就在我們身邊的太陽能 ? 太陽能是支撐可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性能源，我們國家2021年能源消費總量是52.4億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，而我國太陽能資源相當(dāng)于17000億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，這個量是非常大的。 ?

相比我們每天都在吹的風(fēng)，風(fēng)能只有合6億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，大約只占了我國所需能源的1/9。還有水能，三峽、劉家峽、龍羊峽這些水電站還有葛洲壩等等一起加起來，相當(dāng)于3.24億噸標(biāo)準(zhǔn)煤。這些數(shù)據(jù)是根據(jù)國家發(fā)改委《可再生能源中長期發(fā)展規(guī)劃》計算得到的。

這是我們國家太陽能資源的分布圖，可以看到青藏高原的太陽能資源是最豐富的。然后有三個臺階往下，一個臺階是直接向北，到了青海、新疆、最后到伊犁，另外一個臺階是往東北方向走，走到了青海、甘肅、寧夏、內(nèi)蒙，最后到黑龍江的伊寧，還有一個是從青藏高原往東南方向走，到了貴州是最低的。所以由此看出，我們國家大部分地區(qū)的太陽能資源都是很豐富的。

在講聽起來好像比較高端的太陽能發(fā)電之前，我先講一下低端一點兒的太陽能集熱、采暖。好比我國千家萬戶都在使用太陽能熱水器。

這是西藏仲巴縣，這個縣城里所有的供熱都是由太陽能來提供的。圖中左側(cè)黑色的那部分就是太陽能集熱器（Solar collector），面積有3.5萬平方米，就像我們平常用到的熱水器那樣，能夠把太陽能變成熱能。它收集了熱以后，儲存在圖中那個彩色的罐子里。這個罐子可以24小時發(fā)熱，供給縣城的采暖。這是百分之百的太陽能，完全零碳。

在離北京比較近的地方，比如河北崇禮、內(nèi)蒙包頭都有太陽能采暖的建筑。在2013年，崇禮在申辦奧運的前期提出了一個建議，即在崇禮地區(qū)建設(shè)百分之百可再生能源的奧運專區(qū)。5月7號，這個建議得到了國務(wù)院的采納，公布了張家口可再生能源示范區(qū)的規(guī)劃，整個張家口都實現(xiàn)低碳的可再生能源供暖，為2022年冬奧助力。

這是河北涿鹿縣的太陽能采暖項目，這個項目目前有1.4萬平方米太陽能集熱器，包括2900平方米的太陽能定日鏡。這個項目從今年（2022年）冬天開始，為5萬平方米的酒店供熱。很多奧運的記者住在里面，享受著太陽能的采暖。

光伏Vs光熱的大比拼 已完成：20%?////////// ?

我們從低溫再往高溫走，來談?wù)劰鉄岚l(fā)電。很多人都會問，光伏跟光熱有什么區(qū)別？

左邊這張圖是光伏，右面這張圖是光熱。從右面這張圖能看到，在光熱發(fā)電方面，所有的鏡子會把光聚集在中間那個塔上，這個塔會產(chǎn)生比較高的溫度，產(chǎn)生高溫的熔鹽，然后把熔鹽儲存起來就可以發(fā)電。但是左邊的圖里就沒有熱的元素，它完全是通過太陽能的光子在半導(dǎo)體材料里面讓電子產(chǎn)生躍遷，然后再來發(fā)電。所以它們的差別還是比較大的。

大家還經(jīng)常會問，光熱跟光伏的效率哪個高？實際上，它們對效率定義是不一樣的，因此不能進(jìn)行比較。光伏的效率定義是功率對功率，比如設(shè)定有1000瓦的功率，看它能產(chǎn)生多少千瓦的電。而光熱不是這樣，太陽能是落在一個很大的一個圓形鏡場里面的，太陽能的能量等于功率乘以時間，然后與投入能量同樣時間段里輸出的電量來比，是能量對能量。

另外就是成本。在成本方面，目前光伏發(fā)展比較快。我做太陽能熱發(fā)電是在2009年，當(dāng)時西班牙光伏發(fā)電的電價是46歐分每度電，光熱發(fā)電的電價只有26歐分，也就是說那時候光熱比光伏便宜。但是現(xiàn)在不一樣了，目前光伏比光熱要便宜，電價只有它的1/3。

但是，光伏在夜間或有云的時候無法發(fā)電，而光熱由于可以儲熱，因此可以24小時連續(xù)發(fā)電。那么大家會說，光伏不能加電池嗎？但實際上，電池的成本要比儲熱發(fā)電貴很多。所以光伏加電池的成本就會高于光熱加儲熱發(fā)電的成本，這也是光熱為什么能發(fā)展的原因。

