体系光热转化功率的重要手法。比方进步反射镜镜面反射率、接纳器吸收率等，可直接进步聚光体系的光学功能；进步反射镜镜面加工精度和盯梢体系加工精度，可下降光学差错，削减太阳光散射，添加接纳器对反射光线的阻拦率，然后进步光热转化功率。
1.2 体系规划
规划是影响体系中硬件本钱的要害要素之一。本文为简化核算，假定仅考虑扩展硬件的规划 ( 包含出产规划和体系规划 )2 方面，而不考虑其他方面发生的影响。一般当规划扩展 10 倍时，该规划所对应的单位出资本钱下降一半以上。以给水和排水管道建设为例 [6]，当输水管道的日输水量达 1～5 万 t 时，每 km 管道的单位出资本钱为 6074 元，而当输水管道的日输水量达 20 万 t以上时，每 km 管道的单位出资本钱则降至 2884元。关于塔式太阳能热发电体系而言，规划效应相同十分显着。例如，美国一项研讨发现 [7]，塔式太阳能热发电体系的规划从 13.5 MW 增至 220 MW 后，镜场的单位出资本钱最大可下降 70% 以上，其间下降的出资本钱中，70% 以上是由规划扩展奉献的，这与上述假定得出的定论附近。
从实践情况来看，首要有 2 种通过扩展规划来下降出资本钱的办法。一种办法是通过添加出产规划来下降单个设备的制作本钱，比方跟着光伏组件制作量的添加，其制作本钱在不断下降。另一种是通过添加单个体系的规划，比方现在碟式聚光体系中单个反射镜的最大面积可达 500 m2 [8]，线聚集槽式聚光体系中单个反射镜的面积超越了 1000 m2，塔式聚光体系中单个反射镜的最大面积为 248 m2。反射镜面积的扩展有助于下降单位面积反射镜的制作本钱，并且跟着单个反射镜面积的增大，盯梢体系的数量削减，出资本钱随之下降。但在反射镜面积增大的一起，其所需求的支撑结构的强度与高度也随之添加，出资本钱相应添加；且面积较大的反射镜易受风力影响，在风力作用下盯梢体系简单盯梢失位，然后影响聚光体系的光热转化功率。
1)在镜场规划方面。关于塔式聚光体系而言，不只能够通过添加反射镜镜场规划来下降出资本钱，并且能够通过削减接纳塔的数量来进一步下降出资本钱。可是，离接纳器较远的反射镜的光学功率会较低，且易受风力作用影响导致盯梢体系盯梢失位，使光学功率进一步下降。因而，若塔式聚光体系选用环形镜场计划，能够在相同镜场规划下缩短反射镜离接纳器的最大间隔，但安置在镜场南部的反射镜的余弦因子会较低，导致聚光体系光热转化功率显着下降。关于线聚集槽式聚光体系而言，跟着反射镜镜场规划的添加，会添加热能运送体系单位传热量的运送间隔，与镜场规划扩展带来的本钱下降效应部分抵消。现在的塔式聚光体系选用的是大镜场计划，1 个接纳塔装备 1 台发电机，极大地下降了热能运送体系的出资本钱，但晦气的一方面是跟着镜场规划的扩展，聚光体系的光热转化功率会下降，并且会导致反射镜的作业状况不稳定，因而，镜场规划不能无限增大，需求进行优化约束。
2) 发电体系的规划添加，不只能直接下降其单位制作本钱，并且还能够进步热电转化功率，然后能够更进一步地下降出资本钱。例如，当塔式聚光体系中接纳器的作业温度约为 535 ℃时，依据额外功率和额外进汽量预算，南京汽轮电机( 集团 ) 有限责任公司出产的 50 MW 蒸汽轮机 [9]的热电转化功率为 38.81%，而上海汽轮机厂出产的 600 MW 蒸汽轮机 [10] 的热电转化功率则为48.67%，比前者的热电转化功率进步了 25.4%。从火力发电的前史来看，现在已投入运转的蒸汽轮机的最大规划现已高达 135 万 kW，热电转化功率超越 50%[3]；但在太阳能热发电范畴，已投入运转的蒸汽轮机机组的最大规划仅约为 10 万kW，与火力发电的比较，二者相差 10 余倍，这说明下降太阳能热发电本钱的潜力还很大。若选用 100 万 kW 的蒸汽轮机机组，依据发电体系的热电转化功率和硬件规划预算，现在发电体系的出资本钱有望降至 40% 以下。若在此基础上进一步优化聚光体系中的反射镜镜场面积，还能够进一步下降出资本钱，然后使太阳能热发电真实具有商业化价值，使其上网电价低于现在的火电，成为十分有竞赛力的动力技能。
