钜光刘晓冰：集合槽、塔、碟三种技术优势的创新型SUNSAIL光热发电系统护航光热电站

——专访钜光太阳能科技（北京）股份有限公司董事长刘晓冰

　　“中国光热发电行业起步较晚，但我们不能只甘于做国外技术的跟跑者，我们要与其并肩跑，甚至不断超越，成为全球光热发电行业的领跑者。”钜光太阳能科技（北京）股份有限公司（以下简称钜光）董事长刘晓冰日前在接受记者专访时如是表示。

　　刘晓冰带领下的钜光正从两个方向发力，来践行他所说的这句话。11月10日，钜光在青海德令哈落户的全国首个光热电站调试运维服务中心“BOSS服务中心”揭牌成立。同时，钜光积蓄多年研发的SUNSAIL单塔双碟式聚光系统样机“SUNSAIL800-600”也于青海博昱新能源公司厂区内动工建设。

图：钜光董事长刘晓冰

　　刘晓冰：这主要在于我对槽式、塔式、碟式三种太阳能热发电技术路线的经验积累。2003年12月8日，我离开沈阳的一家国企来到北京，加入了中科院电工所王志峰老师的团队，并担任团队的副主任，自此以后我真正进入了太阳能热发电领域。

　　在此期间，我参与了塔式、槽式以及碟式太阳能集热器的研发，其中包括全国第一个槽式系统，总长约12米，建于北京通州。在国家“十一五”863项目中，我有幸担任了其中的国家太阳能塔式热发电项目定日镜方面的组长。在此期间，我深度参与了对塔式定日镜的设计、制作、安装、调试及测试等工作，并对其有了更为充分和全面的了解。

　　2009年完成这个国家课题以后，加入了一家美国公司，这家公司的技术源自美国NASA研发的碟式太阳能技术。我在该公司担任副总裁期间的主要责任就是将这个示范系统推向市场。按照计划，公司计划采用该技术在敦煌建设装机18MW的光热电站。

　　但事实上，在调试过程中，我们始终无法将系统调试至设计温度，在对系统的每个部分进行逐一甄别后，我们发现该技术可谓是“先天不足”，在设计储热系统温度850摄氏度情况下，其实际温度只能达到约500摄氏度，那么这将近300摄氏度的热量损失到哪里了呢？经排查后发现，系统的管道过细，流量过小，相对损失过大，3米长的管道损失热量将近300摄氏度，这对整体系统而言是个“死穴”，采用一般方式几乎无法解决。

　　在重压之下，我结合此前针对不同技术路线的经验，以及该项目的失败教训，将项目原有设计的88个碟式系统变成两个碟，因此，在SUNSAIL系统中既能看到塔式与槽式技术的影子，又有碟式的技术根基，且规避了空气传输管道热量损失的弊端。

　　2010年，我就SUNSAIL技术申请了专利，并接受公司指令在半年内制造出该技术样机，用这一技术替代原有技术建设18MW的光热电站。经项目业主单位几轮分析论证后同意，用SUNSAIL替代原有的聚光集热方案。设计院也对此进行了可行性分析。2011年10月份，敦煌发改委、能源局也对SUNSAIL方案非常青睐，甚至提出将SUNSAIL电站作为一道景观，把项目原选址地改至省道附近。但遗憾的是，由于公司资金链断裂，最后这一设想并未实现。

　　2012年我对这一技术又做了进一步升级。SUNSAIL一代技术需要与汽轮机耦合，也需要用水，目前的SUNSAIL第二代系统是通过与微燃机、斯特林机、超临界CO2布雷顿机结合做到“无水”发电，即日常只需镜面清洗用水，发电过程则无需用水。

　　刘晓冰：在光热发电常见技术路线中，碟式技术的最大优势就在于高效率，例如斯特林机的效率可以达到30%以上，甚至40%。从光热发电的技术来讲，槽式技术是目前最稳妥的技术，从成本而言也是目前最低的，但是导热油槽式技术输出的温度一般在393摄氏度左右，但这一温度一般只能用于过热蒸汽发电，而过热蒸汽发电机组热电转换效率最高也仅有30%左右，再乘上此前的热效率，最终理想的光电转换效率可能仅有24%。而效率往往决定了机组一年的发电量，也是制约电价的重要因素之一。

　　通常情况下，塔式技术路线目前成本高于槽式，且占地面积大，但当前之所以有声音认为塔式技术能走得更远，就在于塔式这种点聚焦式的技术可以让系统达到更高的运行温度，甚至实现超临界技术发电。传统的燃煤技术正在关停小机组，让技术向超临界甚至超超临界方向发展，这是火电目前正在走的路，那么在成本下降困难的情况下，光热发电若想要替代火力发电势必要提高机组发电效率，例如提高镜场输出参数，采用超临界技术，效率能够达到44%。因此有观点认为塔式技术能比槽式技术走得更远，但这一观点的前提是使用熔盐工质运行温度达到560摄氏度以上，若采用过热级发电技术槽式不会逊于塔式的。

