太阳能热发电 没有技术瓶颈

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　　-------访太阳能热发电专家、北京天羿洁源科技发展有限公司总经理王成伟
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　　编者按 　　

　　太阳能热发电是光伏发电技术以外的另一有着很大发展潜力的太阳能发电技术，它是利用高精度聚光器将太阳能这种低密度的稀疏能源汇聚成300个太阳以上的高密度热能并进加热工作介质来驱动发电机发电而转换成电能的一种太阳能高品位发电方式，具有零污染物排放，可持续利用的优点。太阳能热发电正成为世界范围内可再生能源领域的投资热点。太阳能热发电技术必将对人类社会的可持续发展产生无法估量的巨大的影响。
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　　笔者在北京有幸采访到一位鲜为人知的研究太阳能热发电技术中的跟踪、聚光、吸热和传热核心技术专家---北京天羿洁源科技发展有限公司
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! O0 W: ]% v2 ?$ E; |( ^$ c　　王成伟总经理，探讨未来太阳能发电发展的新方向，以飨读者。
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. E: ?& e( d1 u: j' S7 X　　一引言

　　太阳光无处不在，不停地在为地球提供人类文明每时每刻都需要的能量，如何利用太阳辐射? 太阳能光伏发电是一种使用方法，另一种途径则是利用它的热能—太阳能热发电。
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　　访谈实录：

　　《中国新能源》：简单介一下，目前太阳能热发电的发展情况。

　　王总：太阳能热发电是将太阳能聚集起来产生高温热能，加热工作介质来驱动发电机发电；是光伏发电技术以外的另一有很大发展潜力的太阳能发电技术。到目前为止，根据太阳能聚光跟踪理论和实现方法的不同，太阳能热发电主要有太阳能槽式聚焦系统、太阳能塔式聚焦系统、太阳能碟式聚焦系统和反射菲涅尔聚焦系统等四种方式。目前已经商业化运行的主要是槽式、塔式和碟式系统。太阳能热发电站遍布美国，西班牙，德国，法国，阿联酋，印度，埃及，摩洛哥，阿尔及利亚，澳大利亚等国家。
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　　《中国新能源》：介绍目前商商业化运行的主太阳能太阳能塔式发电系统和槽式发电系统的工作原理及国外对太阳能热发电的情况。
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　　王总：1、塔式发电系统，在空旷的地面上建立一高大的中央吸收塔，塔顶上安装一个吸收器，塔的周围安装一定数量的定日镜，通过定日镜将太阳光聚集到塔顶的接收器,产生高温，再将通过工质加热并产生高温蒸汽，推动汽轮机进行发电。

　　美国在南加州建成第一座塔式太阳发电系统装置--Solar One。起初，太阳塔采用水一蒸汽系统，发电功率为10兆瓦。1992年 Solar One经过改装，用于示范熔盐接收器和储热系统。由于增加了储热系统，使太阳塔输送电能的负载因子可高达65％。熔盐在接收器内由288℃加热到565℃，然后用于发电。第二座太阳塔 Solar Two于 1996年开始发电，计划 试运行三年，然后进行评估，Solar Two发电的实践不仅证明熔盐技术的正确性，而且将进一步加速3O～200兆瓦范围的塔式太阳能热发电系统的商业化。
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　　以色列Weizmanm科学研究所最近正在对塔式系统进行改进。利用一组独立跟踪太阳的定日镜，将阳光反射到固定在塔的顶部的初级反射镜--抛物镜上，然后由初级反射镜将阳光向下反射到位于它下面的次级反射镜--复合抛物聚光器（ CPC），最后由CPC将阳光聚集在其底部的接收器上。通过接收器的气体被加热到1200℃，推动一台汽轮发电机组，500℃左右的排气再用于推动另一台汽轮发电机组，从而使系统的总发电效率可达到25％～ 28％。由于次级反射镜接收到很强的反射辐射能，因而CPC必须进行水冷。目前整个实验仍处于安装、调试阶段。
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西班牙PS10塔式电站
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3 Z- ]: |6 U. E* G! ^# r　　2、槽式太阳能热发电系统是利用抛物线型曲面反射镜的槽式聚光系统将太阳能聚焦到管状的吸收器上，并将管内传热工质加热。在换热器内产生蒸汽，推动常规汽轮机发电。槽式系统以线聚焦代替了点聚焦，并且聚焦的吸收器管线随着柱状抛物面反射镜一起跟踪太阳而运动。