2 碟式与点聚集菲涅耳太阳能热发电体系的开展方向
2.1 碟式太阳能热发电体系的开展方向
2.1.1 聚光体系的光热转化功率
选用腔式接纳器的碟式聚光体系的光热转化功率最高，技能也较为老练，是现在最具潜力的太阳能热发电技能之一。运用腔式接纳器可使太阳光在腔内被屡次吸收，使聚光体系能够更好地吸收太阳光，被反射的太阳光仅占 1.4%[11]，吸收率可到达 98.6%。
聚光体系的光热转化功率首要与镜面反射率、光学差错和接纳器作业温度等相关。其间，改善反射镜的质量，进步镜面反射率是十分重要的作业，一直是太阳能热发电范畴的研讨抢手之一，已有许多技能计划可获得镜面反射率超越 97% 的反射镜 [12]。以玻璃作为基底，通过热分化有机金属化合物堆积构成高附着的镀银膜，以此制备的反射镜对太阳光的反射率约为 97%[13]。NWOSU 等 [14] 通过热蒸腾将银堆积在薄的微观玻璃基板上，一起通过溅射 Cu 在 Ag 膜外表构成 Cu 膜，再加上漆膜维护后制备的反射镜的反射率高达 96%～99%。HASS [15] 通过运用双层反射膜使镀银的镜面的反射率从 98.3% 添加到 99.3%。KENNEDY 等 [16] 开发了一种低本钱的、先进的反射镜资料来制备聚光体系的反射镜(ASRM)，反射镜以镀银玻璃作为基板，该基板由几 ?m 厚的氧化铝涂层维护，涂层通过离子束辅佐堆积制备。通过测验标明，该反射镜样品通过3 年以上的加快野外曝晒后仍可坚持 95% 的半球反射率，制作本钱低于 10.76 美元 /m2。因而，反射镜的均匀镜面反射率有望到达 95%。
光学差错来源于镜面斜度差错和盯梢差错等，首要会影响聚集作用；较大的光学差错会在镜面构成较大的光斑，使最佳聚光比减小。而接纳器的热功率与分摊到单位面积镜面的接纳器热丢失相关，聚光比越大，接纳器的热功率越高。聚光比约为 1000 的塔式聚光体系中接纳器出口的工质温度为 620 ℃，而热丢失会使接纳器的热功率下降 3.9%[11]；而关于聚光比为 2000 的碟式聚光体系而言，因热丢失而引起接纳器热功率下降的起伏约为 3.9% 的 1/2。考虑到现在较为老练的太阳能热发电体系一般运用熔盐作为传热介质，熔盐的作业温度为 560 ℃时，接纳器的热功率丢失应不大于 3%，即碟式聚光体系中腔式接纳器的热功率约为 97%。
进步聚光比的要害作业之一是减小光学差错。选用许多小面积球面反射镜组合构成大面积的碟式聚光体系，是下降光学差错、坚持高聚光比的首要技能手法。一般加工球面反射镜时的光学差错较小，约为 1～2 mrad[17]，而制作碟式聚光体系的旋转抛物面镜时的光学差错则高达 3～4 mrad[18]。当光学差错为 2 mrad、最佳聚光比约为 2000 时，碟式聚光体系中接纳器对反射光线的阻拦率为 98.6%[19]。当选用球面反射镜替代旋转抛物面镜时，碟式聚光体系中的反射镜与塔式聚光体系中的在制作方面的要求是相同的，因而碟式聚光体系中反射镜的制作本钱也与一般塔式聚光体系的反射镜类似。
另一项功率丢失来自于低太阳高度角下的太阳光丢失。当太阳高度角为 12°时碟式聚光体系开端作业，可使聚光体系的光学功率下降约3%。因而，当接纳器对反射光线的阻拦率为 98.6%、接纳器对太阳光线的吸收率为 98.6% [19]、接纳器的热功率为 97%、镜面半球反射率为 0.95 [16] 时，碟式聚光体系的光热转化功率为 0.95×0.9862×0.97×(1–0.03)=86.9%。其间，依据接纳器作业温度为620 ℃时其热损为 3.9%[11]，可预算得到接纳器作业温度为 560 ℃时其热损为 3%，然后得到接纳器的热功率。美国在 20 世纪 80 时代研发了多种碟式聚光体系，其最好的光学功率和接纳器热功率均到达了 92%[1]，适当于光热转化功率为84.64%，挨近上述剖析中得到的未来最佳水平。