還有選址方面，光伏在很多山地、屋頂都可以發(fā)電，而光熱就有些限制，它一般得是在比較平緩的地上才行，我們很少見到山地電站或者屋頂?shù)奶柲軣岚l(fā)電站。因為它容量越小，汽輪機(jī)組的效率越低，它的電價就會越高。因此我們國家電站一般會在內(nèi)蒙、西北這些地方建造。

在沒有水資源的地方，光熱電站也會受到約束，因為它要做一些循環(huán)，還要洗鏡子等等，這些都需要水。而光伏電站僅僅需要一些水清洗光伏電池板表面，在整個循環(huán)工藝過程里面并沒有對水不可或缺的需求。因此水資源對光熱發(fā)電有約束，但是這種約束比較小，1兆瓦的電站發(fā)一年的電大概需要1500噸左右的水，西部地區(qū)的水源也是完全可以供應(yīng)的。

我們在2009年啟動了一個973項目，綜合水、平地，太陽能資源這幾個因素，發(fā)現(xiàn)中國的太陽能熱發(fā)電可以達(dá)到大概600多吉瓦（吉瓦即10億瓦）的規(guī)模，這是相當(dāng)大的，而目前我國太陽能熱發(fā)電只有0.5吉瓦，所以還有1000倍的潛力可以去做這件事。

接下來再介紹下太陽能熱發(fā)電的原理。

▲?聚光型太陽能熱發(fā)電技術(shù)（Concentrating Solar Power，CSP）原理

上圖的中間有兩個罐，分別寫著高溫和低溫。這個低溫罐的320度左右的鹽送到塔上被幾十萬平米甚至上百萬平米的太陽能聚光加熱，聚光以后就把300度的鹽加熱到500度，放到高溫?zé)峁蘩锩妗?/p>

儲熱罐什么時候發(fā)電？在需要發(fā)電的時候就可以發(fā)電，比如說我可以在電價最高的時候發(fā)電。所以為什么太陽能熱發(fā)電比較貴，但它又能生存呢？就是因為它可以在電價最高的時候去發(fā)電，而不是有太陽的時候才發(fā)電。有太陽的時候大家都在發(fā)電，那電價就會相應(yīng)的低。

發(fā)電是要由熱去做功，功等于力乘以距離。高溫鹽罐在右邊的蒸汽發(fā)生器里面產(chǎn)生蒸汽，熱蒸汽的力驅(qū)動汽輪機(jī)葉片轉(zhuǎn)動做功發(fā)電，這就是光熱發(fā)電。這一部分實際上跟火電原理是一樣的，所以它可以跟火電機(jī)組以及光伏、風(fēng)電進(jìn)行耦合，這也是熱發(fā)電現(xiàn)在能發(fā)展的一個理由。

從實驗電站到大規(guī)模應(yīng)用 已完成：40%?//////////

我領(lǐng)導(dǎo)建設(shè)的延慶八達(dá)嶺太陽能熱發(fā)電實驗電站在2012年的9月份建成，2013年的1月份完善。之前所有的電站都要去西班牙、美國去看，這個電站建成以后，我們就可以在中國看到太陽能聚光發(fā)電站了。

這個電站在北京冬奧會延慶賽區(qū)的海坨山場地上就可以看到，有很多照片登在《時代周刊》上，很有展示性。

大家可以看到，圖片中間有一面鏡子發(fā)著光，再仔細(xì)往上看一點會發(fā)現(xiàn)鏡子上面有一道光束，那個光束是面積1萬平米的所有鏡子聚在空中的一個點產(chǎn)生的乳白色的光。按理來說，氣體是不能產(chǎn)生反射光的，但它由于聚光比太高了，已經(jīng)有一些光學(xué)效應(yīng)，所以就產(chǎn)生了一個光云。

這個電站最高可以達(dá)到多少度呢？我們做第四代太陽能熱發(fā)電實驗時，它甚至可以達(dá)到1600度，而達(dá)到800度是非常平常的一件事，所以這個聚光效果還是相當(dāng)厲害的。

這是從另一個角度拍攝的圖，大家可以看到塔上有3個口，最下面有1個發(fā)白的口，上面有2個黑色的口。我們2012、2013年做的是第一代太陽能熱發(fā)電站，光就從那個白色的口進(jìn)去，第一代電站傳熱介質(zhì)是水，也就是把水變成蒸汽發(fā)電，只有12%的效率。第二代熱發(fā)電站是用熔鹽，光從第二個口進(jìn)去。

我們現(xiàn)在做的是第四代太陽能熱發(fā)電站，光是在最上面那個口，離地面有97米高。那個口里是用陶瓷來吸熱，然后再去產(chǎn)生超臨界二氧化碳來發(fā)電，這時候汽輪機(jī)的效率就會相當(dāng)?shù)母摺?/p>

