眾所周知，塔式光熱發電技術始自上世紀50年代，前蘇聯科學家最早建立小型實驗裝置，在碟式聚光裝置的基礎上進行改進，其目的是保留碟式聚光器高聚光比優勢，探索光熱規模化利用或發電的可能性。上世紀80年代又在克里米亞建立5兆瓦實驗裝置。在這一時期，國際上也有很多國家相繼建立了實驗裝置，但至今仍停留在技術探索上，特別是對傳熱介質的選擇很類似核電，多種多樣，眼花繚亂。

例如美國從建立太陽能1號采用水做傳熱和動力工質到太陽能2號采用熔鹽介質時間跨度十余年。而真正具有商業化意義的塔式熱發電實驗項目Gemasolar電站則由歐盟出資建設，于2011年投入運行。在此期間，槽式光熱發電技術逐漸成熟，與槽式熱發電相比，顯然塔式熱發電技術還不能稱之為成熟，至今仍在探索和進步中。但是與槽式熱發電一樣均暴露高投資、高成本，市場競爭力不足的共同問題。

近年來，美國和歐盟都將光熱發電技術的創新放在發展可再生能源的重要地位看待，同時加大政府財政投資支持力度。美國能源部Sunshot太陽能計劃公開了第三代光熱發電發展路線圖并按部就班推進，歐盟公開了2020地平線計劃，其中“Next-CSP”（下一代太陽能熱發電）和SCARABEUS課題著眼于超臨界二氧化碳熱發電技術與固體粒子儲熱傳熱結合，都取得了明顯進展。目前我國也開始了“超臨界CO2太陽能熱發電關鍵基礎問題研究”，并列入國家重點科研計劃。但要實施超臨界二氧化碳太陽能熱發電，就不能不對塔式熱發電技術進行再創新。

塔式光熱發電技術在我國備受推崇，從2005年南京江寧和2006年北京延慶大漢兩個實驗項目算起，目前已經建成和在建的示范項目就多達8、9個，是國際上應用該技術最多的國家。什么原因呢？一句話，“高溫、高工況、高效率”即“三高”最吸引中國專家的眼球。毫無疑問，塔式光熱發電優勢很突出；

1、依托高聚光比，接收器可獲得近千度的高溫；

2、接收、傳熱和儲熱系統構造緊湊，熱損失少，定日鏡跟蹤技術相對成熟；

3、可為超臨界二氧化碳動力設備提供高溫媒介，進一步提高發電效率，遠景可期。

但是，塔式光熱發電還存在一些固有缺陷：

1、點聚焦和長焦距決定紅外熱輻射強度較低，衰減度較大，不僅受制于定日鏡與接收器的距離，更受制于大氣環境的變化，因此電站規模受限；

2、定日鏡穩定度決定聚光焦斑的穩定性和焦斑溫度；

3、接收器暴露在高空，熱發射率和對流損失大，同時受風和環境溫度制約；

4、液體接收器采用組串式布置，需要均衡穩定的聚光焦斑支持，但日照強度隨季節性變動，以及現有的定日鏡穩定技術難以保證；

5、傳熱介質和儲熱介質尚在選擇中，沒有定論；

6、站址選擇不僅受DNI限制，更受限于地理維度、環境溫度。

毋庸質疑，雖然塔式光熱發電技術存在固有缺陷，但仍然是未來光熱發電技術發展的重要選項。現在的任務就是針對固有缺陷進行創新，揚長避短，發揮技術優勢。就像美國NREL在新近撰寫的《Concentrating Solar Power Best Practices Study》一文指出的，目前塔式光熱發電項目投入商業運行的較少，特別是吉瑪索和新月沙丘兩個項目先后出現一些問題，數據未公開，還有待進一步總結提高。

一、推廣無縫隙定日鏡，提高光熱輻射率

塔式光熱發電面臨同槽式熱發電站一樣的初始投資高的問題，如何降低初始投資，關鍵是減少鏡場投資規模。目前定日鏡跟蹤技術相對成熟，但單組定日鏡在面積的選擇上不盡相同，有選擇100多平米的，也有選擇20多平米的，那么究竟多大最好呢？建議以20至50平米為宜。理由是：

1、定日鏡反輻射強度與單個鏡面的面積直接相關，如果將鏡面分割為小鏡面再集合組裝，實際降低了輻射強度，雖然總面積大了，但反射效率并不高。因此，在現有鏡片制造工藝的基礎上，用無縫隙方法組裝單組定日鏡，保證單位面積反射效率最大，同時降低組裝成本。根據定日鏡抗風荷及強度要求，單組定日鏡的面積最好在20至50平米之內選擇。

