以前，槽式光熱發(fā)電技術的創(chuàng)新點主要集中在槽式集熱器的結(jié)構上。20世紀80年代初，第一個商業(yè)化槽式光熱電站在美國加利福尼亞光資源條件極好的Harper湖和Kramer的交界處建成。該項目所采用的LS 1集熱器基礎模塊的長度只有50米左右，開口寬度小于5米。同時，更大開口的集熱器和更精準的光學追蹤系統(tǒng)逐漸被研發(fā)出來，進一步減少了系統(tǒng)所需要的驅(qū)動裝置數(shù)量，同時使系統(tǒng)所需要的地基設施更少，管道更少，導熱流體用量也相應減少，此外還降低了能源消耗率。目前，在這方面最具創(chuàng)新性的設計是Ultimate Trough槽式集熱器，其優(yōu)化后的開口寬度超過7.5米，長度大約為250米。

圖：本文作者之一，德國CCO Services公司CEO Thomas Thaufelder

而在槽式光熱電站的其他環(huán)節(jié)，我們不得不說在過去10年里沒有發(fā)生哪些重大創(chuàng)新。另一方面，能源行業(yè)普遍抱怨光熱發(fā)電不能滿足人們對其發(fā)電成本降低的預期，尤其是跟風電和光伏發(fā)電相比仍有一定差距。

因此，光熱發(fā)電未來的發(fā)展目標很明確：CSP技術必須要更加高效，其相關組件應該成為大眾化的產(chǎn)品，而不是必須采用量身定制的帶有壟斷特征的解決方案。

那么如何才能提高CSP系統(tǒng)的效率？如何才能使CSP系統(tǒng)的關鍵組件實現(xiàn)大規(guī)模批量化生產(chǎn)呢？

我們認為，后者只能通過為制造商提供足夠市場容量的商業(yè)化行為來解決問題。比如中國政府最近宣布，到2020年中國將完成規(guī)模為10GW的光熱電站裝機，這就可以為產(chǎn)業(yè)鏈各相關方提供充足的市場。許多制造商都有望借此機會，通過實現(xiàn)批量化生產(chǎn)來降低成本。

槽式光熱電站的效率提升意味著：用較少的資源、設備和相關設施可以生產(chǎn)更多的電力?？紤]到光熱電站的發(fā)電原理，我們必須關注技術原理類似的發(fā)電過程：在化石燃料發(fā)電站，提高蒸汽溫度可以有效提高發(fā)電效率。同樣，為了提高槽式光熱電站的效率，我們必須提高系統(tǒng)所有工作流體的運行溫度。

因為有機導熱油的化學穩(wěn)定性有限，我們需要找到運行溫度可以高于400℃的替代工質(zhì)。水可以滿足溫度條件，但是水工質(zhì)的缺陷就是其較低的沸點和較高的系統(tǒng)壓力。另外，以蒸汽為基礎的能源存儲系統(tǒng)離商業(yè)化應用還為時尚早。

目前，能達到高溫且最有前景的解決方案就是使用熔鹽，不僅用作儲熱工質(zhì)，也是主要的導熱流體。從積極的角度來看，導熱工質(zhì)的受熱膨脹問題和系統(tǒng)清潔將不再是問題，同時電站的環(huán)境友好性將大大加強。

另外，較高的運行溫度，以及相對更大的換熱溫度區(qū)間可以大大減少傳熱工質(zhì)的使用量，系統(tǒng)使用的熔鹽總量會非常小。以儲熱罐為例，如果儲存相同的熱量，使用熔鹽的儲罐體積比使用導熱油的儲罐體積可以減少65%以上。使用導熱油的槽式光熱電站設計限制了可以吸收光資源的最高水平。換句話說，從光資源角度來講光場可以按900或者1000W每平米的輻照來設計，但因為介質(zhì)問題只能設計為700或者800W每平米。這樣做主要是出于經(jīng)濟方面的考慮，因為要吸收更多太陽能，必須增大導熱油用量來避免導熱油過熱碳化變質(zhì)。同時，導熱油量增多將導致系統(tǒng)必須采用更多和更大的輔助設備，包括鹽/油換熱器，管道，蒸汽發(fā)生系統(tǒng)及所有與光場相關聯(lián)的高壓裝置。

