對于局部的電源供應，太陽能是最方便的電源，因此太陽能電池已經(jīng)成為宇宙飛船，人造衛(wèi)星和星際航天站等的主要電源之一，并相繼用于地面上的許多特殊地方，如航道燈塔、無人值守系統(tǒng)、高山氣象臺、沙漠地區(qū)考察和邊防哨所等。在現(xiàn)代城市中，太陽能照明在節(jié)能的同時還減少了鋪設電纜的麻煩，因此在高速公路、公園、廣場、居民小區(qū)，旅游區(qū)等作為照明、裝飾、指示性標志的光源具有廣泛的應用，使用太陽電照明是北京舉辦“綠色奧運”的重要組成部分。作為太陽能發(fā)電重要組成部分的儲能裝置要求存儲容量大、工作壽命長，可以進行瞬間充電以適應天氣的變化、無記憶效應以及免維護等。但是大量蓄電池在復雜環(huán)境下的運行和維護費用比較昂貴，并且在高溫和反復充放電的應用條件下會縮短使用壽命。超級電容器因其具有十萬次以上的深度充放電循環(huán)壽命和免維護、高可靠性等特點使行替換蓄電池成為可能并可以大大降太陽能發(fā)電系統(tǒng)的總運營成本。另外本公司開發(fā)的微型和小型超級電容器還可與太陽能電池并聯(lián)使用，作為貯能元件用于太陽能手表，太陽能計算器或其它太陽能應用方面。

　　面對二十一世紀，發(fā)電系統(tǒng)的一次能源多元化和更為強調環(huán)境的潔凈與安全的發(fā)展趨勢為太陽能發(fā)電的發(fā)展提供了良好的機遇。二十世紀七十年代以來，太陽熱發(fā)電和人伏發(fā)電的研究都有了顯著的進展，雖然還沒有達到商用，應該說進入了成熟的階段。

　　近年來，光伏電池制造技術日超成熟、光伏電池生產(chǎn)能力增長、光伏模塊價格不斷下降，不論國內還是國外，都有格外看好光伏系統(tǒng)的傾向。然而，盡管據(jù)最近的報道，一九九八年全世界光伏電池的產(chǎn)量已達157.4兆瓦，而且在美國，過去三年間光伏模塊的制造成本降低了31%，據(jù)稱，到1999年可做到一峰瓦1.79美元，但是，光伏系統(tǒng)的價格仍然相當昂貴。另一方面，眾所周知，迄今唯一達到商業(yè)運行水平的太陽能電站，恰恰是建立在美國南加州的槽式線聚焦熱發(fā)電系統(tǒng)，該系統(tǒng)的建造歷經(jīng)十年，九個電站的總容量達354兆瓦，發(fā)電量已達60億度，最后建成的電站容量80兆瓦、電價已降至每度電12美分。

　　本報告概括太陽熱發(fā)電技術的現(xiàn)狀，探討堿金屬熱電能量直接轉換技術與太陽能發(fā)電系統(tǒng)結合的可行性，敘述點聚焦太陽熱直接發(fā)電的概念與特點，并提出“十五”期間開展此項研究的建議。

　　2、太陽熱發(fā)電技術的現(xiàn)狀

　　太陽能發(fā)電技術的現(xiàn)狀可以美國的動向為代表。除了已經(jīng)提到的槽式線聚焦系統(tǒng)，還有用定日鏡聚光的塔式系統(tǒng)以及采用旋轉拋物面聚光鏡的點聚焦一斯特體系統(tǒng)。大家知道，線聚焦系統(tǒng)和點聚焦系統(tǒng)都取得過舉世矚目的成果，特別是麥道公司研制的點聚焦一斯特林系統(tǒng)曾經(jīng)創(chuàng)下了轉換效率接近30%的記錄。最近十五所以來，對于線聚焦系統(tǒng)，在提高部件性和可靠性、降低部件造價、降低運行維護費用等方面都取得了長足的進展。另一方面，塔式系統(tǒng)的實驗裝備經(jīng)過重要的改造，已成為近年來發(fā)展的重點，因為，根據(jù)美國能源產(chǎn)中的預測，塔式系統(tǒng)具有最吸引人的技術經(jīng)濟指標。圖1是三種系統(tǒng)電價的預測結果，由圖可見，塔斯社式系統(tǒng)的電價可望在2010年降到5美分，與常規(guī)火電廠匹敵。

