第586期【齐悦读—线上共读—透视新科技】 “齐悦读”[线上共读] 《超级镜子》
（通讯员 邓辉）
讲座题目：透视新科技——超级镜子
主 持 人：胜 春
做客嘉宾：张剑寒，中国科学院电工研究所助理研究员。
陈 征，北京交通大学老师。
讲座时间：2024年8月12日～8月18日
（备注：讲座视频可循环播放）
透视新科技——超级镜子
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。在甘肃敦煌荒凉的戈壁滩之上，有一片一万多面镜子组成的壮观“镜子群”，在阳光的照耀下闪闪发光。在它们的环绕之下，一座高塔巍然屹立其中，这是亚洲最大光热电站，也是中国首个百兆瓦级的国家太阳能热发电示范电站，2018年落地建成，被人们形象的称为“超级镜子”。在给千家万户提供电力的同时，它新奇的造型也吸引着无数游客前来驻足游览，激起了人们无限的好奇，这么一大片镜子是怎么发电的？这样的发电站又有什么独特之处呢？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。两位还是先给我们介绍一下什么是光热发电？
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。过去大家熟知的是光伏发电，您这个超级镜子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，我们把这个过程叫光生伏打效应，或者光电效应，那么我们光热发电实际上是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。那么我们看到面前的这座电站，实际上也是这样，我们千千万万个，我们叫定日镜，把所有的太阳光都反射到我们塔上的一个点上。那个点上我们放置一个叫所谓的吸热器，这个时候我们吸热器的表面的温度就非常非常高，一般来讲是要到几百（摄氏）度以上，这个就是光到热的一个过程。如果我们把这个热能传下来以后，然后水通进去，把水加热成高温高压的水蒸气，推动汽轮机发电，这个就是一个热到电的这样一个过程。
陈征先生，您怎么理解这个超级镜子？其实我们小的时候，我相信至少绝大多数男同学都干过这样的事，拿着小镜子反太阳光。这个超级镜子是拿来聚光，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，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，那这个时候就把太阳光突然聚集得非常强，照在一个点上。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。我再问一下张先生，这个镜子跟我们普通家用的镜子，肉眼上看有区别吗？
肉眼上看是有区别的，你认真看这个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。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。第二个区别，我们这个镜子，我们可以想象一下，这个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计算我这个镜子扭转的角度，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，每天早上起来就跟着太阳走，晚上就归到我们原来的位置上。在自然界，向日葵水平跟踪太阳的角度误差大约是15度，而科学家们所设计的“超级镜子”跟踪的角度误差被控制在1/10度以内，这也就意味着，这些“生长”在光热电站的“钢铁向日葵”跟踪太阳的精度大约是自然向日葵的150倍。除此之外，这些“超级镜子”还有什么精妙的设计呢？
第三个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。我们小学的时候好像做过这个实验，中间坐热水是吧。对，就是一个像卫星天线一样的，然后表面贴上反光的材料。比如说铝箔、锡箔这样的东西，然后中间那个焦点的地方放一个水壶就可以烧水，咱们这个超级镜子电站的前半部分，其实你可以把它想象成一个太阳灶，就是我们原来用的那个太阳灶，它比较小，所以我可以做一个完整的抛物面，可是当我们要在几百平（方）米，几千平（方）米的这个范围里边，收集阳光的时候，做一个那么大的抛物面，是一个技术上很困难的事情。那我们就把这一个一个的面给它拆开，做出若干个小面，然后把这个阳光聚焦到一点，也就是说光热电站的前半部（分），你就可以把它想象成一个太阳灶，或者太阳能热水器，基本原理差不多，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，然后把水加热成高温高压的水蒸气，去推动蒸汽轮机，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。好，那说到这儿，可能我们的观众已经理解了，刚才说的这个超级大镜子这种发电站，就是光热发电站。我们前面看到的这个新闻短片当中，看到是建在敦煌的一个光热发电站，那对于光热发电的建设，对于地域性的要求很高吗？
地域性要求还是蛮高的，嗯，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，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，太阳光又特别特别好，所以那个地方就特别适合于建设我们太阳能热发电站。目前我们这个光热发电站有没有投入使用，如果投入使用的话，这个效果是怎样的？
我们真正这种大规模的电站的投入使用是在2018年以后，那么我们前面举的这个例子，就是敦煌的电站，它的装机容量就是100兆瓦。它一年发出来的电，如果按照设计值，它就能发出4亿度电，可能还不止4亿度电，那它会带来一个什么样的后果呢？我们先和燃煤电站来比较一下，我们这个优势就是降低排放。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，就会产生大量的污染的排放。那么我们太阳能热发电站，实际上我们是烧太阳光的，太阳光没有污染，比如说我们建一个100兆瓦的一个太阳能热发电站，一年下来以后，我们太阳能热发电能节省什么？能节省13万吨标准煤，二氧化碳减排30万吨，减少9000吨硫化物的排放，减少4500吨氮氧化物的排放，这个巨大的环境效益就非常非常突出。没错，您刚才把数据一列出来，我们就清楚了。煤炭，作为我国最主要的电力来源，在为我们提供大量电的同时，伴随而来的滚滚黑烟也给我们的环境带来了雾霾、酸雨、气候变暖等多重危机。于是，人类逐渐开发了像太阳能、风能，这样取之不尽、环保减排的新能源，如今风力发电的风车和太阳能光伏板，已随处可见。与他们相比，同样利用太阳能的后起之秀光热发电技术除了环保之外，又会展露出什么独特的优势呢？