熔鹽可以在560℃以上穩(wěn)定運行，甚至直接在大氣中曝光也不會改變特性。因此，熔鹽系統(tǒng)無須使用運維成本高昂的氮封系統(tǒng)。

總結(jié)來說，用熔鹽作為主要的傳熱工質(zhì)，具有以下特點：工作溫度更高，可達550℃以上；熱-電轉(zhuǎn)換效率更高；相比導熱油工質(zhì)無毒和不易燃；無須擔心傳熱工質(zhì)膨脹問題，系統(tǒng)運維更加簡單；儲熱容量相同時儲罐體積更?。?/span>無須使用鹽/油換熱器；系統(tǒng)自耗電量更少。

不過，把熔鹽作為傳熱工質(zhì)也要承擔一些風險和挑戰(zhàn)，這些問題需要在工程系統(tǒng)中考慮和解決。

針對光熱電站的特點創(chuàng)建一個合適的性能模型對電站所有利益相關方都是至關重要的：業(yè)主需要針對他們的商業(yè)計劃得出一個可靠的輸出預測報告；EPC承包商需要設備選型和預測相關數(shù)據(jù)；運營商則需要計算出實際運營階段需要達到的額定功率數(shù)據(jù)。

理想狀態(tài)下，性能模型需要通過對比計算機模擬結(jié)果和實際運營數(shù)據(jù)來進行驗證。但由于目前熔鹽槽式光熱電站非常少，所以可用于驗證結(jié)果的電站實操數(shù)據(jù)非常少。這就給建立可靠的性能模型帶來了困難。

目前，全球許多研發(fā)項目都希望找到一種在600℃以上的高溫情況下也能保持穩(wěn)定運行的流體工質(zhì)，同時該工質(zhì)的凝固溫度也很低，可以滿足冬天光熱電站的運行需要。但是到目前為止，這一研究課題還沒有取得突破性進展。目前，我們可以通過配置熱能存儲系統(tǒng)或者備用加熱器來解決防凍難題，在一些試驗設施和工業(yè)應用項目上上述防凍保護管理措施已經(jīng)被證明是可行的。因此，防凍管理技術將成為一項專門的技術，而且在熔鹽槽式光熱電站等應用領域，上述已經(jīng)比較先進的防凍技術還有很大的提升空間。

雖然有上述安全措施作為保障，但熔鹽仍有發(fā)生凝固的可能，這時我們可以利用集膚效應原理，用電來加熱吸收器管道。在其他一些示范性項目中，這一解凍技術已被意大利Priolo Gargallo的ISCC電站證明是可行的，而且不會對設備造成任何損壞。管道電阻抗加熱是可以應用在熔鹽槽式光熱電站的一項專業(yè)技術。

在400℃以上的運營溫度下需要使用不銹鋼或特殊合金鋼。對熔鹽槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)來說，這意味著在高溫情況下，要求相關系統(tǒng)組件的級別更高，自然成本也會更昂貴，質(zhì)量控制也需要更加嚴格。但與導熱油系統(tǒng)相比，熔鹽槽式光熱系統(tǒng)的管道總需求量、傳熱介質(zhì)需求量以及相關支持系統(tǒng)需求量明顯減少，因此使用高合金鋼所帶來的額外成本就得到了一定的補償。

從基本原理來看，熔鹽被選為傳熱介質(zhì)，因為它能實現(xiàn)更高的效率和能源密度。工作溫度可以達到550℃以上，較高的系統(tǒng)溫度使整個系統(tǒng)所需熱工質(zhì)的總量大大減少。例如，采用運行溫度范圍在290℃到550℃的熱工質(zhì)槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)與采用運行溫度范圍在290℃到390℃的熱工質(zhì)（以導熱油為傳熱工質(zhì)的常規(guī)槽式光熱電站）相比，熱工質(zhì)存儲儲罐的體積可以縮小60%左右。

其實從運行工作溫度角度來說，采用熔鹽為傳熱工質(zhì)的光熱系統(tǒng)和采用導熱油為傳熱工質(zhì)的光熱系統(tǒng)在本質(zhì)上是兩種技術思路完全不同的光熱系統(tǒng)。

