近幾年來，在應(yīng)對全球氣候變化的大背景下，作為多國重點支持發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，光熱發(fā)電在全球范圍內(nèi)迎來了又一波發(fā)展熱潮，中國、南非、中東北非等新興市場為光熱發(fā)電行業(yè)發(fā)展注入了新的動力。

為盡快降低光熱發(fā)電成本，產(chǎn)業(yè)界正在加大光熱發(fā)電領(lǐng)域的科研投入，旨在通過光熱發(fā)電的技術(shù)革新和升級來提高光熱系統(tǒng)效率并降低光熱發(fā)電成本。從關(guān)鍵裝備角度來看，全球范圍內(nèi)的制造商們也在積極探索光熱發(fā)電裝備的創(chuàng)新和升級。下文統(tǒng)計了反射鏡，集熱管，槽式集熱器，塔式定日鏡等光熱電站關(guān)鍵設(shè)備和組件的一些創(chuàng)新方向和部分創(chuàng)新案例。

一、反射鏡篇

目前光熱發(fā)電站采用的主流反射鏡產(chǎn)品一般為六層結(jié)構(gòu)，分別為超白玻璃基層、鍍銀層、鍍銅層、底漆涂層、中漆涂層和白色面漆涂層。超白低鐵玻璃是一種高透光率玻璃產(chǎn)品，透光率≥91%，鍍銀層為反射層，鍍銅層為保護(hù)層，底漆涂層、中漆涂層和白色面漆涂層為防腐保護(hù)層。

創(chuàng)新方向1：反射膜

反射膜技術(shù)是在鋁質(zhì)或不銹鋼等材料制成的基板上覆上一層高性能聚合物薄膜以獲得輕質(zhì)反射鏡。此舉可顯著降低反射鏡系統(tǒng)的整體重量，降低支架等系統(tǒng)的投資，從而降低光場系統(tǒng)整體投資。

當(dāng)前在太陽能反射膜技術(shù)上研發(fā)較多的有兩家公司，分別是3M和Skyfuel旗下的ReflecTech。3M以反射膜及其附屬產(chǎn)品如膜邊緣用的密封膠、清潔劑等的研發(fā)和銷售為主，但并不提供整體反射鏡系統(tǒng)方案，而Skyfuel則提供整體的SkyTrough反射膜反射鏡系統(tǒng)方案。

ReflecTech的反射膜是一種鍍銀高分子聚合物薄膜，已經(jīng)通過NERL能效測試。該技術(shù)在2011年9月份就開始在加州SEGS1&2槽式電站上進(jìn)行示范運行，整體運行狀況較為穩(wěn)定。

圖：ReflecTech反射膜

反射膜技術(shù)目前面臨的問題主要有四個。一是還沒有權(quán)威機(jī)構(gòu)對其反射率進(jìn)行檢測認(rèn)證；二是使用壽命，目前還不能完全確定反射膜在運行幾年后是否會發(fā)霉、變質(zhì)，反射率是否會有較大的衰減等；三是其聚光精度較難控制，反射膜需要搭配金屬基板，其聚光精度由金屬基板如鋁板決定，如何保障鋁板的弧面精度是一個問題，即便鋁板的精度可以保證，把反射膜貼上去這一過程也很可能會影響弧面的精度。四是經(jīng)濟(jì)上來看，由于缺乏實際的大型商業(yè)化項目的驗證，目前并沒有實際數(shù)據(jù)支撐其成本比玻璃反射鏡較低的論斷。

創(chuàng)新方向2：更薄厚度

反射鏡常用的厚度標(biāo)準(zhǔn)是4mm,但事實上，玻璃越厚，太陽光到達(dá)反射鏡反射層的光損越多，反射率則越低。當(dāng)前主流反射鏡產(chǎn)品的反射率在93%~94%之間，為進(jìn)一步提高反射率，其中一個可行的解決方案即設(shè)法降低玻璃的厚度，從而降低反射鏡系統(tǒng)的重量，并最終降低集熱場的整體投資。