2、提高定日鏡熱發射率，減少熱吸收率。光熱發電對光的要求與光伏發電截然不同，根據光的頻譜特性，可見光在光熱發電中僅起指示作用，熱含量很低，接收器欲獲得穩定的高溫輻射熱，只能依賴紅外光譜，即波長在750納米到2300納米的不可見光（圖1）。由此可見，光熱發電從定日鏡到接收器，其熱的傳輸模式包括熱輻射和介質傳熱。如果采用固體粒子作為傳熱和儲熱介質，熱傳輸過程基本遵循熱輻射規律。因此，給定日鏡提出的要求就是反輻射強度越高越好，熱吸收率越低越好，這就要求鏡片濺射的銀層和銅層要有較高的熱輻射率和較低的熱吸收率，否則就要增加專門的熱發射涂層。同時定日鏡與接收器的距離和熱效之間也要兼顧，依據接收器輻照強度與定日鏡距離之間的反比關系，鏡場規模不是越大越好，鏡場設計盡可能規避無效投資。

圖1太陽能利用光譜可用范圍

二、選擇固體粒子作為傳熱和儲熱介質

塔式熱發電選擇固體粒子傳熱始于上世紀八十年代，最早由美國桑迪亞實驗室提出，千年后被業界重新提起。

為什么固體粒子做傳熱介質被再次重視？關鍵是熔鹽介質存在的局限性，特別是在應用中暴露出經濟性差、電站寄生損耗大、事故率高是根本原因。采用固體粒子則可以實現以下目標：

1、適應塔式熱發電不穩定的光照輻射焦斑；

2、能應對溫度瞬變沖擊，規避熔鹽介質一怕凝固二怕氣化的風險；

3、可提高工況溫度到600至1000度，以滿足超臨界二氧化碳高效發電之需；

4、固體顆粒不會像熔鹽發生凍結，消除了伴熱成本以及相關的維護和寄生電源損耗：

5、固體顆粒沒有腐蝕性，減少了對傳熱管道和儲熱設備的防護成本。

借鑒桑迪亞塔式固體粒子技術，以及歐盟NEXT-CSP項目選擇橄欖石即鎂硅酸鹽的經驗，建議我國選擇便于流化的粉煤灰或水泥粉末做塔式傳熱和儲熱介質。

粉煤灰系燃煤電廠固體廢棄物，主要組分為：SiO2、Al2O3、FeO、Fe2O3、CaO、TiO2等，目前主要應用在建筑和公路交通基礎設施。粉煤灰原本就是燃煤電廠流化床或煤粉鍋爐的傳熱介質，工況溫度在800至1000度，且粉煤灰球磨后就可以再利用，其粒度可恢復與現有超臨界燃煤發電一樣；粉煤灰同樣適宜作高溫儲熱介質，而且粉煤灰系脫硫產物，對環境友好，成本相比熔鹽更低。（見表1）

歐盟資助協議編號的727762項目，在《作為傳熱流體和儲存材料的懸浮顆粒的評估》報告中對不同的固體粒子性能做了分析，其分數排序為從0(最差)到5或10(最好)。

三、固體粒子接收器的選擇

固體粒子傳熱遵循熱輻射基本理論，嚴格地講，輻射換熱與導熱、對流換熱不同，無需冷熱物體接觸，熱平衡的建立依賴物體間輻射熱的發射和吸收。

固體粒子接收器最早在美國阿爾伯克基市的桑迪亞國家太陽熱測試設施(NSTTF)進行實驗，接收塔高61米，接收器透孔高6.3米，寬1.85米，深1.5米。粒子從透腔上方料斗排出釋放，粒子通過空腔自由下落，在動態中粒子接收聚焦于空腔前方透射的太陽光輻射熱。一般的理解是，熱輻射在靜態中通過被照射物體表面涂敷的高效選擇性吸收涂層以獲得最大熱吸收效果，讓落砂在動態中直接吸收光輻射效果好嗎？2020年9月美國能源部撥付桑迪亞75萬美元，擬與德國DLR合作實驗其設計的轉籠式接收器。

歐盟NEXT-CSP計劃專注于管內微粒技術的研發，并由法國承擔歐盟“CSP2”的固體粒子金屬管道傳熱流體接收器研究,其方案采用的是40只3米長金屬管組成的接收器，其中金屬管的外徑為50.8 mm，每根管之間的間距為14.2 mm，涂敷Pyromark 2500?選擇性吸收涂料，管后設置耐火板，以反射通過管縫隙進入背面耐火板的光輻射，實驗溫度在800至900度，滿足超臨界二氧化碳布雷頓發電機組工況要求。它的設計理念與美國桑迪亞和德國DLR的粒子下落式不同，它通過底部高壓風將流化粒子送入接收器管道，高溫粒子由上部落入儲熱罐，再經流化床鍋爐換熱進入冷罐。