上述剖析也标明，碟式聚光体系在光热转化功率方面的改善空间现已很小，往后的开展方向应该是添加聚光体系的硬件规划。
2.1.2 体系本钱
未来，碟式聚光体系中多个反射镜能够装置在 1 个方位盯梢设备上，能够共用太阳高度和方位盯梢设备，然后可削减盯梢设备的数量，下降盯梢体系的本钱。
现在碟式聚光体系中多个反射镜共用 1 个盯梢设备尚无实践事例，本文仅从理论方面将该计划与塔式聚光体系进行比较。从规划添加来看，当聚光体系的硬件规划扩展 10 倍，聚光体系本钱约下降 50%；别的，若多个碟式反射镜共用1 个盯梢设备，可大起伏削减盯梢设备的数量，比方以 2500 个碟式聚光体系 ( 不包含太阳方位角与太阳高度角盯梢设备 ) 为例进行剖析，将2500 个碟式聚光体系平行安置 50 排、每排放置50 个，这些聚光体系均装置到一个超大的旋转平台上，适当于这 2500 个碟式聚光体系共用 1个方位盯梢设备；一起这一计划只需 50 个太阳高度角盯梢设备，使盯梢设备的数量从 5000 个降至51 个，数量仅为原计划的约 1/100。美国 UIUC 大 学 Sunlab 实验室对碟式聚光体系的反射镜镜面面积为148 m2时的盯梢体系本钱进行了核算 [7]，其间，太阳方位角盯梢设备的本钱占盯梢体系本钱的20%，太阳高度角盯梢设备的本钱占盯梢体系本钱的 6.1%，通讯设备的本钱占盯梢体系本钱的 4.4%。若按上述聚光体系安置方法再次进行本钱预算，太阳方位角盯梢设备的本钱将降至其本身原本钱的2.5%，而太阳高度角盯梢设备则降至其本身原本钱的 30.8%，通讯体系则降至其本身原本钱的1%，盯梢体系的本钱下降可使反射镜的本钱下降 26.1%；按反射镜本钱占塔式聚光体系 (Solar 220) 本钱的 47%[7] 预算，因为盯梢体系本钱下降，可使塔式聚光体系本钱下降 12.3%，比单纯考虑硬件规划扩展 10 倍还能够多下降 4.8%( 扣除单纯规划扩展带来的 7.5% 本钱下降 )。
另一个下降体系出资本钱的要素是进步体系功率。发电体系选用超大功率蒸汽轮机可使机组规划扩展 10 倍，一起热电转化功率进步25%；依照光学功率和接纳器热功率均到达 92%核算 [1]，碟式聚光体系的光热转化功率可到达84.64%，而塔式聚光体系的则为 57.73%[20]，前者比后者进步了 46.62%，使碟式太阳能热发电体系的光电转化功率可比塔式太阳能热发电体系进步 83.3%，然后使碟式太阳能热发电体系的总出资本钱比塔式太阳能热发电体系下降 45.4%；加上前文所述的共用盯梢体系带来的本钱下降4.8%，以及规划效应使发电体系的规划扩展 10倍所带来的出资本钱下降一半；终究，与塔式太阳能热发电体系比较，碟式太阳能热发电体系的总出资本钱可下降 75.2%。
与塔式聚光体系比较，在共用盯梢体系时会添加碟式聚光体系的接纳器数量，但因为大部分碟式聚光体系的接纳器可在较低温度下作业，关于设备的制作要求较低，因而纷歧定会添加接纳器总本钱。在 Solar 220 塔式聚光体系中 [1] 导热流体运送时，热能运送体系与接纳塔的本钱占该塔式聚光体系总本钱的 6%；当共用盯梢体系时，热能运送体系的总长度添加，本钱也会有所添加，但高温导热流体运送途径长度添加有限，省掉了建塔本钱，其对出资本钱的影响很小。
综上所述，关于碟式太阳能热发电体系而言，进步体系功率和扩展规划可使其总出资本钱降至现有塔式太阳能热发电体系的 1/4。
2.1.3 碟式太阳能热发电体系的其他研讨方向
