第716期【齐悦读—线上共读—透视新科技】《新能源（二）太阳能》
讲座题目：透视新科技——新能源（二）太阳能
主 持 人：胜 春
做客嘉宾：张剑寒，中科院电工所中国延庆光热电站项目参与人。
陈 征，北京交通大学教授。
讲座时间：2025年11月10日～11月16日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——新能源（二）太阳能
讲座内容：
各位好，欢迎收看我们今天的《透视新科技》！我是主持人胜春。太阳每天都会释放出巨大的能量，据研究表明，太阳每照射到地球上一秒钟释放的能量，相当于上百万吨煤燃烧后释放的能量，所以科学界一直在研究如何更好地利用太阳能。今天的节目我们先通过一段短片，来进入我们要探讨的内容。太阳能是一种取之不尽、用之不竭的清洁能源。通过太阳能发电，人们可以减少对化石燃料发电的依赖，有效避免能源危机或燃料市场不稳定而造成的冲击。然而因日出日落，太阳能发电站的能量输送极不稳定，给电网的安全运行带来了巨大的隐患。近年来，在中国广袤的西北地区，一座座新型的太阳能发电站拔地而起。壮观的镜子群吸引着游客驻足游览的同时，也将电能源源不断地输送给万千用户。这么一大片镜子是如何发电的？太阳能发电站又将给人们的生活，带来怎样的变化呢？介绍一下我们今天请来的两位嘉宾，这位是中科院电工所中国延庆光热电站项目的参与人张剑寒，另外一位是北京交通大学的陈征老师。为什么研究利用太阳能？
我们先和燃煤电站来比较一下，太阳能是可再生能源，燃煤我们一烧煤我们就想象得到，二氧化碳是温室气体，硫化物、氮氧化物会造成酸雨，粉尘是PM2.5的重要来源，这样我们就知道了，我们建一个燃煤电站就会产生大量污染的排放，那么太阳光没有污染，我们建议太阳能发电站能节省标准煤，二氧化碳减排，减少硫化物的排放，减少氮氧化物的排放，这个巨大的环境效益就很高。太阳能来自太阳内部核聚变释放出来的巨大能量，太阳照射到地球的能量仅占太阳总辐射能量的二十二亿分之一，却相当于目前全世界一年内能源总消耗量的3.5万倍。如果能将随处可得的太阳能收集起来变成电能，那么人类将不用再依赖煤炭、燃油等化石燃料，从而解决温室效应、环境污染等一系列问题。20世纪50年代，美国贝尔实验室制造出了第一个实用的单晶硅光伏电池，实现了太阳能发电。中国在20世纪60年代开始光伏技术的研究，历经半个多世纪的科研攻关和技术推广，越来越多的光伏发电板出现在神州大地上。截至2020年底，中国的光伏装机容量较2005年增加了3000多倍，新增装机量连续八年居全球首位。随着技术进步，光电转化效率的提高，从西部沙漠到江南水乡，这种来自太阳的清洁能源正在为越来越多家庭提供电力。然而，多年的推广和应用，光伏太阳能发电在电网中的比例仍然很低，中国人每用电10千瓦时，仅有0.3千瓦时来自太阳能，要实现太阳能的大规模发电，科研人员仍在不断地探索各种创新方案。
既然我们已经有了光伏发电，那就是从太阳能直接转成电能，为什么还要研究这种光热发电？光伏发电是由光直接到电这样一个过程，我们知道光是不能存储的。储电的成本又很高，这个时候有太阳光，光伏就能发电，没太阳光，光伏就发不了电。太阳光好的时候发电多，那阴天下雨的时候，电就没有了。这就是光伏本身它的一个局限性，就是有光的时候它发电，没光的时候就没有，太阳光照到光伏板上以后，然后直接产生电流，这不能存储的这个过程，实际上是对于我们这种可再生能源，制约它发展的一个很重要的一个技术性因素。