　　以堵塞去十五年的工作成果為基礎，美國能源部制訂了1996年至2015年太陽熱發(fā)電技術的20年發(fā)展規(guī)劃，其目標是，到2020年，世界上太陽熱發(fā)電系統(tǒng)的總容量達20000兆瓦。圖2是三種不同的類型熱發(fā)電系統(tǒng)的容量份額，可以看到，隨著年代的推移，塔式系統(tǒng)和氣聚焦系統(tǒng)的容量增長得很快。圖3則是太陽熱發(fā)電總容量在美國國內和國外的分布，由圖可知，差不多從2005年起，美國就把主要注意力放在占領國外市場上。美國能源部的規(guī)劃旨在支持和吸引產(chǎn)業(yè)界的積極參與，以促進太陽熱發(fā)電的商業(yè)化。與比相呼應，麥道公司和斯特林發(fā)動機系統(tǒng)公司聯(lián)合推出了點聚焦一斯特林系統(tǒng)商業(yè)化的開發(fā)計劃，以2001年建成示范電站為目標。圖4和圖5分別為這種電站的成本及電價的子測結果。由圖4可知，當年產(chǎn)一萬套時，25千瓦裝置的成本在每千瓦1000美元到2000美元之間，而圖5表明，如果容量因子大于50%，那么，25千瓦裝置的電價在5美分上下。

　　3、在太陽熱發(fā)電系統(tǒng)中采用直接發(fā)電器件的可行性

　　已有的三種太陽熱發(fā)電系統(tǒng)都用熱機和發(fā)電機來實現(xiàn)能量的轉換，在線聚焦和塔式系統(tǒng)中用的是傳統(tǒng)的蒸汽輪機作原動機，這樣的系統(tǒng)只有在大容量發(fā)電的場合才能獲得良好的技術經(jīng)濟指標；另一方面，點聚焦一斯特林系統(tǒng)的容量可以小到幾個千瓦，而且可以達到高效率，但是需要用氫作工質，工作壓力高速150個大氣壓，增加了期特林發(fā)動機的制造難度。不僅如此，所有這些帶有運動部件的系統(tǒng)都包含了可觀的維護工作量和必須的運行維護費用。于是，把無運動部件、無聲而且不需維護的直接發(fā)電器件來替代上迷能量轉換部件，顯然是一種可取的思路。

　　所說的熱電直接發(fā)電器件，有溫差半導體、熱電子發(fā)電器、光伏發(fā)電器和堿金屬熱電轉換器，四種器件的工作原理各不相同，運用的熱源溫度亦有差異，如圖所示。

　　堿金屬熱電轉換器是四種直接發(fā)電器件中最年輕的分支，它的概念提出于1968年，大的經(jīng)過十年的探索，完成了原理試驗，建立了基本理論，并且以效率19%，功率密度1.1瓦/厘米的實驗成果驗證了理論的可靠性。堿金屬熱電轉換器用β”-A1203固體電解質作選擇性滲透膜，以金屬鈉為工質，在液鈉/β”-A1203界面由化學勢梯度驅動，使鈉離子和電子分離，實現(xiàn)熱電能量的直接轉換，由于它在中等的熱源溫度范圍就能達到30%左右的效率，遠高于熱電半導體發(fā)電的效率（5%左右），又不必使用像熱光伏光電器那樣的高溫材料，器件結構也比熱電子發(fā)電器簡單，因而頗受人們的關注，以空間電源為目標的研制工作在美國宇航局所設計劃的支持下正積極順利的進行。

　　除了無運動部件、無聲、無需維護之外，堿金屬熱轉換器是一種低電壓面積型器件，功率密度可達0.5-1.0瓦（厘米），比普通先伏電池的高；可以靠模塊組合構成不同規(guī)模的發(fā)電裝置，而且能量轉換效率與裝置容量無關。

　　因此，只要在效率和價格方面具有競爭力，用直接發(fā)電器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的能量轉換部件是可行的。