# H$ [2 P2 A4 i  i　　Luz公司198O年开始开发此类热发电系统，5年后实现了商业化。1985年起先后在美国加州的Mojave沙漠上建成9个发电装置，总容量354兆瓦，年发电总量10.8亿千瓦时。9个电站都与南加州爱迪生电力公司联网。随着技术不断发展，系统效率由起初的11．5％提高到13．6％。建造费用由5976美元／千瓦降低到3011美元／千瓦，发电成本由26．3美分／千瓦时降低到12美分／千瓦时。


　　3、碟式太阳能热发电系统（又称盘式）太阳能热发电系统是世界上最早出现的太阳能动力系统，是目前太阳能发电效率最高的太阳能发电系统，最高可达到29.4％。碟式系统的主要特征是采用碟（盘）状抛物面镜聚光集热器，该集热器是一种点聚焦集热器，可使传热工质加热到750℃左右，驱动发动机进行发电。这种系统可以独立运行，作为无电边远地区的小型电源，一般功率为10~25Kw，聚光镜直径约10~15m；也可用于较大的用户，把数台至十台装置并联起来，组成小型太阳能热发电站。
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　　美国热发电计划与Cummins公司合作，1991年开始开发商用的7千瓦碟式/斯特林发电系统，5年投入经费1800万美元。1996年Cummins向电力部门和工业用户交付7台碟式发电系统，计划1997年生产25台以上。Cummins预计10年后生产超过1000台。该种系统适用于边远地区独立电站。

　　美国热发电计划还同时开发了25千瓦的碟式发电系统。25千瓦是经济规模，因此成本更加低廉，而且适用于更大规模的离网和并网应用。1996年在电力部门进行实验，1997年开始运行。
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碟式抛物面镜点聚焦集热器
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　　《中国新能源》：如何看待太阳能在太阳能热发电技术？。
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　　王总：在各种可再生能源领域，太阳能热发电鲜为人知。很多人并不了解太阳能热发电项目，这其中不乏能源界专家与官员。太阳能热发电在国外已经有近20年商业运行经验，但在国内尚属空白。目前，风力发电、光伏发电都已经形成了较大的规模，其发展上已经几乎尘埃落定，在太阳能利用方面，国内至今还没有一个成功的太阳能热发电示范项目运行。但是，一个是2009年7月24日，中国科技部部长万钢在《人民日报》发表了题为《五项新能源技术特别值得关注》的报告，报告中提到五项值得特别关注的新能源技术，其中将太阳能热发电技术列在首位；第二个是2009年 7月，以德国企业为主的12家大型公司在德国慕尼黑签署备忘录，计划投资4000亿欧元，在撒哈拉沙漠建设世界最大的太阳能热发电项目（2亿千瓦）。该计划将于2020年实行并网发电。届时将通过新型高压电网从撒哈拉沙漠向欧洲输送电力，从而满足欧洲15％的电力需求。

+ \0 g% t" K- B' H# Q4 }　　从各方来看，太阳能热发电正在受到国内、外前所未有的重视。太阳能热发电必将迎来快速发展阶段。
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; G2 R$ \' ~" [　　《中国新能源》：对于太阳能热发电系统，王总认为是哪个最具有商业操作性？并说其原因？

　　王总：对于我国而言，槽式系统目前最为推崇。但是我国目前的抛物线曲面反射镜还没有量产的能力。国内有的企业开始引进曲面反射镜生产设备，投资额度超过千万美元。最快也要一年以后才能批量生产。槽式热发电的集热管目前国内还没有能够在400℃以上稳定工作的正式产品。