太阳能光热电站，并不把这里边所有的能量一次性地都发电，我把一部分存起来，这有点像什么？像我们上大学的时候，我们很多人是月光族，就是每个月一到月初的时候，父母把生活费寄来了，十天之内挥霍一空，这就是有太阳的时候。然后等到后半个月，没太阳了。您这叫光伏消费模式？那么现在这个光热发电，它采取的策略就是我今天比如说我收到了一千块钱生活费，我把五百块钱存下来，然后我先用这五百块钱去维持我的生活。到没太阳的时候，我还有五百块钱的储蓄，这样就能保证我整个这个月，不至于月初大鱼大肉，月末就干啃馒头。
过去大家熟知的是光伏发电，您这个光热发电跟光伏发电比较起来区别是什么？主要区别是能量的转换过程不一样，光伏发电是由光能直接转变成电能，那么我们就是太阳光照到光伏板上以后，然后直接产生电流，那么我们光热发电实际上是由先把光能转化成热能，再从热能转变成电能这样的一个过程。我们可以看到这座电站就是中国首座太阳能热发电站，我是项目参与者，左边是由多台定日镜组成的定日镜厂，中间是一个118米高的塔，右边是由各种厂房和构件组成，左、中、右三个部分合起来就是我们的光热电站，它有一个正式名字叫熔盐塔式太阳能热发电站。那我们这个电站的规模比较小，所以我们只做了一个扇形布置，这样就可以了。敦煌那个电站规模比较大，所以我们从上面看，它是一个环形的布置，那么我们太阳能热发电和光伏发电都是依靠太阳能，来进行发电的一种技术。光热发电站如何利用超级大镜子进行发电？我们要用太阳光发电，这个时候我当然就要把很多的太阳光都利用起来，可是太阳光每平方米上就那么多，我需要把大量的太阳光收集起来的时候，我就需要铺到处都是镜子。这个超级镜子是拿来聚光，然后利用太阳光的热去驱动发电的。
3000多年前的西周时期，中国人就发现了可以用凹面铜镜来聚集阳光、点燃艾绒、取得火种即“阳燧取火”技术。在西方则记载着2200多年前，古希腊物理学家阿基米德利用镜子聚集太阳能烧毁罗马舰队的传说。受古人的启发，人们设计出一面面超级镜子，围绕着高塔排列起来，将分散的太阳能聚集起来，转换成足够高的热量来发电，巨大的镜子群成了光热发电站独特的标志。这个超级镜子组成一个列阵，像一个整齐的方阵一样，然后通过这种若干个小镜子，大家相互配合，就像我们全班同学一人拿一个小镜子，然后站在操场上把太阳光反向同一个点。太阳在天上是转来转去的，我们这个镜子就像向日葵一样，要跟着太阳跑，就是说我们这个镜子依据你的时间、地理位置的不同，我要算一下太阳在天空的位置具体在哪里，然后我们还要再计算这个镜子的扭转的角度。这样保证我们所有的镜子都汇聚到一点，然后让这个镜子自动工作，每天早晨起来就跟着太阳走，晚上就归到我们原来的位置上。我们一般家里的镜子，能看清楚自己就行了，没有那么高的要求，但是现在我们是要靠反射太阳光，聚集太阳光的能量，那我就希望尽可能不损失能量，那这个时候对反射率要求就很高。
你认真看玻璃的这个断面的时候，我们日常用那个镜子是绿色的，因为它反射率比较低，我们叫绿玻璃。我们用的镜子，你看断面的时候它是白的，我们叫超白玻璃。它从材料上来讲的话，反射率不一样，我们的反射率93%，再高94%以上，那我们日常用的玻璃镜子，都是百分之八十几的反射率，还有就是我们日常用的镜子是平面镜。我们现在使用的镜子是一个曲面镜，包括球面镜，主要是为了聚光，让光不发散。你看太阳好像只有这么大，但事实上太阳比地球大好多好多，太阳光照在地面上的时候，你以为它是这么平着过来的，其实不是，太阳光照在地面上实际上是以这样一个吸收的锥角照过来的。