針對上述不同的光熱發(fā)電設計進行技術優(yōu)化之后便形成了不同規(guī)模的電廠。因為建設一個大規(guī)模存儲系統(tǒng)所帶來的巨大成本，以及在釋放熱量時系統(tǒng)整體凈效率較低，所以采用導熱油做傳熱工質(zhì)的光熱電站所配置的儲熱系統(tǒng)的儲熱時長一般不會超過8小時。反之，采用熔鹽做傳熱工質(zhì)的光熱系統(tǒng)儲熱成本較低，為了盡可能降低發(fā)電成本，根據(jù)地域不同儲熱系統(tǒng)的儲熱時長最高可以達到14個小時以上。這意味著配置長時間儲熱系統(tǒng)的光熱電站可預見性的成為幾周或者幾個月的基礎電力負荷。

集熱器的規(guī)格和聚光比對比

事實上，比較技術是非常復雜的。首先要了解不同技術適合不同的集熱器。因為熔鹽系統(tǒng)的運行溫度更高，顯而易見，它的熱損失也要高得多。因此，一般來說使用熔鹽做傳熱工質(zhì)時系統(tǒng)集熱效率較低。但是，系統(tǒng)工作溫度越高，郎肯循環(huán)的效率更高，因此發(fā)電效率也會更高。

綜合來看，采用熔鹽為傳熱工質(zhì)的系統(tǒng)整體效率會更高。為了使整體效率最大化，收集太陽能的效率應盡可能高，這可以通過提高聚光比來實現(xiàn)。下面用一個試驗來描述，下圖記錄了應用標準的直徑為70毫米的集熱管和其它不同直徑大小的集熱管時，分別采用熔鹽和導熱油時系統(tǒng)運行的不同溫度。導熱油的運行溫度上限一般是390℃左右，而熔鹽的運行溫度上限溫度一般是550℃左右。從圖中可以看出，系統(tǒng)的整體效率（綜合汽輪機效率和集熱器效率）隨著集熱管的直徑增大而增加，并且熔鹽系統(tǒng)比導熱油系統(tǒng)效率增加的更明顯。

圖：不同熔鹽系統(tǒng)和導熱油系統(tǒng)的集熱效率和系統(tǒng)整體效率

在不考慮成本的情況下，熔鹽和導熱油分別作為傳熱工質(zhì)的技術優(yōu)劣性對比相對更容易實現(xiàn)，主要取決于項目方采購和建設光熱系統(tǒng)能力的不同。在這里我們簡單分析一下光熱電站資本最密集的部分——太陽島，包括反射鏡、集熱管和支架等主要裝備。首先我們可以比較已安裝的集熱器每平方米的具體電力輸出指標，這個參數(shù)是明確的。同時最主要的成本指標——每千瓦時的建設成本便得到了比較。我們可以以西藏帕里鎮(zhèn)為例，該地區(qū)可以說是中國光熱發(fā)電領域用于場景分析的“最佳案例”，該地區(qū)的氣象數(shù)據(jù)可以通過NREL SAM電站仿真軟件獲取。

根據(jù)發(fā)電量參數(shù)不同，光熱發(fā)電系統(tǒng)需要配置的儲熱時長也不同，最終導致光場整體規(guī)模也不同。一般來說，在這種光資源較好的地區(qū)，采用熔鹽為傳熱工質(zhì)的光熱系統(tǒng)的整體性能明顯優(yōu)于導熱油。此外，在儲熱系統(tǒng)規(guī)模給定的條件下，很顯然采用導熱油作為傳熱工質(zhì)時儲熱系統(tǒng)的規(guī)模會大很多，這意味著系統(tǒng)整體成本會明顯增加，發(fā)電成本必然會更高。

圖：中國西藏帕里，不同配置條件下熔鹽光熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電參數(shù)

圖：中國西藏帕里，不同配置條件下導熱油光熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電參數(shù)

相較于傳統(tǒng)的槽式導熱油光熱電站而言，槽式熔鹽光熱系統(tǒng)的優(yōu)勢非常明顯：更高的效率、更少的設備、同樣投資電力輸出更高，因此收益率也較高。

至于集熱器結(jié)構，我們建議選用大開口集熱器，因為太陽能集熱效率和系統(tǒng)熱力學效率是和集熱器開口大小成正比的。

總之，采用熔鹽槽式光熱發(fā)電技術，將顯著提高投資者的經(jīng)濟效益。