　　我们的一个研发小组也在尝试，我们虽然解决了熔封工艺和金属管表面减反射镀膜650℃稳定性，但是减反射膜的生产工艺还不稳定。

　　碟式热发电系统关键问题在热机上，国内还没有任何可以公开的样品。我的个人实验室在考虑碟式系统摆脱斯特林热机，目前这只是个想法。并制作了一台简单的微型直热汽轮机。虽然汽动力下已经能运转了，但只是完成了一半。还有大量工作要做，实验室条件还不具备。

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& T! h9 y* |0 _8 U- t王成伟实验室--加工的涡轮
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; j+ N0 I3 F$ c5 X  x9 K　　塔式热发电是我们的主要研究方向。最终的成本和效率都会高于槽式系统。我个人认为塔式热发电才是未来能源必然之路。

/ [' q4 E( D# B( I4 G* z5 u　　《中国新能源》：如何看待国内外的太阳能塔式发电系统？

　　王总：随着新能源被重视和全球性的太阳能投资热潮涌动，太阳能聚光热发电CSP慢慢的浮出水面。槽式线聚焦系统，碟式点聚焦系统，菲涅尔线聚焦系统和塔式固定目标聚焦系统都展示了各自的优点。国际上塔式系统在美国Solar Two 之后又出现了西班牙的PS10和PS20，2008年美国又一个新建项目esolar开始建设。但是现阶段的塔式热发电技术仍然还没有成熟，每一个系统都在不断的改变设计，采用新的设计方案。还没有一个被公认的最佳方案。
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　　《中国新能源》：介绍一下王总在塔式热发电研究上的成果。

: O7 K, @/ m1 e, Z　　王总：我们早在2005年就将目标制定在塔式热发电研究上，2007年在北京注册公司，并在2008年8月建造塔式测试系统，到现在运行一年。取得了大量的研究成果，十几种反射镜方案的测试，传感器跟踪的历史性突破，定日镜结构优化的多种方案设计。经重复论证和长期测试，进一步的优化设计。放弃了追求大型化高塔设计，简化定日镜结构设计。使定日镜成本降低的同时简化了施工建设流程。对后期系统运行和运行维护的成本降低有更完善的思考。
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　　在与国际同行的交流过程中，采用GPS定位跟踪和PLC控制数据库管理优化跟踪是主流。都认为传感器跟踪是不可行的。各家公司也在传感器跟踪上都作了大量实验，都以失败告终。但是不可否认的事实是采用传感器跟踪的成本最低。我们坚持不懈的研究解决传感器跟踪的技术关键，一次又一次的突破技术瓶颈。长达五年的研发和无数次的测试。最终解决了传感器跟踪的技术难题。跟踪精度高于GPS跟踪，更重要的是跟踪稳定性和可靠性有了保证。
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! r& K, x: i+ x: R! K  }　　我们有勇气说我们的跟踪技术优于国际同行，制造成本上有绝对优势。
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　　《中国新能源》：介绍一下王总 塔式热发电的设计思想？

　　王总：一. 聚光式太阳能热发电首先要解决聚光效率低的问题。提高聚光效率。跟踪技术就成为塔式热发电系统的关键核心。
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　　我们采用的是“相差放大”型的传感器结构，此传感器已经获得国家发明专利授权。已经申请多个国家的专利。在国际PCT检索报告中检索结果非常理想，属于原创性发明。在此传感器基础上我们采用嵌入式微处理器对传感器数据进行分析。并构建了双环路思想，即开环和闭环自动切换功能。即好于开环的GPS及PLC的固定跟踪，又好于传统传感器闭环控制。采用GPS和PLC都是开环控制的跟踪技术，其缺点是精度不足。传统传感器的精度高，但是可靠性不好，容易受环境干扰。我们的闭环控制跟踪精度已经达到0.005度。