我如果拿一个平面镜反射，你看这样锥角一反射，发散了，能量不集中了，怎么办？我就得把这个镜子做成一个凹面，像我们曾经在上世纪八九十年代其实还蛮流行的太阳灶，或者太阳能热水器。我们可以想象一下，我们在一平米的这个地面上，太阳从天上照下来，我们管它叫一个太阳，如果我们用镜子反射太阳光以后，和（一个）太阳同样的光强，这时候我们就叫两个太阳，再用镜子反光，还反光到同样的地方，这时候我们就叫三倍太阳。那成千上万面镜子同时反光到一个地方以后，就好像几千或者几万个太阳，同时照到我们这个地方一样，我们这个叫太阳倍数。
我们延庆太阳能热发电站设计的就是400个太阳，如果我们在吸热器上，我们采用这种熔盐吸热器，那我们的温度就达到了五百（摄氏）度以上。如果我们采用空气吸热器，那个温度就达到了一千（摄氏）度以上。当我们要在几百平（方）米，几千平（方）米的这个范围里边收集阳光的时候，然后把这个阳光聚焦在一点，也就是说光热电站的前半部聚焦太阳光。后半段和我们的火电站又很像，就是火电站是用煤烧水，那么我们的太阳能光热电站是用光，聚焦太阳光直接烧水，所以你可以想象就是用一个太阳灶取代了我们的一般火电站的锅炉那一部分，后面是相同的，简单说是这样一个过程。光热发电好在哪里？太阳能热发电是光到热，热再到电这样一个过程，那么我们中间这个热的这个过程，这个优势就是我们把这个热储存起来，它并不会增加我们发电的成本。而且这部分热还可以保证我们24小时不间断地发电，那我们打一个比方，左边我们叫热罐，右边有一个罐子我们叫冷罐。早晨起来的时候，通常我们这个冷罐里头是装满了熔盐的，这个熔岩的温度是290（摄氏）度。我们早晨起来就把冷罐里的冷盐打到吸热塔上，定日镜把太阳光反射到吸热器里边，吸热器里的熔盐就会被加热，加热到560（摄氏）度以上。这个时候我们再把熔盐打到下面来，一个回路直接去发电，另外一个回路就进入到这个热盐的盐罐里，一直到把冷盐罐里的所有冷盐全部转移到热盐罐里，这个过程我们叫充热过程。把这个热储存起来，到了晚上以后，这个时候就没有太阳了，我们就把热盐罐里的热盐抽出来，继续去发电。发电以后，我们这个热盐温度就下降了，这个时候我们的熔盐就回到我们的冷盐罐，这个叫放热过程。我们一天循环一次，充热、放热、充热、放热，这样就保证我们这个电站一天24小时不间断发电。
光热发电站是太阳能转化成电能的另一种形式，太阳能先转化为热能，再转化为电能，其中的热能被存储起来，在有需要的时候随时转化为所需要的电能。一座光热发电站集储能和发电功能于一体，在光照时长和强度不稳定的情况下，也能将太阳能转化为安全稳定的电能输出。2018年，敦煌100兆瓦熔盐塔式光热电站顺利并网发电投入使用，每年稳定输电4亿千瓦时，确保了周边8.7万户家庭的生活用电。我们可以用热能进行发电，是否也可以把多余的热能进行热力供应呢？是可以这样的，所以说我们有几种衍生的技术，一种技术叫太阳能热电联产，就是我们发电以后产生的余热，用来供暖，一举两得。因为你看我们在北方地区，每到冬天的时候，只要一开栓，这个空气质量马上就变差了，这个原因就是我们燃煤取暖造成的。这样的能源多清洁？是的，如果我们在西北地区，这些比较偏远的小城镇旁边建设一座太阳能热发电站，那么我们春夏秋三季可以用来发电，冬天我们既可以用来发电，也可以用来采暖。我们现在就是我们整个那个实验园区在冬天的采暖，我们都是用我们太阳能热发电收集来的热能进行采暖，这样的话园区的电费，冬季采暖的电费那就大大地下降了。而且，我们还和我们园区周围的其他单位也有沟通，我们园区旁边有一个村子，还有一个飞机场，我们正在跟他们联系，在冬天的时候，我们争取把我们收集来的热能提供给他们进行采暖。