目前技術挑戰和發展的重點是設計一種可以在高溫狀態下具有良好性能和可靠性的固體粒子接收器。美國桑迪亞的固體粒子實驗限于顆粒的自由下落，以及通過窗口吸收光照熱輻射熱能，暴露的問題就是效率低且固體顆粒損失嚴重。由法國承擔的歐盟“CSP2計劃”選擇固體顆粒橄欖石即鎂硅酸鹽金屬管道傳熱流體接收器，除此之外還一并對固體粒子流化床換熱裝置進行了實驗。

根據固體粒子傳熱儲熱特點，建議接收器采用陶瓷材料制作，以模塊方式組裝，模塊外表層涂敷耐高溫的選擇性熱吸收涂料，模塊中心為固體粒子或粉煤灰的熱輻照通道，其溫度和流速由底部閥門控制，粉煤灰在密閉通道通過輻射熱獲得高溫，再通過流化床鍋爐換熱（圖2）。

圖2自主設計塔式光熱發電模塊式陶瓷接收器

四、固體粒子循環流化床換熱

在塔式光熱發電裝置中使用流態化顆粒作為傳熱介質，與傳統的液體傳熱介質相比有許多優點。流態化顆粒可在遠高于1000℃的溫度下保持熱穩定性，并消除傳熱流體的凍結風險。相對于最先進的液體傳熱介質，用于傳熱和儲熱的固體顆粒成本極低，為塔式光熱發電帶來了巨大的成本效益。總之，流態顆粒具有高溫度、高熱動力、低成本優勢。在提高定日鏡光學效率的同時，適當布局塔式太陽能鏡場，可以大幅提高太陽能通量，保證固體粒子輻照溫度達到近千度高溫。循環流化床在我國燃煤電站廣泛使用，技術成熟，經驗豐富，稍加改造即可直接移植塔式光熱發電系統，如果結合粉煤灰固體粒子接收器統一設計，投資成本會大幅降低。

美國NREL和Babcock&Wilcox公司共同提出的可適應多種動力裝置的塔式固體粒子光熱發電裝置和流化床換熱系統的示意圖如圖12所示，帶有一個結合流化床加熱的近黑體封閉粒子接收器、交換器和固體粒子熱能儲存裝置。歐盟的下一代光熱發電技術同樣選擇了流化床換熱，但他們更注意考察所選擇的固體粒子的在磨損、比熱容等方面分析和選擇。

五、固體粒子接收器與鏡場布局

為最大限度吸收光熱輻射，接收器可采用帶固體粒子通道的陶瓷模塊構筑接收器墻體，墻體外表面涂敷耐高溫和具有極低發射率的選擇性熱吸收涂層，可大大減少熱輻射損失，或陶瓷墻體模塊包裹陶瓷管道，通過墻體自身具有的儲熱功能應對不穩定的光照和焦斑跳變。接收塔可借鑒南非Khi Solar One 50兆瓦DSG塔式光熱電站設計模式，固體粒子接收器也采用三面體布置，定日鏡鏡場相應為東、西、北三個扇形鏡場，分別對應三個固體粒子接收墻體。且定日鏡面積由遠及近為50平米至20平米，以兼顧不同遠近定日鏡的輻射強度實現均衡。通過優化鏡場布局，降低初始投資。該設計比較適合我國緯度高、海拔高、環境溫度低的環境。

結語

目前塔式光熱發電站在傳熱和存儲介質方面有多種選擇，但每一種介質都有特定的限制條件和應用特點。拿熔鹽來說，因受限于化學性質，它的上限溫度在565℃左右，而結晶點在230℃，導致系統的熱電轉換效率受限，為防止熔鹽凝固還要增加很多電伴熱設備，無端增大電站寄生損耗。采用創新型的流態化的耐火顆粒作為傳儲熱介質，可將系統工作溫度提升到600至1000℃，大幅提升光熱發電效率。根據國外的實驗結果，預計采用流態化固體粒子作為傳熱儲熱介質，光熱發電系統的理論發電效率將比目前最先進的熔鹽塔式光熱電站高出約20%，同時發電成本降低約25%，并顯著降低存儲介質的成本和電站初始投資。但是欲實現這個目標，不僅要精心選擇固體粒子，還要考慮塔式接收器的可靠性和制造成本、以及蓄熱罐、流化床懸浮粒子熱交換器、超臨界二氧化碳發電機組、固體粒子傳輸設備、冷料罐、電力或燃氣互補儲熱等的設計和配套，特別是將其集成在塔式聚光發電系統中還需要做很多功課。可喜的是我國已經啟動了這些工作。

總之，塔式光熱發電前景誘人，技術路線多種多樣，核心是能否結合國情，走我們自己的路。一句話，這是前無古人的事業，也為年輕一代光熱技術人員留出足夠大的創新空間。該文僅為拋磚引玉，但愿為國內塔式光熱發電技術創新盡綿薄之力。

注：本文作者系太陽能熱發電技術資深學者張建城。