　　4、點聚焦太陽熱直接發(fā)電的概念

　　如果把點聚焦一斯特體系統(tǒng)中的斯特林發(fā)動機/發(fā)電機組以堿金屬熱電轉換發(fā)電器件取而代之，那么就構成了點聚焦太陽熱直接發(fā)電系統(tǒng)，它的結構框圖示于圖6。由碟型集能器聚焦的太陽輻射被位于拋物面焦點處的熱管傳熱單元所接收并輸入堿金屬熱電轉換器，后者使熱能直接轉換成直流電，經(jīng)功單調節(jié)變換成用戶所需要的交流電力。必要的支持系統(tǒng)有太陽輻射集能器跟蹤子系統(tǒng)和貯能裝置，還有和熱電轉換器件的冷卻及余熱利用有關的設備。采用點聚焦集能是非常合適的，首先因為它有很大的聚光比，容易達到高效率，就通量轉換效率而言，堿金屬轉換器可以同斯特林組匹敵，還可以考慮與其他器件串級組合，有效利用排熱來增加系統(tǒng)的效率。此外，點聚焦系統(tǒng)容量范圍寬，在我國發(fā)展，可以避開占地、選點的難題，降低建設費用。

　　堿金屬熱電轉換器只要求聚光鏡焦班處的溫度不低于900℃就能實現(xiàn)高效發(fā)電，這一溫度正好與斯特林發(fā)動機所要求的一致，于是點聚焦一斯特林系統(tǒng)研究的許多成果都可以借鑒到直接發(fā)電系統(tǒng)中來，特別是一體化的熱管式吸熱器。圖7和圖8分別為美國和日本提出的用堿金屬熱電轉換器的大空太陽能電源的示意圖，在地面應用時，為了降低成本，將考慮廉價的貯熱物質。順便指出，與光伏系統(tǒng)相比，在夜間或雨天時對策多樣化是太陽熱發(fā)電的一大特長，除了熱貯能，也可以考慮燃燒驅動的所謂混合方式，當然也可以考慮電力貯能方法、包括先進蓄電池和超級電容器。

　　圖7和圖8所示結構的差別在于，前者發(fā)電單元的軸線與吸熱器的軸線垂直，后者則是平行配置的。

　　5、點聚焦太陽熱直接發(fā)電系統(tǒng)主要部件的發(fā)展狀況

　　1、堿金屬熱電轉換器

　　美國最早研究開發(fā)堿金屬熱電轉換技術的機構有福特汽車公司和美國宇航局噴氣推進實驗室，1990年以來，美國先進模塊電源系統(tǒng)（AMPS）公司則對堿金屬熱電轉換器的商化起了重要的推動作用。美國在該領域所取得的成果有：

　　36管實驗裝置發(fā)電1千瓦；

　　用電磁泵加壓的實驗裝置連續(xù)發(fā)電14000小時；

　　用毛細芯加壓的模塊式器件連續(xù)穩(wěn)定發(fā)電11000小時。

　　高效率點聚焦太陽熱直接發(fā)電：

　　AMPS公司的功率4瓦的器件已進入試生產(chǎn)階段。

　　AMPS公司還對燃燒加熱，電功率35千瓦的堿金屬熱電轉換裝置進行了設計研究，結果表明，35千瓦系統(tǒng)的尺寸僅為0.7立方米，燃燒加熱的裝置每千瓦的價格約為650美元。

　　中國科學院電工研究所和上海硅酸鹽研究所是國內從事堿金屬熱電轉換器研究的主要單位，上硅所主要從事β”A1203，管材的研制，用于鈉一硫電池的管材已達到國際先進水平。電工所則進行發(fā)電裝置的關鍵技術研究和發(fā)電系統(tǒng)的設計研究，已經(jīng)建立了熱電直接發(fā)電器件實驗室和必要的工藝設備，單管實驗裝置已經(jīng)達到重復運行多次、累計發(fā)電2小時、峰值輸出885瓦、功率密度0.9瓦/厘米2 的水平。

　　2、點聚焦碟形集能器

　　應用于斯特林循環(huán)的拋物面碟形集能器在美國已發(fā)展多年，在降低價格、改進鏡面材料工藝等方面作了大量工作。聚焦碟的效率與聚焦比以及上限工作溫度有關，對于堿金屬熱電轉換器，其工作溫度在700℃-800℃，聚焦比可以在150D上下，效率可做到85%-9%。聚焦碟支架的設計需要兼顧跟蹤的要求，當?shù)氐娘L速和系統(tǒng)的振動。堿金屬熱電轉換器無運動部件，振動的約束大為緩和。