我们还有一个技术，就叫太阳能水电联产技术，这个也是用我们的余热来进行海水淡化或者苦咸水淡化。我们可以知道这种海水，我们把它加热到100（摄氏）度以上，这时候水就变成水蒸气，然后再冷凝就变成了淡水。在新疆，如果我们找到一个有咸水湖的地区，这样我们在旁边建一个光热电站，我们就可以把旁边的咸水湖里的咸水，通过水电联产的方式产生淡水，这个淡水我们就可以用来种植大棚里的蔬菜，比如说西红柿、黄瓜、各种蔬菜和花卉，带来一个环境的效益。如果以后这个技术发展到更高阶段以后，那实际上我们就可以把咸水湖周围的水全部变成淡水，我们咸水湖周围就变成了一个沙漠中的绿洲。这个技术未来我觉得还可能，比如说为我们“一带一路”做一些贡献，因为中东地区有海、有沙漠、有太阳，特别适合这个技术。我们还有一种技术叫光媒互补技术，就是我们把收集来的太阳的热能直接接入我们燃煤电站的发电系统回路里，这样的话我们就给燃煤电站作为一个补充，降低燃煤的消耗。这样还有一个好处，就是提高我们太阳能资源的利用率，比如说我们有太阳的时候少烧煤，太阳不好的时候多烧煤，我们这个太阳能资源就一点都不会浪费。
光热发电的建设对于地域性的要求很高吗？地域性要求还是蛮高的，它主要有以下几个方面，第一个是太阳光资源，太阳能光热电站，那一定要求太阳光比较好。那影响太阳光的因素有以下几个方面，一个是地理位置，那纬度越低我们这个太阳就总在头顶上转，这是第一个。第二个就是大气的质量，如果我们这个大气质量很好，这个光资源照进来就会很好。第三个就是云层，少云、少雨、地面平坦，那比如说青藏高原，又比如说我们的敦煌地区，敦煌的地区那个地方是干旱、少雨、太阳好。那我们江南地区那就不行了，那总是阴天下雨。第二个实际上就是土地成本，因为我们这个电站，每建一个电站都是按平方公里来计算的，那你建成这一个电站，这个区域里头就不会再有工厂或者其他民用建筑了。那像我们北京、上海这样的地方，就没法建这种电站，我们只能选择这种西北或者青藏高原这样的地区，人烟稀少，土地价格比较便宜。然后第三个，实际上我们太阳能热发电站还是要消耗一定的水资源的。这主要是因为我们那个镜子，因为它会落灰，你一落灰以后，这个太阳光反射的能力就不足了。要不断地洗刷。我们要清洗镜子，另外一个汽轮机它要冷凝，还有补水，这也要消耗一定的水资源。所以我去过这种比如像青藏高原的海西州地区，那个地方有高山雪水融化。它有水，太阳光又特别地好，所以那个地方就特别适合于建设我们太阳能热发电站。
光热发电技术环保、稳定，能与多个领域联用，在最近十年的时间里得到了迅速的发展。2011年，中科院电工所在北京延庆建成中国首座拥有国家自主知识产权的塔式光热电站。2013年，青海德令哈建成中国首座商业化运营的光热电站，标志着光热技术从实验室走向了市场。2018年甘肃敦煌建成中国首座百兆瓦级熔盐塔式光热电站，也是目前亚洲最大光热电站。2021年9月，新疆哈密的塔式熔盐太阳能热发电站正式并网发电，预计每年可提供近两亿千瓦时清洁电量。发展如此迅猛的光热发电技术，还有什么技术瓶颈需要突破？未来又将会有怎样的前景呢？光热发电技术我们国家研究了这么多年，还有哪些瓶颈需要我们去取得新的突破？那么现在我们这种技术发展的一个瓶颈问题，那是实际上主要还是成本电价相对比较高一些。目前来看就是光伏和风电，它们去评价上网这个日期已经越来越近了。那么，我们太阳能热发电生产的这个电力还不行，我们还得需要国家补贴，补贴以后这个电力才能进入市场，才能有一定的竞争力。那么我们现在也是希望通过我们的技术进步，来降低我们太阳能热发电的一个成本的电价。此外，我们还是希望国家也要出台一些相应的政策，大力推进我们这种太阳能热发电发展的各项政策和措施。