因為這個塔離冬奧場館比較近，而且高速還會路過它。所以在北京冬奧期間，我們就在這個塔上做了一個奧運景觀標(biāo)志。白天，太陽能注入到塔里面變成電能，到了夜間，這個塔上的燈帶包括上面的五環(huán)都在發(fā)亮。這個塔是中國政府利用可再生能源的一個標(biāo)志，我們就把它叫作太陽塔。

北京冬奧結(jié)束以后，現(xiàn)在唯一保持奧運五環(huán)標(biāo)志的地方就在這兒。大家去延慶從京禮高速走的話，在八達(dá)嶺高速跟京禮高速的交叉口那兒可以看到這個塔，有119米高。上面五環(huán)每個環(huán)將近30噸，總共150噸。這是我們用無人機(jī)拍的五環(huán)在夜間發(fā)光的場景，還是很壯觀的。

這是我國敦煌的首航節(jié)能100兆瓦電站，它通過170萬平方米的太陽能反射鏡，把光聚集在塔上。這是第二代熱發(fā)電，高溫可以達(dá)到565度，年均效率可以達(dá)到16%。

它用的硝酸鹽傳熱，青海的鹽資源比較豐富，所以我們用那的鹽。另外一個鹽比較豐富的地方是在智利的阿塔卡馬，那里有一個大的鹽湖，也在供全球的使用。當(dāng)鹽加熱到565度就可以存儲起來，放在塔下的罐子里面。因為這些儲存的熔鹽，這個電站在陰天和夜間時都可以發(fā)電。在德令哈有一個中廣核的太陽能熱發(fā)電站，已經(jīng)連續(xù)發(fā)電210天，這對于光伏電站和風(fēng)電來說是不可想象的。

這是在德林哈另一座中控的電站，當(dāng)時為了奧運的宣傳，我們打出了“一起向未來”的標(biāo)語。

左下角這個電站是目前全球最大的太陽能塔式電站，有150兆瓦。上面那個電站是全球最大的槽式電站。右下角這張圖是我本人當(dāng)時是在控制室里拍的。大家可以看到，在那么大的控制室里面只有幾個人。所以它的自動化程度還是很高的。中國的山東電建三公司作為總包參與了電站的建造，所以這也是我們中國人電站建造技術(shù)的一個標(biāo)志。

電站所在的瓦爾扎扎特距離摩洛哥首都卡薩布蘭卡只需要乘坐45分鐘的飛機(jī)，大家如果有機(jī)會可以去這兒看看。在看電站的同時，這里還是一個非常著名的旅游地，有很多電影的布景場所，像好萊塢大片《西部牛仔》就在這里拍攝，很有意思。

研發(fā)第四代太陽能熱發(fā)電技術(shù) 已完成：60%?//////////

第四代太陽能熱發(fā)電是我作為首席正在領(lǐng)導(dǎo)的一個項目。前面我講的一些電站，包括我2012年建的電站，在世界上都已經(jīng)有了，所以我當(dāng)時接到任務(wù)的時候心里還是有底的。但是這個第四代電站，我接到任務(wù)以后非常忐忑。在2019年啟動的時候，全世界都沒有這樣的電站。它是用二氧化碳作為發(fā)電的工質(zhì)，用顆粒作為傳熱的介質(zhì)來發(fā)電。目前在歐盟的地平線2020計劃、美國能源部（DOE）的SunShot計劃里邊都有立項。中國由科技部的國家重點研發(fā)計劃立項，我們18家單位共同在做這個工作。

這是超臨界二氧化碳（sCO2）技術(shù)的示意圖，圖片右側(cè)的壓縮機(jī)和膨脹機(jī)（透平）都是二氧化碳工質(zhì)在工作。大家都問，為什么要用超臨界二氧化碳，為什么不用水蒸氣呢？我解釋一下，在做功的時候，同樣流速下，介質(zhì)比重越大，動能就越大，做功能力就越強，我們在中學(xué)都學(xué)過這個道理。超臨界二氧化碳的密度高，所以它的做功能力比水蒸氣強很多，效率更高，年均效率可以達(dá)到30%。因此現(xiàn)在全世界包括煤電領(lǐng)域都在追求這個技術(shù)。

