硬核科普｜太陽能熱發電技術的局限性

全文2186字，閱讀大約需要4分鐘

未經許可嚴禁以任何形式轉載

南方能源觀察

歡迎投稿，投稿郵箱：

[e-mail]

陳愚

太陽能熱發電技術有兩種類型：1. 工質溫升小的太陽能熱氣流技術和太陽池技術，溫升小導致發電效率極低；2.溫升相對較大的聚光熱發電技術，是由三個成熟技術環節串聯而成的，成本下降難度大、效率提升潛力小，未來發展空間有限。

01. 太陽能低溫熱發電技術

根據卡諾定理，熱機將熱能轉化為機械能的理想熱效率=工質和環境的溫差/工質溫度（開氏溫度），低溫熱發電技術的溫差小(20-50℃)，環境溫度按20℃(293K)考慮，理論熱機效率ƞmax=6.8%-14.6%。實際發電效率是考慮損耗之後熱機實際效率×發電機效率，要打個大折扣。熱氣流發電技術溫升僅20-30℃，建設和杜拜塔等高的數百米的熱氣流煙囪，換來的是約2%的熱發電效率。低品位熱源（和環境相比溫升小）更適合直接熱利用，如強行轉化為高品位的電能，熱效率、發電效率太低。詳細測算可閱葛新石《太陽煙囪發電系統及其固有的熱力學不完善性分析》。

低溫熱發電技術包含熱氣流技術、太陽池技術，兩種技術的溫升均較小：熱氣流技術可將空氣升溫20-30℃，太陽池技術可將液體工質升溫50℃左右。

海洋溫差發電也是溫差很小的熱發電方式。

02. 成熟技術集合而成的聚光熱發電技術

同為太陽能發電技術，聚光熱發電技術的造價和發電效率需對標光伏。

圖3 槽式聚光熱發電

圖4 塔式聚光熱發電

（一）新興技術和成熟技術的差別

光伏是新興技術，隨著技術進步和規模化效應，發電效率迅速提高，單位造價迅速下降。

和新興技術不同，成熟技術的效率提升、成本降低的潛力有限。聚光熱發電技術，有槽式、塔式、蝶式等細分技術，均由聚光（鏡面反射並聚焦陽光）、集熱（加熱工質）、熱發電（熱能→機械能→電能）三個環節串聯構成，是成熟技術的集成利用；成本是三個環節相加，難以下降；效率是三個環節的效率相乘，難以提高。尤其是熱發電環節，是極度成熟的技術，降造價和提效率的空間很小。

（二）聚光熱發電效率是三個環節相乘

近年光伏技術效率迅速提高。量產高效組件轉換效率單晶、多晶、薄膜已分別突破20%、18%和17%；電站系統轉化效率約83%。以採用單晶矽的光伏電站為例，標準工況下，約16%的太陽輻射可轉化為電能。

以簡單循環發電的氣電為例，發電效率效率是燃燒室效率（95%-99%）、熱機效率、發電機效率（98%）三個環節效率的乘積。5萬KW級的火電機組，煤電發電效率約30%（塔式工質工作溫度接近煤電），氣電約30%-35%（蝶式工質溫度接近氣電）。

聚光熱發電的效率是聚光、集熱、熱發電三個環節的效率相乘。聚光、集熱的效率各按80%估算；塔式工質溫度（500℃-900℃），低於氣電（＞1000℃），熱發電熱效率可根據5萬千瓦級的煤電、氣電熱機效率和發電效率估算，約30%-35%，據此估算塔式光熱的峰值效率約19.2%-22.4%；運行的塔式電站的年平均效率約14-16%，略低於單晶電站效率。槽式工質工作溫度（400℃）低於塔式，集熱效率也低，發電效率低於塔式，詳見後文。

（三）聚光熱發電成本是三個環節的疊加

2010年，光伏組件售價14元/瓦左右，光伏電站的單位造價為2萬/KW。2020年，光伏組件售價快速降低到1.6-2.2元/瓦，目前西北地面光伏電站造價已逼近4000元/KW，逼近火電造價。光伏的還處在成本下降通道上，預計未來造價會繼續降低。

聚光熱發電技術由聚光、集熱、熱發電三個環節組成，其中，聚光、集熱兩個環節負責匯集加熱後的工質，作用相當於煤電的鍋爐、氣電的燃燒室、核電的堆芯；熱發電環節和煤電、氣電、核電一樣，用熱機（蒸汽輪機、燃氣輪機）將工質的熱能轉化為機械能，發電機再將機械能轉化為電能。

煤電和氣電是成熟技術，造價下降空間有限；5萬千瓦的煤電機組造價約3500元/KW，10萬千瓦以下的6F輕型燃機造價約3000-3800元/KW。

聚光熱發電中的槽式造價約2萬元/KW，塔式和蝶式2-4萬元/KW；青海近期投產的魯能塔式光熱和擬建的金釩格爾木熔鹽槽式光熱，造價約3萬/KW。聚光、集熱兩個環節的造價，能逼近煤電廠的鍋爐麼？即便可以，如果未來光伏的造價降到了和火電的熱發電部分相當，聚光熱發電技術能把聚光和集熱的造價降為零麼？

（四）槽式發電效率低於塔式

根據卡諾定理，為了提高熱機效率，需要提高工質溫度；根據傳熱學原理，工質和環境溫差增大，熱梯度增大，熱損失加大，集熱效率下降。工程是妥協，在相互矛盾的兩條曲線中尋找最優的結合點。

槽式的聚光方式是線聚焦，將一個曲面的陽光聚焦在集熱管上，和塔式的點聚焦相比：聚焦比低→工質溫升小→熱機效率較低；同時，線聚焦對應的管狀集熱器，單位體積的表面積（S/V）遠大於塔式集熱器，集熱效率低。線聚焦是一連串事件的起點。和塔式比，槽式光熱技術的集熱效率和熱機效率雙低，槽式年均發電效率僅11%-14%，低於塔式。

03.

結論

光熱現在和未來的造價均高於光伏。光伏發電單位千瓦造價已經逼近煤電和氣電造價，未來造價會繼續下降，甚至低於火電造價。光熱發電用聚光、集熱組件替代火電的鍋爐，聚光集熱設備的造價很難低於鍋爐，因此，光熱造價將高於火電造價。

塔式光熱發電技術現在峰值效率和光伏相當，未來繼續提升效率的難度較大。光伏尚有提升效率的空間。

光熱配上儲熱裝置，可連續發電；光伏配上儲能裝置，也可連續發電。

槽式和塔式光熱適用於集中式電站（熱發電機組需要規模效應），碟式適用於分布式；光伏可用於集中電站和分布式。