　　八十年代，湘潭電機廠曾與美國合作建立了張品直徑7.5米的聚焦碟，鋁質結構，表面鍍鋁反光膜，積累了寶貴的制作經(jīng)驗；近年來，國內隨著衛(wèi)星通訊與衛(wèi)星電視產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，拋物面天線的制作技術發(fā)展很快，比如深圳華達玻璃鋼公司引進美國的技術，制造的碟型天線，形狀精度完全能滿足太陽能發(fā)電的要求。中科院電工所則利用玻璃鋼質拋物面聚焦碟表面粘貼鍍鋁反光膜，當張口直徑為1.8米、焦徑比0.39時，焦斑直徑約40毫米，斑點溫度達1300℃，為進一步研制輕質、廉價的聚焦碟作了有效的探索。

　　3、鈉熱管吸熱器

　　鈉熱管吸熱器很大程度上可以借鑒太陽能/斯特林系統(tǒng)已有的研究成果，據(jù)1993年的報告，德國工程熱力學研究所為V-160斯特林發(fā)動機研制的和直徑7.5米碟型聚能器配合使用的鈉熱管吸熱器，經(jīng)歷了兩代的演進。第一代樣機，在鈉蒸汽溫度為700T時，工作60個循環(huán)，累計190小時，當蒸汽溫度達780℃時，熱管傳輸?shù)淖畲鬅峁β蕿?3千瓦。經(jīng)改進后的第二代樣機，吸收表面的最高溫度達900C，在西班牙的PSA現(xiàn)場試驗，已運行了730小時，在斯特林發(fā)動機系統(tǒng)中，鈉蒸汽攜帶的熱量必須傳給高壓的氦氣，在堿金屬熱電轉換器的場合，因為鈉蒸汽兼作熱電轉換的工質，鈉熱管吸熱器的設計可以簡化，國內工作用高鈉熱管的研制已有較多的成果積累，可作為借鑒。

　　4、貯能裝置

　　可以根據(jù)技術經(jīng)濟評價，把熱貯能和電力貯能結合實際起來考慮。因為點聚焦直接發(fā)電是單元型的發(fā)電系統(tǒng)，因此熱貯能可以是分單元配置也可以集中配置。特別要提到，像鈉硫電池和超級電容這類新型電力貯能器件在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中的應用正受到極大的關注，將成為新的發(fā)展方向。

　　另外，還可考慮用燃料油作為夜間或陰雨天無日照射的熱源，用燃燒熱維持發(fā)電系統(tǒng)工作，這將有利于降低系統(tǒng)的成本和光伏系統(tǒng)類似，太陽熱發(fā)電系統(tǒng)的并網(wǎng)運行也是降低系統(tǒng)成本的可取途徑。我們對電功率10千瓦的點聚焦太陽熱直接發(fā)電裝置技術經(jīng)濟指標所作的初步估計表明，系統(tǒng)凈效率可達24%,到2010年每千瓦的成本不超過人民幣20000元，同光伏發(fā)電相比具有顯然的競爭能力。

　　6、“十五”立項的建議

　　從以上敘述可知，點聚焦太陽熱直接發(fā)電系統(tǒng)，能夠高效率利用太陽輻射這一潔凈能源，在技術經(jīng)濟指標上可以與光伏系統(tǒng)匹敵，適合我國太陽資源頒不平衡，邊遠地區(qū)日照資源豐富、卻缺乏其他能源的情況，建議在，十五期間立項開展這種新發(fā)電系統(tǒng)的研究與開發(fā)，以在“十五”建成電功率2千瓦試驗裝置為目標，開展關鍵技術的研究，研究內容如下：

　　1） 高效碟形集能器及其跟蹤控制技術

　　2） 高效鈉熱管吸熱器

　　3） 堿金屬熱電轉換發(fā)電組件的優(yōu)化設計及工作可靠性

　　4） 新型熱貯能和電力貯能技術及其組合方式的研究

　　5） 點聚焦太陽熱直接發(fā)電系統(tǒng)技術經(jīng)驗分析