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　　二. 利用优化设计降低成本。
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) B' K# N# n! Q' C　　降低成本包括，制造成本和施工成本两部分。定日镜的大型化在电厂建设施工时安装成本高，要求施工设备大型化和重型化。我们考虑的是分解定日镜，适合安装人员操作，比如反射镜小型化，考虑施工人员所能负担的重量。工厂批量化制造流程也会降低成本。小尺寸反射镜平整度更好，能降低聚光的光斑变形率。
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8 N) ?" E0 c: r7 U/ X8 n4 ~/ d　　机械传动机构的简化降低了驱动机构的成本，过去的定日镜设计追求大型化是为了分担机械部分的成本，但是系统成本却被抬高。我们简化传动机构设计，使单位定日镜面积的制造成本降到更低。多片镜小型化的设计使抗风稳定性更好。
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! V/ {  i  o. {" r+ E: ]9 _5 s　　三.  降低定日镜驱动的能耗。
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　　定日镜独立，每一台定日镜都是一个的独立的跟踪机器人，定日镜本身配备20W光伏供电系统。取消了镜场的中央控制系统，这直接减少了系统的成本。到目前为止很多人都在怀疑这么低的能耗怎么实现的。那我就先留个悬念，将来给大家一个惊喜。
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　　四. 反射镜对塔式系统成本的影响

+ L4 ?2 v6 L4 ~4 Z/ C7 p　　跟踪精度的提高又减小了塔上接收器的接收面积，塔的负重减轻进一步降低塔的建造成本，焦点能量密度高，散热面积减小，散热损失也减小。

　　塔式系统综合效率分析：
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　　按照我公司新开发并取得试验成功的屏式接收器为分析依据。日照条件按照1000w/m2 聚光面积70平方米，聚光倍数250。屏式接收器实际接收效率为74.48%。依此我们做个推算，兆瓦级的接收器的效率会提高到90%以上。

8 b) V- _: [1 g- {, z. ~　　定日镜成本生产造价780元/m 2 。如果年产量百兆瓦规模以上，专业化的工厂生产，成本还可以降低。发电成本低到可以在没有政府补贴的条件下实现盈利。

　　《中国新能源》：在新能源发电领域方面，包括风力发电，光伏发电，太阳能热发电等，从长远来看，哪种是最适合最有可能发展的可再生能源发电方式？

　　王总：风力发电虽然基建周期短、投资少，但其能源输出不稳定性和风力不可控性，目前的发电成本仍然偏高。光伏发电是国内两高为代价，输出给外国的清洁能源。在中国光伏不是清洁能源，这是公认的。我这么讲对光伏行业没有恶意，我想提醒光伏行业冷静上马。光热发电替代光伏发电是太阳能领域不可抗拒的必然。我们只是加速了这一进程。即使我不做，欧美已经开始快速转向了。看看欧美地区2010年以后的新能源规划中的光热--光伏的比例吧。
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　　尽管太阳能热发电在中国刚刚起步，发展也落后国外十几年，但可以预见，太阳能热发电产业要真正发展起来非中国莫属。而且只有中国，才能把制造业低成本的优势发挥到极致，这些都是太阳能热发电大发展的必要条件。一个产业的崛起，首先是成本的降低。适用于太阳能热发电的土地成本的廉价性将直接降低这个产业的生产成本。在中国，内蒙古、甘肃等沙漠地带的土地，为太阳能热发电的推行提供了很好的发展空间。所以，太阳能热发电在中国是最有可能发展起来的。
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" @. b: [) t* u4 ]' a' }. H　　《中国新能源》：太阳能热发电与风能、光伏发电相比较，哪个最可能是未来主导新能源发电发展的方向？

8 O- {8 t0 U- q  V# e$ |　　王总：从目前的发展情况来看，风电发展最为迅速，成为可再生能源发展的主力军。太阳能却因为发电成本高的制约难以推广。目前国内太阳能发电成本在2~3元左右。有可能在未来的几年中，光伏发电在生产生本的降低，发电成本可能达到1元/度。但火力发电上网电价仅有区区几毛，要想与传统能源发电抗衡，难度可想而知。