目前的解決方案是在強(qiáng)度更好的基板如蜂窩鋁板、合成樹脂等上面粘貼超薄反射鏡。如意大利ENEA研發(fā)的一種超薄反射鏡就是將蜂窩鋁板先成形為拋物弧，再把0.8mm的超薄反射鏡貼上去。天津濱海光熱投資有限公司采用的方案則為在合成樹脂制作的基板上面粘貼1mm厚的反射鏡，反射率可提升至96%以上。

然而，厚度降低會大幅提高超白玻璃的生產(chǎn)成本，1mm超白玻璃的價格要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于4mm超白玻璃的價格（同一廠商），同時也增加了反射鏡生產(chǎn)工藝的難度，1mm的非鋼化鏡在生產(chǎn)過程中較易破損。另外，目前采用的附屬基板方案種類較多，缺乏成熟的經(jīng)過商業(yè)化項目驗證的案例，在強(qiáng)度和耐候性方面仍存在不確定性。超薄反射鏡相對通用的4mm鏡在成本上要高出不少，其帶來的聚光效率的提升是否足以抵消并超出其成本增加尚缺乏實際案例的證實。

圖：濱海光熱阿克塞800米熔鹽槽項目采用超薄反射鏡

反射鏡領(lǐng)先制造商Rioglass于2013年推出了一種創(chuàng)新型的“三明治”結(jié)構(gòu)反射鏡，其沒有大幅度縮減厚度，而是采取了較為“中和”的技術(shù)路線。它將玻璃厚度從4mm降至2mm，前層為2mm厚的鍍銀層和銅層的薄玻璃反射鏡，中層為高密度聚氨酯泡沫，背板為鍍鋅鋼板，總厚度為40mm，反射率提升至96%左右。這種反射鏡的安裝更為簡便安全，降低了安裝成本，強(qiáng)度更高，也降低了破損率。于2016年投運的南非KhiSolarOne50MW塔式光熱電站就采用了這種超薄反射鏡。

圖：Rioglass的“三明治”結(jié)構(gòu)反射鏡

創(chuàng)新方向3：減少防護(hù)漆

反射鏡一般要鍍上三層防護(hù)漆，常見的第一層保護(hù)漆是丙烯酸樹脂層，第二層是醇酸樹脂層，第三層是聚氨酯樹脂層。如若能減少防護(hù)漆的層數(shù)同時不影響對反射鏡的防護(hù)，可相對降低反射鏡的成本。但目前尚無廠商公開發(fā)布在此領(lǐng)域的相關(guān)研發(fā)成果。

創(chuàng)新方向4：微弧平面鏡

在實際應(yīng)用中，為獲得較好的聚光效果，平面鏡也經(jīng)常通過支架固定等方式形成一定的微弧。除了機(jī)械方式外，部分廠商已生產(chǎn)或正在開發(fā)“天然”的微弧反射鏡，即生產(chǎn)出的成品即為微弧鏡，而非后期安裝時通過機(jī)械作用力產(chǎn)生。

“天然”微弧鏡的生產(chǎn)技術(shù)和工藝難度并不太高，也可以減少鏡場安裝時的工作量。但其產(chǎn)品生產(chǎn)流程較為復(fù)雜，成本一般要遠(yuǎn)高于普通平面鏡。如果可以生產(chǎn)出低成本的微弧平面鏡，將大大降低鏡場的安裝成本，提升聚焦精度。

世界領(lǐng)先的玻璃生產(chǎn)商Guardian公司聲稱擁有微弧平面鏡的生產(chǎn)技術(shù)和能力，但該公司內(nèi)部人士也承認(rèn)這種鏡子的造價要高出一般的平面鏡，具體價格可能要根據(jù)每個項目的具體要求來測算。

國內(nèi)廠商浙江大明玻璃有限公司也能夠生產(chǎn)這種微弧鏡，并在CSPPLAZA年會上多次展出該款反射鏡。其宣稱該款反射鏡實際反射率可達(dá)95.5%以上，同時，復(fù)合式設(shè)計大大減輕了反射鏡自重，相較傳統(tǒng)反射鏡自重減輕50%以上。

