我国光热发电产业正冉冉升起
原创 刘林桐
小时候你肯定这样玩过，在天气很好的时候，拿着一个放大镜，然后地上放一张纸，这时太阳光会透过放大镜，很快就把下面的纸烧起来，原理其实很简单，但是如果现在有一万多面镜子，会发生什么呢？
这就要说到在青海德令哈的高原上的一座全是镜子组成的发电站，它的全名叫做50MW熔盐塔式光热电站。
熔盐塔式光热电站中的熔盐和我们生活中见到的盐不一样，它是液态的盐，是一种可以高温传热蓄热的介质，用这种盐来储存热能，进而用来发电，成本是非常低的。塔式是因为它中间有集热塔。
这个发电机的工作过程是这样的。首先在集热塔周围布置一定数量的镜子，他的专业名词叫做定日镜，集热塔作为吸热器的存在基础，定日镜作为太阳能接收者。然后定日镜将太阳光反射到集热塔顶的吸热器上，液态熔盐流进吸热器的管道并吸收热量，用这些携带热量的熔盐，通过蒸汽发生系统与水作热交换，产生高温高压的蒸汽，进而推动汽轮发电机组发电。其实很多发电系统最后一环都是烧开水、核能、火电、地热，他们最后都是通过蒸汽来推动汽轮机发电。
能源的开发利用与人民的生产生活休戚相关，从最初的薪柴到后来的煤炭、石油、天然气等化石能源，再到现在的水能、风能、太阳能等清洁能源的使用，每一次能源结构的改变都引起生产力的飞跃和人类文明的进步。
今年全国两会，“碳达峰”“碳中和”备受关注。为应对气候变化，我国提出“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”等庄严的目标承诺。习近平总书记于2021年3月指出，要构建清洁低碳安全高效的能源体系，控制化石能源总量，着力提高利用效率，实施可再生能源替代行动。
太阳能是世界上资源量最大、分布最为广泛的清洁能源，光热发电由于其具有低碳清洁、自带储能、电网友好等优势，逐渐成为了不可或缺的新能源发电形式。位于甘肃省敦煌市的首航高科敦煌100MW熔盐塔式光热电站，是目前中国建成规模最大的熔盐塔式光热电站。
第二十二届北京青年学术演讲比赛选手，华北电力大学的刘林桐（北京电机工程学会推荐）与团队几乎考察了所有的国家光热示范项目，在祖国的西部地区跋山涉水，其中最远的一程，是新疆哈密。
团队了解到电站运行的实际情况，并依托国家重点研发计划——太阳能高温热发电站关键技术标准研究，就定日镜场的布置优化问题进行了深入的研究。定日镜场是塔式太阳能光热电站的重要组成部分，约有40％的能量损失发生在镜场系统，占据50％左右的系统投资。随着光热技术的发展，电站规模逐渐增大，而大规模的电站容量、大面积的定日镜以及大型的镜场将导致镜场效率有所下降，因此需要对镜场布置方式进行充分优化。
根据定日镜场能量转换的特点，首先是计算定日镜场不同时刻的效率分布，由图1、2、3、4可以看出，定日镜场效率较高的区域随着太阳的位置变化而变化；由上图可以发现，全天平均效率较高的区域与为吸热器贡献较高太阳能的区域有差别，主要是因为全天太阳能辐射强度的变化；然后我们观察计算距离集热塔半径为250m、500m、750m、1000m处的定日镜在不同时刻的效率值分布；并选择距离集热塔半径为500m处圆周上定日镜的效率分布曲线来进行分析，可以看出它的形状近似于函数的形状，现用该函数拟合定日镜的效率，平均误差为1.96%。
通过特定的典型函数生成规律的定日镜效率的方法，对镜场效率进行计算分析，然后在同样距离的不同时刻对前面拟合的函数进行验证。平均误差较小，拟合的函数可用。通过以上分析，我们就掌握了定日镜场布置和优化的一般规律，作为后续系统优化的基础。
第一代太阳能电池是硅的时代，它的发明为人们开启了利用光能发电的大门，是目前使用最广泛的太阳能电池。但硅并不是理想的吸光层材料，它是一种间接带隙半导体，不能以最小的光能激发吸光层材料产生电流，这极大限制了它的光电转换效率。第二代薄膜太阳能电池采用了更为理想的直接带隙半导体作为吸光材料替代硅，如砷化镓、碲化镉、铜铟镓锡等。但这两代太阳能电池由于对材料的纯度要求较高，其制备成本高昂。直到钙钛矿太阳能电池的出现，才打破了前两者的局限，兼具高效率和低成本制备的优势，成为最具潜力的新一代太阳能电池。至此，钙钛矿时代到来了！它非常年轻又极具活力，自2009年发明至今，仅用了十余年的时间，效率就从3%提升至25.5%，可与发明了近70年的硅太阳能电池相匹敌，所以说它是“乘着火箭”发展起来的也不为过。
随着政策的完善和技术的进步，我国的光热产业正如一轮初升的旭日，喷薄而起，冉冉向上。据国际能源署预测，中国光热发电市场到2030年装机规模将达到29GW，2040年至88GW，2050年达到118GW。根据此计划，2030年光热发电市场规模约为8000亿元，2050年可达到33000亿元的巨大规模。预计2030年光热发电量可达900亿kWh，可节约3600万吨标准煤，节省3.6亿吨水，减少9000万吨CO2排放，相当于植树造林十三万亩，相当于替换火电站约1500个。太阳能光热发电站节能减排效果显著。
作为新时代的科研人员，理应继承老一代光热人赤心报国、勤奋求知的传统，发扬勇于探索、不断创新的精神，以爱国之志铺就新能源发展之路。
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