要想產(chǎn)生800-1100度高溫，用鹽不行，因為鹽在高溫會分解，而且高溫的鹽還有很強的腐蝕性。所以我們現(xiàn)在用柔性吸熱面或者固體球流來吸熱。

太熱能熱發(fā)電的未來 已完成：80%?//////////

從全球視角來看，我們?nèi)虻奶柲軣岚l(fā)電有多少？

全球目前大概有6.8吉瓦的太陽能熱發(fā)電，這些發(fā)電站主要分布在美國、歐洲和南非、北非這些地方。截止到2021年，中國有538兆瓦的太陽能熱發(fā)電，這個數(shù)字雖然比較小，但是我們最近在建的電站比較多。目前正在建設(shè)的電站大概有1.4吉瓦，也就是1400兆瓦，所以我們到2023年、2024年就會把這個曲線抬得比較高。

為什么中國太陽能熱發(fā)電突然變得這么多了？這是因為我們在西部建了大量的光伏和風(fēng)電，在沒有太陽或者沒有風(fēng)的時候電網(wǎng)就空了，這個時候用戶用什么電呢？所以大家就想到了同樣作為可再生能源的熱發(fā)電。因為它可以儲熱發(fā)電，當(dāng)光伏和風(fēng)電沒有的時候，它就可以提供電。所以隨著光伏和風(fēng)電的增多，熱發(fā)電就會增多。

因此我們說，它是伴隨著光伏和風(fēng)電的成長而一起成長的一種電源，都是兄弟，不是競爭的關(guān)系。所以國際能源所（IEA）的太陽能發(fā)電組織發(fā)布了我們聯(lián)盟2021年的藍(lán)皮書，書中就指出，中國走上了一條新的太陽能熱發(fā)電發(fā)展的道路，這條道路有助于中國的可再生能源體系的建設(shè)，也有利于光伏和風(fēng)電上網(wǎng)。

太陽能熱利用未來的技術(shù)會是什么樣呢？首先它的成本要降低，目前它的成本還是光伏的3倍，太貴了，所以要降低成本。

現(xiàn)在太陽能熱發(fā)電的成本有60%都在鏡子上，為什么這個鏡子這么貴呢？因為它要產(chǎn)生彎曲，一個平面的鏡子是沒法聚光的，而這就需要成本。另外跟蹤太陽也需要成本。那我們能不能不彎曲、不跟蹤？比如我在手上放一張紙，能讓它聚光嗎？這個事以前是不敢想的，如果能實現(xiàn)的話，我們的成本會降得很低。

因此在2020年科技部啟動了一個項目，通過一種超材料來實現(xiàn)用平面聚光。大家都知道光是一種電磁波，電磁波有頻率，但是除了頻率以外，電磁波還有相位。用這個平面聚光，就是在這個材料表面做一些折射率的變化來調(diào)制它的相位，然后讓光發(fā)生彎曲。

從這個圖中我們可以看到，下面五彩的光下來以后，通過相位的調(diào)制，上去就是一個拋物面，這是我們正在做的一件非常神奇的事，但這個神奇的事確實正在發(fā)生。

其實這項技術(shù)對于單波長來說并不難，但是太陽輻射的波段是很寬的，從300納米到3000納米，讓這么寬的波段進(jìn)行相位調(diào)制是課題的一個主要的難度。另外太陽還在轉(zhuǎn)，在不同的入射角它也需要調(diào)制相位，這是另外一個難度。所以我們10家單位，包括武漢理工大學(xué)，復(fù)旦大學(xué)、科學(xué)院電工所、廈門大學(xué)，長春光機(jī)所等等組成了一個團(tuán)隊，在共同攻克這個難題。

除此之外還有一個方向，就是把夏天的熱存到冬天用來采暖，這叫跨季節(jié)儲熱。這個技術(shù)目前已經(jīng)實現(xiàn)了，就在河北的涿鹿。這張圖是我在延慶做的實驗，腳底下是一個儲水池，把夏天的熱水放在冬天使用，一共存200天。這樣的話，我們在冬天采暖就不需要煤了。

還有一個技術(shù)特別有意思，叫藝術(shù)陶瓷。這是我學(xué)生照的照片，我們在延慶用太陽能產(chǎn)生1600度高溫來燒陶瓷，這也是世界上唯一的一個用太陽能燒的陶瓷。這是我們電工所跟武漢理工大學(xué)合作完成的，他們的材料學(xué)院、藝術(shù)設(shè)計學(xué)院做陶瓷配方和藝術(shù)造型，我們做聚光、做爐子。

這是利用太陽能煅燒水泥。因為燃燒水泥排放的二氧化碳占了全球排放量的8%，如果能減少燒水泥過程中產(chǎn)生的二氧化碳，建材工業(yè)就能為減碳做出很大的貢獻(xiàn)。利用太陽能煅燒水泥要到1000度，目前在850度到1460度下煅燒水泥我們都能實現(xiàn)。這個也是我們跟武漢理工大學(xué)的合作，也是未來的工業(yè)減排的方向。

審核編輯：劉清