圖：大明玻璃推出的超薄微弧平面反射鏡

創(chuàng)新方向5：減反射膜層

減反射膜，又稱增透膜，它的主要功能是減少或消除透鏡、棱鏡、平面鏡等光學(xué)表面的反射光，從而增加這些元件的透光量，減少或消除系統(tǒng)的雜散光。因此，在玻璃反射鏡前表面鍍減反射膜層，則可降低前表面的反射率，增加透光率，使更多光到達(dá)反射層，從而增加反射率。

這種技術(shù)面臨的主要障礙仍是成本，增加膜層不應(yīng)過多增加反射鏡的成本，否則則不具推廣價值。

創(chuàng)新方向6：自潔凈

光熱電站開發(fā)的自然環(huán)境一般較為惡劣，特別是在中國西部沙塵較大的地區(qū)，反射鏡極易附著大量灰塵從而降低其反射率。但由于對鏡面的的清洗耗時耗資，開發(fā)擁有自潔凈功能的反射鏡成為一大發(fā)展方向。Rioglass表示其一直在開展減輕鏡面染污率的研究，Rioglass方面介紹稱其開發(fā)的一種新的玻璃反射鏡的抗污涂層（自清潔）已經(jīng)被成功的集成在玻璃熱彎鋼化工藝中，即將推向市場。

二、集熱管篇

集熱管是太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的核心組件之一。典型的集熱管由帶選擇性吸收涂層的金屬內(nèi)管（不銹鋼內(nèi)管）、同心玻璃外管、波紋管等部件組成。槽式拋面鏡或菲涅爾平面鏡將太陽光反射聚焦至集熱管上，加熱其內(nèi)部流動的工作介質(zhì)，為蒸汽發(fā)生提供熱源。

目前使用最廣泛的導(dǎo)熱介質(zhì)是導(dǎo)熱油，但由于其使用溫度的限制，該技術(shù)運行溫度較低（最高400℃），發(fā)電效率相比塔式及碟式系統(tǒng)要低。隨著熔鹽槽式光熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展和大開口槽式集熱器的出現(xiàn)，對集熱管的耐高溫等性能也提出了更高要求。

創(chuàng)新方向1：槽式熔鹽集熱管

熔鹽作為另一種廣泛使用的工作介質(zhì)，相比導(dǎo)熱油，它的使用溫度可達(dá)到550℃以上，可以直接進(jìn)行儲熱，而且價格低，安全可靠，從而顯著提高電站效率。

2010年，意大利國家電力公司ENEL在西西里島建成了全球第一個熔鹽槽示范項目，2013年日本Chiyoda和阿基米德太陽能公司又在意大利合作建成了一個600米長的試驗回路。去年10月正式投運的濱海光熱阿克塞800米試驗回路則是我國首個熔鹽槽式試驗項目。

熔鹽集熱管面臨的技術(shù)難點有兩個，一是需要耐高溫涂層：目前的選擇性吸收涂層在高溫下運行易分解或脫落，穩(wěn)定工作溫度不超過400℃，這是槽式技術(shù)采用熔鹽做傳熱介質(zhì)的障礙之一，研發(fā)耐550℃高溫的選擇性吸收涂層為集熱管技術(shù)的一個發(fā)展方向；二要增加耐腐蝕性，若采用熔鹽做傳熱介質(zhì)，其所含的氯離子等雜質(zhì)將對金屬內(nèi)管造成腐蝕，需采用抗腐蝕的金屬材料內(nèi)管，或改進(jìn)熔鹽的成分，降低其腐蝕性。

創(chuàng)新方向2：DSG集熱管

DSG直接蒸汽發(fā)生技術(shù)采用水直接產(chǎn)生蒸汽，可省去多級換熱流程，其運行溫度可以提高到450℃以上，系統(tǒng)效率和成本效益提升明顯。DSG集熱管面臨的技術(shù)難題是需要承受更高的運行壓力，選用導(dǎo)熱油做傳熱介質(zhì)對集熱管造成的壓力不高于4Mpa，但如果采用水做工質(zhì)，則需要耐壓在10Mpa以上，這對真空集熱管的耐高溫性能、承壓能力及可靠性都提出了更高的要求。國內(nèi)的兆陽光熱采用的類菲涅爾DSG技術(shù)路線即對集熱管提出了更高要求，為適用于其高溫高壓工況，為其生產(chǎn)的集熱管用鋼量極大，單根管重量高達(dá)70kg以上。