给我们预测一下我们这光热发电未来的前景，2014年发布过一个报告《太阳能热发电技术发展路线图》，那么他们就进行预测到2050年，太阳能热发电占全球电力结构装机容量的11%，这个指标也是我们太阳能热发电从业者，一个对未来比较好的憧憬。2016年以来，就是我们国家发布了首批太阳能热发电的示范项目和标杆电价，这样的话我们太阳能热发电这个发展速度就非常地快。那么截至2019年国内的装机（容量）已经达到了550兆瓦，那么在全球来讲，我们这个市场是名列第五。那么我们希望就是在未来的五年内，我们能把这个装机容量追赶到全球第一。可再生能源在中国应用面临的困难是，资源主要分布在西部，消耗主要分布在东部，那么我们建一条“高速公路”，把它运过来不就得了吗？但是可再生能源又有这种一会儿强，一会儿弱，一会儿有，一会儿无的状态，结果是什么？就是我修了一条高速公路，一会儿堵车，一会儿没车，那这就是一个它今天面临的问题。那在这个情况下，大体的趋势应该是这样一个发展方向，就是首先区域联合，我这里有风电，这里有水电，这里有太阳能光伏，这里有太阳能光热，区域（内）这些不同的能源的供应点之间，大家先相互匹配一下，就是我不行的时候你上。那在这个过程中光热发电，因为它这种稳定性可以起到缓冲作用的这个特点，它在光伏、在风电，包括水电这些能源形式之间，给大家起到你多你少，中间我是一个调节能力很强的，我在这里边最终让大家形成一个比较稳定的、比较持续的、比较大量的供应源，然后通过这条高速公路送到东部来。
我觉得未来可再生能源在中国的应用，应该会逐渐走向这个方向。实际上我们现在，如果你要是坐飞机去青海省的话，从天上就能看到地上密密麻麻铺的都是光伏板。已经在逐步建设我们的能源基地，然后再通过我们这个电网的输送，把它输送到我们的东部地区，这个过程实际上是我们国家正在做，那么前面已经提到了，白天有太阳，晚上没太阳，可再生能源基地，它这个电力生产就不稳定，我们太阳能热发电也就有了机会。因为我们要保证它的稳定性，比如说我们可以和光伏合起来组成一个太阳能发电站。那么有太阳的时候，光伏可以发电，没太阳的时候，我们光热可以发电。青海德令哈平均光照3000小时以上，是全国太阳能资源最丰富的地区之一，年太阳总辐射量达到每平方米6618.3到7356.9兆焦，可利用土地近4.2万平方公里。2022年3月，青海德令哈光热储一体化项目正式开工，这个巨大的发电站总装机容量200万千瓦，将实现大规模的光伏、光热、储能协同发电。预计项目建成投产后，年上网电量将达36.5亿千瓦时，协同发展，都能互补的创新形式，将不断促进新能源的发展。在可预见的未来，随着光伏发电和光热发电装机规模不断扩大，成本进一步下降，越来越多的太阳能光伏和太阳能光热并网发电，老百姓将用到更清洁、更安全、更便宜的电能。太阳能作为重要的可再生能源，它的大规模应用也将重塑人类能源的未来。
非常感谢两位来到我们演播室当中，希望我们科学技术不断发展的未来，能让更多的蓝天白云和绿水青山常伴在我们身边，感谢各位收看我们今天的《透视新科技》！我是胜春，咱们下期节目再见。
（通讯员：邓辉）
