让平面的镜子能够聚光，这个事情以前不敢想，但现在确实正在发生 | 王志峰——科学讲坛

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中国太阳能热发电的潜力有大概600多吉瓦，

而目前只有0.5吉瓦，
所以还有1000倍的潜力可以去做。

王志峰 · 中国科学院电工研究所研究员

格致论道第83期 | 2022年6月25日北京

大家好，我是王志峰，来自中国科学院电工所。今天我演讲的主题是《太阳能光热发电》。

就在我们身边的太阳能

太阳能是支撑可持续发展的战略性能源，我们国家2021年能源消费总量是52.4亿吨标准煤，而我国太阳能资源相当于17000亿吨标准煤，这个量是非常大的。

相比我们每天都在吹的风，风能只有合6亿吨标准煤，大约只占了我国所需能源的1/9。还有水能，三峡、刘家峡、龙羊峡这些水电站还有葛洲坝等等一起加起来，相当于3.24亿吨标准煤。这些数据是根据国家发改委《可再生能源中长期发展规划》计算得到的。

这是我们国家太阳能资源的分布图，可以看到青藏高原的太阳能资源是最丰富的。然后有三个台阶往下，一个台阶是直接向北，到了青海、新疆、最后到伊犁，另外一个台阶是往东北方向走，走到了青海、甘肃、宁夏、内蒙，最后到黑龙江的伊宁，还有一个是从青藏高原往东南方向走，到了贵州是最低的。所以由此看出，我们国家大部分地区的太阳能资源都是很丰富的。

在讲听起来好像比较高端的太阳能发电之前，我先讲一下低端一点儿的太阳能集热、采暖。好比我国千家万户都在使用太阳能热水器。

这是西藏仲巴县，这个县城里所有的供热都是由太阳能来提供的。图中左侧黑色的那部分就是太阳能集热器（Solar collector），面积有3.5万平方米，就像我们平常用到的热水器那样，能够把太阳能变成热能。它收集了热以后，储存在图中那个彩色的罐子里。这个罐子可以24小时发热，供给县城的采暖。这是百分之百的太阳能，完全零碳。

▲ 河北崇礼“低碳奥运专区”：以跨时间尺度的太阳能集热/储热为主，解决崇礼全域建筑采暖

在离北京比较近的地方，比如河北崇礼、内蒙包头都有太阳能采暖的建筑。在2013年，崇礼在申办奥运的前期提出了一个建议，即在崇礼地区建设百分之百可再生能源的奥运专区。5月7号，这个建议得到了国务院的采纳，公布了张家口可再生能源示范区的规划，整个张家口都实现低碳的可再生能源供暖，为2022年冬奥助力。

▲ 为冬奥酒店供热

这是河北涿鹿县的太阳能采暖项目，这个项目目前有1.4万平方米太阳能集热器，包括2900平方米的太阳能定日镜。这个项目从今年（2022年）冬天开始，为5万平方米的酒店供热。很多奥运的记者住在里面，享受着太阳能的采暖。

光伏Vs光热的大比拼

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我们从低温再往高温走，来谈谈光热发电。很多人都会问，光伏跟光热有什么区别？

左边这张图是光伏，右面这张图是光热。从右面这张图能看到，在光热发电方面，所有的镜子会把光聚集在中间那个塔上，这个塔会产生比较高的温度，产生高温的熔盐，然后把熔盐储存起来就可以发电。但是左边的图里就没有热的元素，它完全是通过太阳能的光子在半导体材料里面让电子产生跃迁，然后再来发电。所以它们的差别还是比较大的。

大家还经常会问，光热跟光伏的效率哪个高？实际上，它们对效率定义是不一样的，因此不能进行比较。光伏的效率定义是功率对功率，比如设定有1000瓦的功率，看它能产生多少千瓦的电。而光热不是这样，太阳能是落在一个很大的一个圆形镜场里面的，太阳能的能量等于功率乘以时间，然后与投入能量同样时间段里输出的电量来比，是能量对能量。

另外就是成本。在成本方面，目前光伏发展比较快。我做太阳能热发电是在2009年，当时西班牙光伏发电的电价是46欧分每度电，光热发电的电价只有26欧分，也就是说那时候光热比光伏便宜。但是现在不一样了，目前光伏比光热要便宜，电价只有它的1/3。

但是，光伏在夜间或有云的时候无法发电，而光热由于可以储热，因此可以24小时连续发电。那么大家会说，光伏不能加电池吗？但实际上，电池的成本要比储热发电贵很多。所以光伏加电池的成本就会高于光热加储热发电的成本，这也是光热为什么能发展的原因。

还有选址方面，光伏在很多山地、屋顶都可以发电，而光热就有些限制，它一般得是在比较平缓的地上才行，我们很少见到山地电站或者屋顶的太阳能热发电站。因为它容量越小，汽轮机组的效率越低，它的电价就会越高。因此我们国家电站一般会在内蒙、西北这些地方建造。