創(chuàng)新方向3：更大尺寸的集熱管

光熱發(fā)電系統(tǒng)的聚光比是指采光面積與吸收體面積的比值，聚光比越高，電站運行溫度就越高，從而提高發(fā)電效率。因此，更大尺寸的不銹鋼內(nèi)管外徑在單位長度內(nèi)可傳輸更多熱量，有效降低廣場系統(tǒng)的整體投資。但僅僅只增大集熱管的尺寸，其聚光比將相對減小，不易達(dá)到高溫。因此，如果要增加集熱管尺寸，反射鏡系統(tǒng)的尺寸也需隨之增大。

目前國內(nèi)外多家集熱管廠商都推出了內(nèi)徑90MM等不同規(guī)格的大口徑集熱管，以滿足創(chuàng)新型大開口集熱器的配套需求。

 

圖：龍騰光熱在Solarpaces2015南非大會上首次發(fā)布并展出的90mm集熱管

 

三、槽式集熱器篇

槽式集熱器是利用槽式拋物面聚光反射鏡聚集得到高熱流密度的太陽輻射能來實現(xiàn)系統(tǒng)的光熱轉(zhuǎn)換過程，該組件在光熱發(fā)電系統(tǒng)中占據(jù)主導(dǎo)地位，它為系統(tǒng)提供熱源，其效率和投資成本會影響到整個集熱系統(tǒng)的效率和經(jīng)濟(jì)性。

創(chuàng)新方向1：大開口

在光熱系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備中，集熱器的設(shè)計與集熱管和反射鏡緊密相關(guān)，目前主要的設(shè)計包括：歐洲槽ET150，SENER槽，SENER -2槽，F(xiàn)lagsoLHelioTrough槽，UltimateTrough終極槽。這些設(shè)計最大的特點就是其開口面積越來越大，因此集熱器的發(fā)展方向開始傾向于大型化，以提高聚光比。

UT槽是目前商業(yè)化應(yīng)用的開口最大的集熱器設(shè)計。2013年，全球首個UT槽示范回路被成功安裝在SEGSVIII槽式光熱電站，三年的運行數(shù)據(jù)證明UT的熱效率高于設(shè)計預(yù)期。2016年初，F(xiàn)labeg又與沙特Duba1和WaadAlShamal兩個ISCC聯(lián)合循環(huán)電站的項目方達(dá)成合作，將首次在商業(yè)化項目上使用UT槽。

美國天源光熱（SkyFuel）也于今年推出了新一代SkyTrough DSP槽式集熱器，此款集熱器集合了具有革命性設(shè)計的可滑動安裝的ReflecTech 反射鏡、7米寬的大采光口和更新后的立體框架，從而降低了整款集熱器產(chǎn)品的總成本。但目前該設(shè)計還未有實際商業(yè)化應(yīng)用案例。

 

圖：新一代SkyTrough DSP槽式集熱器

 

創(chuàng)新方向2：輕質(zhì)化

多年來，槽式集熱器的各方面雖然一直都在不斷創(chuàng)新，但基本沒有突破“鋼結(jié)構(gòu)+玻璃反射鏡”的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)。為提升槽式光熱電站的經(jīng)濟(jì)性，光熱行業(yè)一直以來在嘗試改變這種傳統(tǒng)的較為笨重的集熱器設(shè)計，奧地利的HELIOVISAG另辟蹊徑，以可回收的塑料薄膜作為原材料，研發(fā)出了全新的充氣型薄膜槽式集熱器HELIOtube，其可通過簡單的卷裝方式批量生產(chǎn)運輸，抗風(fēng)性能佳。最關(guān)鍵的是，集熱器原材料的徹底轉(zhuǎn)變，可大幅降低電站的集熱成本（約55%）。

 

圖：HELIOtube充氣薄膜型槽式集熱示范項目

 