用于碟式聚光体系的反射镜的最佳尺度是往后十分重要的研讨方向。关于碟式聚光体系而言，选用传统的双轴盯梢体系是一种挑选，但会在盯梢方面添加投入，或许会使其本钱不再具有优势。
2.2 点聚集菲涅耳太阳能热发电体系的开展方向
点聚集菲涅耳聚光体系是一种新的聚光技能 [21]，其将许多反射镜装置到方位盯梢设备上，1排反射镜共用 1 个太阳高度角盯梢设备；一起其光学功率比传统塔式聚光体系进步了 20% 以上，这首要是因为余弦因子的进步。点聚集菲涅耳聚光体系适当所以将碟式聚光体系的镜面涣散安置到水平面上，极大地下降了反射镜高度，然后下降了支撑结构的本钱。
与碟式聚光体系比较，点聚集菲涅耳聚光体系的接纳器功率约下降了 3%，首要是因其聚光比较低。与一般的塔式聚光体系比较，在相同反射镜尺度下，点聚集菲涅耳聚光体系的盯梢体系数量可削减 95% 以上，适当于下降了盯梢体系的本钱。以大尺度反射镜为例，关于点聚集菲涅耳聚光体系而言，当其与塔式聚光体系每个水平轴上装置的反射镜面积相一起，其盯梢体系本钱可下降一半，并且支撑结构本钱远低于大尺度反射镜计划。
依照适度扩展规划的准则，引荐单个点聚集菲涅耳聚光体系中反射镜的总面积为 2000 m2，而一个商业化规划的点聚集菲涅尔太阳能热发电体系需求 2000 个这样的反射镜面积，发电体系的装机功率高达 100 万 kW，占地面积约为 20 km2；此聚光体系的光电转化功率有望到达 30% 左右，这首要是因为超大功率发电体系热电转化功率的进步和聚光体系余弦因子的进步。镜场的规划效应则首要依托扩展工厂的出产规划，通过大规划制作反射镜来下降出产本钱。
点碟式聚光体系的装置计划比较，点聚集菲涅尔聚光体系的装置方法使其大起伏削减了接纳器的数量，这部分本钱可下降 60% 以上，适当于体系本钱下降了 10% 以上，抵消了接纳器热功率方面的下风，使点聚集菲涅尔太阳能热发电体系总本钱比碟式太阳能热发电体系下降了约 7%。
3 与其他可再生动力技能的协作与竞赛
未来的可再生动力发电量中必定是多种清洁电力的组合。传统的水电本钱很低，例如，三峡电站的水电上网电价仅为 0.075 元 /kWh，远低于火电。但许多水力发电站都是时节性电站，并且水力资源有限，不能成为未来可再生动力电力的主体。风电本钱相同很低，但资源散布不均匀性更严峻。在未来以可再生动力为主的电力体系中，受限于本身缺陷，这 2 种方法都不或许成为主体，但会成为必不可少的组成部分。
跟着光伏发电技能的日益老练，及其与储能技能结合的日益遍及，未来光伏发电或许会成为可再生动力发电的主力。但现在聚光太阳电池的散热问题是技能难点，高聚光比下，无可供运用的大面积聚光太阳电池。关于当时的碟式聚光光伏技能，单个光伏发电体系中反射镜面积很小，首要依靠扩展出产规划来下降本钱。运用线聚集聚光光伏发电体系，如槽式体系和线性菲涅耳体系，可下降太阳电池散热要求，是现在聚光光伏发电体系的重要开展方向。聚光光伏光热体系是现在光伏发电范畴比较抢手的技能计划之一。该技能运用分光技能，将长波辐射和短波辐射别离，运用太阳电池直接将短波辐射转化为电能，避免了长波辐射发生的热能对太阳电池的损害，一起又运用长波辐射发生高温热能，然后能够进步光电转化功率。
选用生物质气化推进燃气轮机发电，能够使燃气轮机快速发动，可在不同时节和夜间运用该方法，能较好地补偿光伏、风能等不稳定的缺陷，很或许成为未来可再生动力电力体系的重要组成部分，但其存在本钱较高的缺陷。
4 定论
本文从理论视点对下降太阳能热发电出资本钱使其上网电价具有竞赛力的方法进行了剖析。结果标明，通过优化规划进步体系功率和扩展规划，可使太阳能热发电出资本钱下降，并使上网电价降至 0.25 元 /kWh，完全能够与现有燃煤电厂竞赛。依照上述技能道路，逐渐添加体系规划，估计通过 8～10 年的尽力就能够完成。这为我国处理动力问题和温室气体排放问题供给了一项重要的挑选。