在没有水资源的地方，光热电站也会受到约束，因为它要做一些循环，还要洗镜子等等，这些都需要水。而光伏电站仅仅需要一些水清洗光伏电池板表面，在整个循环工艺过程里面并没有对水不可或缺的需求。因此水资源对光热发电有约束，但是这种约束比较小，1兆瓦的电站发一年的电大概需要1500吨左右的水，西部地区的水源也是完全可以供应的。

我们在2009年启动了一个973项目，综合水、平地，太阳能资源这几个因素，发现中国的太阳能热发电可以达到大概600多吉瓦（吉瓦即10亿瓦）的规模，这是相当大的，而目前我国太阳能热发电只有0.5吉瓦，所以还有1000倍的潜力可以去做这件事。

接下来再介绍下太阳能热发电的原理。

▲ 聚光型太阳能热发电技术（Concentrating Solar Power，CSP）原理

上图的中间有两个罐，分别写着高温和低温。这个低温罐的320度左右的盐送到塔上被几十万平米甚至上百万平米的太阳能聚光加热，聚光以后就把300度的盐加热到500度，放到高温热罐里面。

储热罐什么时候发电？在需要发电的时候就可以发电，比如说我可以在电价最高的时候发电。所以为什么太阳能热发电比较贵，但它又能生存呢？就是因为它可以在电价最高的时候去发电，而不是有太阳的时候才发电。有太阳的时候大家都在发电，那电价就会相应的低。

发电是要由热去做功，功等于力乘以距离。高温盐罐在右边的蒸汽发生器里面产生蒸汽，热蒸汽的力驱动汽轮机叶片转动做功发电，这就是光热发电。这一部分实际上跟火电原理是一样的，所以它可以跟火电机组以及光伏、风电进行耦合，这也是热发电现在能发展的一个理由。

从实验电站到大规模应用

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我领导建设的延庆八达岭太阳能热发电实验电站在2012年的9月份建成，2013年的1月份完善。之前所有的电站都要去西班牙、美国去看，这个电站建成以后，我们就可以在中国看到太阳能聚光发电站了。

这个电站在北京冬奥会延庆赛区的海坨山场地上就可以看到，有很多照片登在《时代周刊》上，很有展示性。

大家可以看到，图片中间有一面镜子发着光，再仔细往上看一点会发现镜子上面有一道光束，那个光束是面积1万平米的所有镜子聚在空中的一个点产生的乳白色的光。按理来说，气体是不能产生反射光的，但它由于聚光比太高了，已经有一些光学效应，所以就产生了一个光云。

这个电站最高可以达到多少度呢？我们做第四代太阳能热发电实验时，它甚至可以达到1600度，而达到800度是非常平常的一件事，所以这个聚光效果还是相当厉害的。

这是从另一个角度拍摄的图，大家可以看到塔上有3个口，最下面有1个发白的口，上面有2个黑色的口。我们2012、2013年做的是第一代太阳能热发电站，光就从那个白色的口进去，第一代电站传热介质是水，也就是把水变成蒸汽发电，只有12%的效率。第二代热发电站是用熔盐，光从第二个口进去。

我们现在做的是第四代太阳能热发电站，光是在最上面那个口，离地面有97米高。那个口里是用陶瓷来吸热，然后再去产生超临界二氧化碳来发电，这时候汽轮机的效率就会相当的高。

因为这个塔离冬奥场馆比较近，而且高速还会路过它。所以在北京冬奥期间，我们就在这个塔上做了一个奥运景观标志。白天，太阳能注入到塔里面变成电能，到了夜间，这个塔上的灯带包括上面的五环都在发亮。这个塔是中国政府利用可再生能源的一个标志，我们就把它叫作太阳塔。

北京冬奥结束以后，现在唯一保持奥运五环标志的地方就在这儿。大家去延庆从京礼高速走的话，在八达岭高速跟京礼高速的交叉口那儿可以看到这个塔，有119米高。上面五环每个环将近30吨，总共150吨。这是我们用无人机拍的五环在夜间发光的场景，还是很壮观的。

这是我国敦煌的首航节能100兆瓦电站，它通过170万平方米的太阳能反射镜，把光聚集在塔上。这是第二代热发电，高温可以达到565度，年均效率可以达到16%。

它用的硝酸盐传热，青海的盐资源比较丰富，所以我们用那的盐。另外一个盐比较丰富的地方是在智利的阿塔卡马，那里有一个大的盐湖，也在供全球的使用。当盐加热到565度就可以存储起来，放在塔下的罐子里面。因为这些储存的熔盐，这个电站在阴天和夜间时都可以发电。在德令哈有一个中广核的太阳能热发电站，已经连续发电210天，这对于光伏电站和风电来说是不可想象的。