為推廣該項創(chuàng)新技術(shù)，Heliovis去年為一家西班牙農(nóng)產(chǎn)品企業(yè)建設(shè)了一套9米寬220米長的太陽能光熱裝置，僅用于工業(yè)供熱，目前該項目已經(jīng)運行三個月，使用輸出達(dá)88%。此外，公司還計劃在中東建設(shè)第一套15MW商用混合型太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)，儲熱時長為8小時。更多具體信息可參考CSPPLAZA此前報道：HELIOVIS攜充氣薄膜槽式集熱器技術(shù)拓中國市場

來自奧地利SOLABOLIC公司的設(shè)計也非常獨特，該公司于2014年推出了一款新型槽式反射鏡集熱技術(shù)，利用一種類似電纜架設(shè)的支撐技術(shù)，可以節(jié)約20%-30%的材料使用量。據(jù)悉，依據(jù)吊橋原理建設(shè)的新型拋物線槽式系統(tǒng)可以使用平面鋁鏡模塊組合來代替昂貴的曲面玻璃模塊組合，這項技術(shù)可以大大提高發(fā)展中國家光熱電站建設(shè)的國產(chǎn)化率，使這些電站在不使用高科技制造工藝的條件下建成完美的拋物線槽式集熱系統(tǒng)，同時還可以節(jié)省大批投資。

雖然采用該項專利建設(shè)電站的技術(shù)成本僅僅比常規(guī)槽式光熱發(fā)電低16%左右，但采用該技術(shù)后預(yù)計可以節(jié)約光場基礎(chǔ)投資費用的35%左右，同時可以使LCOE（均化電力成本）下降15%左右，這就意味著電站開發(fā)商能夠通過此項技術(shù)獲取采用常規(guī)槽式光熱發(fā)電電站2倍以上的利潤。

四、塔式定日鏡篇

定日鏡是塔式光熱電站必不可少的關(guān)鍵設(shè)備，其制造成本和安裝成本約占電站總體投資的50%以上，同時其聚光性能也直接影響著電站的發(fā)電效率及經(jīng)濟(jì)收益。因此，眾多國內(nèi)外廠商多年來不斷從材料、整體設(shè)計及安裝施工方式等多方面進(jìn)行創(chuàng)新，以實現(xiàn)定日鏡的進(jìn)一步優(yōu)化和升級。

創(chuàng)新方向1：獨特的鏡面設(shè)計

塔式定日鏡由跟蹤控制器、機(jī)械支撐結(jié)構(gòu)和反射鏡三大組件構(gòu)成，與槽式集熱系統(tǒng)大規(guī)模應(yīng)用最成熟的RP3反射鏡不同，其規(guī)格因設(shè)計方的不同而不同，不同的設(shè)計方有不同的尺寸設(shè)計。因此可以說，塔式定日鏡不是標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，而是定制化產(chǎn)品。但是，雖然尺寸設(shè)計各有不同，但大多數(shù)定日鏡的形狀一般呈方形或矩形，其它多邊形狀的較少。

2013年，Schlaichbergermannpartner（SBP）領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合小組開發(fā)出了創(chuàng)新型的Stellio定日鏡，其采用獨特的五邊形設(shè)計，呈中心對稱結(jié)構(gòu)，用料少，材質(zhì)堅固，且聚光均勻，抗風(fēng)性能佳，凈采光面積47.5平方米。該定日鏡曾在SolarPaces2015大會上獲得了技術(shù)創(chuàng)新大獎，并在西班牙PSA進(jìn)行了相關(guān)測試，在距離集熱塔400米外驗證了其聚光精度。中電工程哈密50MW熔鹽塔式電站將采用此款定日鏡，開啟該定日鏡的首次商業(yè)化應(yīng)用。

創(chuàng)新方向2：更大的定日鏡設(shè)計

單塊定日鏡的面積從1.2平方米至120平方米不等，業(yè)內(nèi)對定日鏡的大小問題一直以來存在不少爭論，但直到今天，仍沒有人能百分百地確定大定日鏡更好還是小定日鏡更優(yōu)。一般來講，鏡子越大，集熱效率就會越高，但同時要做到毫弧度級別的精度就越困難。

在建中的摩洛哥NOORIII塔式光熱電站采用的單臺定日鏡面積達(dá)178㎡，是Sener設(shè)計的最新一款定日鏡，是目前已商業(yè)化應(yīng)用的定日鏡的最大尺寸。