　　另外，还有一个制约风能和太阳能发展的问题就是储能技术难以解决。

　　风电、光伏的储存从来都是其并网的最大障碍。电能的储存做到几十、几百千瓦还可以达到，很难想象可以做到大规模的。否则，其储电成本将会极高，寿命也不会很长。
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　　但太阳能热发电的储能的解决是其最大优势。太阳能光热发电却已经拥有很成熟的储能技术解决方案。因为太阳能热发电不是储存电，而是储存热能。采用储热技术可以实现大规模太阳能热发电站的储能问题。如西班牙的一个5万千瓦槽式太阳能热发电站，只用了两个高14米、直径达35米长的罐子储存了近3万吨熔盐，就可以保证温度达到500度以上，而500度的温度就非常容易转化为电能。西班牙、美国等在建的太阳能热电站中相当一部分均采用熔盐进行蓄热。根据国外的研究表明，采用蓄热技术后不仅可以使电站为电网输送稳定的高品质电能，而且能够显著降低单位发电量成本。任何发电方式成本都应该分发电设备成本与储能设备成本。所以光热发电与其他方式对比后，太阳能热发电成本与效率更具发展优势，也可以说是未来太阳能热发电有望赶超其他能源方式的最大优势。
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+ u( k, @7 Q0 D; o% p+ F4 v( X　　随着投产规模的增加，太阳能热发电成本将得到快速降低，在成本上和传统能源平起坐，几乎达到几毛一度电。在太阳能利用方式上，太阳能热发电将与光伏发电短时间内并行发展，并将在中国迎来一个飞速发展期。在未来的几里年，太阳能热发电发展整个行业即可实现质的飞跃。并及有可能在中国新能源产业里发生一个戏剧性的转变，这个转变有可能很残酷。

　　《中国新能源》：有人说你将会成为未来光伏发电的“终结者”，并洗牌整个新能源发电行业。对于这个说法，谈谈王总对国内光伏产业的看法？
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. X7 L& `1 W+ O) ~$ w　　王总：人类的聪明使自己走上了错误的能源利用道路。造物主给了人类充足的能源。本来可以很简单的获得免费的永远用不完的能源。人类却走入了“燃烧”取能的误区里。我只是做了100年前人类就应该做的事情。我预计太阳能光热发电用7-8年左右的时间就能收回一次性投资，未来人类可以永远免费使用能源了。我们用了6年多的时间研究，解决核心技术问题用的精力并不是全部，大量的精力是在降低系统未来维护的成本上。运行维护的成本越低，未来免费的能源就获得的越多。
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　　我认为光伏发电不是谁要终结它。而是他原本就不应该大规模应用，它有它的特点和优势，但是它绝对不应该是人类的主要能源。一旦太阳能热发电兴起，兆瓦以上的光伏系统就无立足之地了。千瓦以上的小系统碟式热发电又将夺走这一空间。那光伏发电还能有多大的市场哪？

& D8 u9 \# F* J" }! B) G　　目前对于太阳能热发电，在国内已根本不存在技术上的瓶颈，问题是国内对中小企业和民营企业科技研发不够重视，有成果也不能被发现，支持不够。
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4 k# L* G. s& q" Q　　结束：目前，我国对风电上网实行了风电标杆电价，光伏也有着大手笔的“金太阳”补贴，而据了解，尽管同属太阳能利用，但太阳能热发电并不在“金太阳”补贴范围之内，这成为我国发展这个项目的最大障碍。“收购性的补贴对于这个行业还是杯水车薪，必须要有更大的资金投入，才能加快这个行业的发展。由于太阳能热发电核心技术是成熟的，中国的太阳能热发电正在往前追。在太阳能利用发电领域上，热发电是否带动整个国内太阳能市场结构的大改变！“拥硅者为王”是否已成为历史！谁将掘起太阳能热发电第一桶金！相信敏感的、聪明的企业家或投资商已有答案。太阳能利用技术和产业已由技术开拓期步入蓬勃发展时代。可以展望，在不久的将来，太阳能发电成本有及可能降低到与常规电价相竞争的水平，一个大规模利用太阳能的新时代——太阳能热发电时代正在来临。(来源中国新能源杂志)

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看起来技术起飞与生活改变的时代来临了