这是在德林哈另一座中控的电站，当时为了奥运的宣传，我们打出了“一起向未来”的标语。

▲上：摩洛哥努奥二期200兆瓦槽式光热电站

下：摩洛哥努奥三期150兆瓦塔式光热电站

左下角这个电站是目前全球最大的太阳能塔式电站，有150兆瓦。上面那个电站是全球最大的槽式电站。右下角这张图是我本人当时是在控制室里拍的。大家可以看到，在那么大的控制室里面只有几个人。所以它的自动化程度还是很高的。中国的山东电建三公司作为总包参与了电站的建造，所以这也是我们中国人电站建造技术的一个标志。

电站所在的瓦尔扎扎特距离摩洛哥首都卡萨布兰卡只需要乘坐45分钟的飞机，大家如果有机会可以去这儿看看。在看电站的同时，这里还是一个非常著名的旅游地，有很多电影的布景场所，像好莱坞大片《西部牛仔》就在这里拍摄，很有意思。

研发第四代太阳能热发电技术

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第四代太阳能热发电是我作为首席正在领导的一个项目。前面我讲的一些电站，包括我2012年建的电站，在世界上都已经有了，所以我当时接到任务的时候心里还是有底的。但是这个第四代电站，我接到任务以后非常忐忑。在2019年启动的时候，全世界都没有这样的电站。它是用二氧化碳作为发电的工质，用颗粒作为传热的介质来发电。目前在欧盟的地平线2020计划、美国能源部（DOE）的SunShot计划里边都有立项。中国由科技部的国家重点研发计划立项，我们18家单位共同在做这个工作。

这是超临界二氧化碳（sCO2）技术的示意图，图片右侧的压缩机和膨胀机（透平）都是二氧化碳工质在工作。大家都问，为什么要用超临界二氧化碳，为什么不用水蒸气呢？我解释一下，在做功的时候，同样流速下，介质比重越大，动能就越大，做功能力就越强，我们在中学都学过这个道理。超临界二氧化碳的密度高，所以它的做功能力比水蒸气强很多，效率更高，年均效率可以达到30%。因此现在全世界包括煤电领域都在追求这个技术。

▲上：柔性吸热面吸热器

下：固体球流吸热器

要想产生800-1100度高温，用盐不行，因为盐在高温会分解，而且高温的盐还有很强的腐蚀性。所以我们现在用柔性吸热面或者固体球流来吸热。

太热能热发电的未来

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从全球视角来看，我们全球的太阳能热发电有多少？

全球目前大概有6.8吉瓦的太阳能热发电，这些发电站主要分布在美国、欧洲和南非、北非这些地方。截止到2021年，中国有538兆瓦的太阳能热发电，这个数字虽然比较小，但是我们最近在建的电站比较多。目前正在建设的电站大概有1.4吉瓦，也就是1400兆瓦，所以我们到2023年、2024年就会把这个曲线抬得比较高。

为什么中国太阳能热发电突然变得这么多了？这是因为我们在西部建了大量的光伏和风电，在没有太阳或者没有风的时候电网就空了，这个时候用户用什么电呢？所以大家就想到了同样作为可再生能源的热发电。因为它可以储热发电，当光伏和风电没有的时候，它就可以提供电。所以随着光伏和风电的增多，热发电就会增多。

因此我们说，它是伴随着光伏和风电的成长而一起成长的一种电源，都是兄弟，不是竞争的关系。所以国际能源所（IEA）的太阳能发电组织发布了我们联盟2021年的蓝皮书，书中就指出，中国走上了一条新的太阳能热发电发展的道路，这条道路有助于中国的可再生能源体系的建设，也有利于光伏和风电上网。

太阳能热利用未来的技术会是什么样呢？首先它的成本要降低，目前它的成本还是光伏的3倍，太贵了，所以要降低成本。

现在太阳能热发电的成本有60%都在镜子上，为什么这个镜子这么贵呢？因为它要产生弯曲，一个平面的镜子是没法聚光的，而这就需要成本。另外跟踪太阳也需要成本。那我们能不能不弯曲、不跟踪？比如我在手上放一张纸，能让它聚光吗？这个事以前是不敢想的，如果能实现的话，我们的成本会降得很低。

因此在2020年科技部启动了一个项目，通过一种超材料来实现用平面聚光。大家都知道光是一种电磁波，电磁波有频率，但是除了频率以外，电磁波还有相位。用这个平面聚光，就是在这个材料表面做一些折射率的变化来调制它的相位，然后让光发生弯曲。

从这个图中我们可以看到，下面五彩的光下来以后，通过相位的调制，上去就是一个抛物面，这是我们正在做的一件非常神奇的事，但这个神奇的事确实正在发生。

其实这项技术对于单波长来说并不难，但是太阳辐射的波段是很宽的，从300纳米到3000纳米，让这么宽的波段进行相位调制是课题的一个主要的难度。另外太阳还在转，在不同的入射角它也需要调制相位，这是另外一个难度。所以我们10家单位，包括武汉理工大学，复旦大学、科学院电工所、厦门大学，长春光机所等等组成了一个团队，在共同攻克这个难题。