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，由太阳（能）转成热能再转为电能，要多这么一个步骤呢？网上经常有人说我有一个特别伟大的发明，我发明了一个太阳能手电筒，有太阳光照的时候，我的手电筒就亮，没有太阳光照的时候，我的手电筒就不亮。晚上没有太阳，它也没有光，它这个手电的意义就不大了。对，所以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。光伏发电是直接将太阳能转化为电能，但是现在的科技水平还无法将太阳能直接存储起来，而大规模储电的成本目前居高不下，安全性较低。因此，功能良好的光伏电站能否工作，完全依赖于太阳光的实时情况。当太阳冉冉升起，电流也滚滚而来，太阳一旦落山，光伏板也就停止了工作。而且，光伏发电量也受到天气情况的制约，艳阳高照时发电效率高，一旦出现云、雨、雪等天气，发电效率就会迅速降低。而人类的生产、生活活动，需要稳定、持续的电力供应，光伏发电的不稳定性决定了它目前不能作为基础的能源提供方式。太阳能光热发电技术是将太阳能先转化为热能，再将热能转化为电能，而热能可以以清洁的方式、低廉的价格被存储起来，在有需要的时候随时转化为所需要的电能。如此一来，不稳定的太阳光就可以转化为稳定的电能，供人们24小时不间断地使用了。
像刚才张老师介绍的这个太阳能光热电站，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，这样就能保证我这整个这个月，不至于月初大鱼大肉，月末就干啃馒头。那我们打一个比方，左边我们叫热罐，右边有一个罐子叫冷罐，早晨起来的时候，通常我们这个冷罐里头是装满了熔盐的，这个熔盐的温度是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面，吸热器里的熔盐就会被加热，加热到560度（摄氏）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，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，到第二天凌晨的时候，这个冷盐罐就充满了热盐罐里的热盐就没有了，我们这个叫放热过程。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。
但同时我又想出来一个新的问题，既然我们可以存储热能，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。对。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。那在实际应用当中，您有哪些可以值得跟我们分享的故事吗？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，但实际上我们这个热发电，从汽轮机组出来这个水的温度，达不到100（摄氏）度，那怎么办呢？
我们想用的办法就是抽真空，比如说我们就在这个青藏高原，青藏高原上那个水的沸点实际上是八九十（摄氏）度。比较低的。就沸腾了，大气压越低，那我这个沸点就越低，这样的话，我们就可以把海水放到一个真空装置里头，它的沸腾温度符合我们汽轮机出水的这个温度，这样就可以产生淡水。东南沿海地区，这个土地价格比较贵。没法建设我们太阳能热发电站，但是在新疆，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。比方说西红柿、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，因为从刚才张老师的描述看，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煤互补技术，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。
光热发电技术环保、稳定，能与多个领域联用，具有十分光明的应用前景，迄今为止我国的光热电站在不到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。发展如此迅猛的光热发电技术，对我国的能源发展有着什么重大的意义？未来又将会有怎样的前景呢？我们国家发展光热电站，从国家能源发展上来讲，它的意义是怎样的？那么2016年以来，就是我们国家能源局、发改委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的快。那么截至我们今天（2020年），我们国内的装机（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。这确实是一件可喜的事情，我还特别希望您跟我们聊一聊，关于这个光热发电技术，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这种各项的政策和措施。很多人想这么好的能源，我们可以西气东输，不能西电东输吗？在西部地区阳光比较好的地方，我们多建一些这样光热的电站，然后我们输到东部，输到这个祖国的四面八方，不是很方便的事情，所以最后特别想让两位跟我们预测一下，我们这光热发电未来的前景。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。
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，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。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，就是装置容量的11%，这个指标也是我们太阳能热发电从业者一个对未来的一个比较好的憧憬。非常感谢两位来到我们演播室当中，好，感谢各位收看我们今天的《透视新科技》，我是胜春，咱