 

圖：NOORIII電站的定日鏡（單臺定日鏡由6*9共54面子鏡組成）

 

創(chuàng)新方向3：定日鏡支架結(jié)構(gòu)創(chuàng)新

傳統(tǒng)的定日鏡裝置多是“蘑菇型”，僅由一根獨立的立柱撐起鏡面，這種設(shè)計雖然廣泛應(yīng)用于全球大多數(shù)塔式光熱電站中，但具體到某個國家，卻常常需要針對不同的地理氣候條件做出創(chuàng)新以適應(yīng)當(dāng)?shù)氐莫毺厍闆r。深圳市智康新能科技有限公司（簡稱深圳智康）推出了一種中國特色的“中式樹型定日鏡”，該公司稱，與蘑菇型鏡架相比，其鏡架結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)，抗風(fēng)性能強(qiáng)，安裝維護(hù)方便，精度可與機(jī)床媲美。今年4月份，第二代樹型定日鏡已經(jīng)通過了中科院延慶太陽能基地的測試，測試結(jié)果顯示，在11m/s風(fēng)速下其跟蹤準(zhǔn)確度達(dá)到3.5mrad的概率為93.7%。但目前該技術(shù)還沒有實際應(yīng)用案例。

 

圖：深圳智康創(chuàng)新樹型定日鏡

 

美國創(chuàng)業(yè)公司Skysun最新研發(fā)的“聯(lián)動定日鏡”則突破了這一傳統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)，其將多個定日鏡集中固定在同一個支架上，利用共享的驅(qū)動電機(jī)和支架。據(jù)悉，采用該設(shè)計電站的總體安裝成本有望降低一半左右，該項目目前正在美國能源部SunShot計劃的基金支持下進(jìn)行模擬優(yōu)化，進(jìn)一步走向市場仍需時日。

 

圖：安裝在桑迪亞國家實驗室的聯(lián)動定日鏡樣機(jī)

 

創(chuàng)新方向4：定日鏡無線控制系統(tǒng)

定日鏡要充分發(fā)揮自身作用離不開一個關(guān)鍵設(shè)備——定日鏡控制系統(tǒng)，它對定日鏡的精度和聚光效率起著至關(guān)重要的作用。隨著新技術(shù)的發(fā)展，控制系統(tǒng)的創(chuàng)新也是降低成本的主要環(huán)節(jié)。

據(jù)悉，今年年初，BrightSource位于以色列的裝機(jī)121MW的Ashalim1塔式光熱電站使用了一種無線太陽島傳輸與控制系統(tǒng)。這種新型控制系統(tǒng)的應(yīng)用在太陽能光熱發(fā)電行業(yè)中尚屬首次。以色列TadiranBatteries（塔迪蘭電池公司，法國SaftGroup下屬公司）將為該項目供應(yīng)50000組電池，用以驅(qū)動定日鏡。Tadiran為此設(shè)計的這批電池環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，壽命為期25年。

BrightSource企業(yè)通訊高級總監(jiān)JenniferRigney曾表示：“我們的太陽能集成控制系統(tǒng)主要是通過運用實時定日鏡追蹤數(shù)據(jù)來控制集熱器上的太陽能分布。Ashalim電站太陽島上的50600套定日鏡均采用該套太陽能集成控制系統(tǒng)與集熱器實現(xiàn)無線傳輸。該無線控制系統(tǒng)減少了整個太陽島85%的電纜使用量，大大降低了太陽島的建設(shè)成本。”

創(chuàng)新在任何產(chǎn)業(yè)的發(fā)展歷程中都扮演著不可或缺的角色，光熱產(chǎn)業(yè)也不例外。無論是技術(shù)創(chuàng)新還是關(guān)鍵設(shè)備的創(chuàng)新都在不斷推動著整個行業(yè)的良性發(fā)展。我們上文總結(jié)的關(guān)鍵設(shè)備創(chuàng)新方向大多是以提高設(shè)備的精度和效率為目標(biāo)，但與此相對應(yīng)的成本控制不可忽略，否則就很難擁有市場競爭力。實現(xiàn)成本和性能的最佳平衡才具有發(fā)展的可持續(xù)性。