　　但国际上也有把碟式系统作为未来发展方向的观点，一般而言集热温度越高，效率越高。SUNSAIL的运行温度就可以在600摄氏度至1600摄氏度之间取舍，根据应用端或者负荷端的需求输出相应温度以及相应的能量。通过超临界二氧化碳透平发电或者前置储热、后置斯特林机发电的方式以及微燃机发电的形式提升项目年发电量。

　　就热损失而言，SUNSAIL的热损低于槽式。槽式集热场面积大，输送管网长，造成其热损失相对较大，它要靠设置伴热系统来维持基础温度。

　　就光损失而言，SUNSAIL的光损失低于塔式。50MW的塔式光热电站，镜场最远定日镜和集热塔距离甚至可以达到1.5公里以上，这意味着其光在聚集过程中衰减很大，它光斑溢出也不可避免，但SUNSAIL的聚光光程很短，仅几十米左右，且抛物面的三点一线逐日跟踪方式，使得光的余弦损失非常小。

　　此外，还有更重要的一点就是无水发电。当前太阳能热发电行业面临一个较为“尴尬”的问题：太阳能热发电站适宜建设于DNI值较高的戈壁沙滩，但是往往这些地区严重缺水。在“十三五”可再生能源规划中就提到引领太阳能热发电发展的技术应该是深度节水技术。而SUNSAIL的特点恰恰符合这一发展方向，这更是其相对于槽式与塔式的优势所在。

　　刘晓冰：传统碟式技术路线包括碟式斯特林机发电，最稳定的单碟只有25千瓦，功率较小且发电功率较难增加。有人曾想将单碟发电功率设计为30千瓦，增加了5千瓦，结果却不尽人意。当然可能还有其它因素的影响，譬如增加了机组发电功率，势必需要加大聚光镜的面积，远端支撑着的斯特林机距离碟的位置则要更远，这些都会影响聚光能流的稳定性。

　　传统碟式最致命的问题就是没有储热。国家首批光热发电项目名单之所以没有碟式项目，和目前碟式斯特林发电技术无储热不无关系，没有储热就无法完全展示出光热发电的优势。若无储热，碟式技术的性质将与光伏类似，但相较于光伏，碟式技术并无成本优势。

　　但事实上，从70年代开始，碟式聚光集热技术分为两种技术路线：聚光-集热-碟式斯特林机直接发电和聚光-集热-储热-发电/热利用模式。SUNSAIL系统则采用的是第二种方式，通过集热塔吸热-储热然后发电。因此，SUNSAIL可能成为碟式在该发展方向上的新的里程碑。钜光所作的就是搭建了太阳能聚光集热的一个平台，后续需要靠多单位，多学科和相关产业的发展来推动和实现其的市场应用。未来SUNSAIL将邀请中国科学院电工所来进行第三方性能检测。

　　此前我带领的美国公司团队为18MW电站设计的单个系统是1250m²聚光面积，而本次SUNSAIL样机集热面积设计为800m²。就目前全球范围内而言，澳大利亚和以色列分别都有不同形式的碟式聚光集热系统，聚光面积都为500m²。SUNSAIL采用800m²的设计，既突破了世界现有记录，又不会造成太大的技术困难；既可以验证了系统性能和技术的可行性，又减少了样机的投资。SUNSAIL800-600样机的名称含义就是800m²的集热面积，达到600摄氏度的输出温度和每小时590kW的功率输出能力。

　　刘晓冰：从成本而言，针对刚才提到的2011年设计的18MW光热电站测算的电价为1.47元/千瓦时，与当时的槽式、塔式技术光热电站基本持平。而SUNSAIL800-600样机的成本是按照1.15元/千瓦时电价反推得出的，如SUNSAIL技术经运行和优化更加成熟后，其成本或将降到1元/千瓦时以下，来满足二批示范项目甚至以后的电价要求。国家给予光热发电行业的机会不会像光伏，从4元/千瓦时到2元/千瓦时再到1元/千瓦时，甚至几毛/千瓦时这样一个平稳的过渡过程。在可再生能源竞争激烈的今天，光伏、风电等许多可再生能源发电价格都在大幅度下降，国家要求光热的电价下降幅度的期许也将是非常大的，光热必须在短时间内有所突破，因此SUNSAIL面临的最大压力并非技术压力，而是成本压力。

　　刘晓冰：SUNSAIL的储能主要依靠材料的耐高温性。我曾尝试研究过核电中的一种材料——铅锑合金。这种材料有两个很好的特性：低温性能好，凝固点一般在150摄氏度；高温性能达到1600摄氏度，温域跨度极大。熔盐则不一样，低熔点熔盐可将凝固点降到150摄氏度以下，有些凝固点甚至更低，但熔盐最高温限与最低温限几乎是平行移动的，低温性能好（凝固点低），但高温性能就不好（沸点低）。

　　铅锑合金的储热温度跨度大，非常适用于SUNSAIL技术，但是铅锑合金比较重，高温环境下，容易“腐蚀”管路，并不适用。除了熔盐工质以外，也有建议使用氦气作为工质。同样地，这一材料也是核电领域技术之一。SUNSAIL技术对工质材料的选择其实很宽泛，只要能耐住600℃以上高温的储热工质都能用，如空气、陶瓷、熔盐、液态金属等。未来采用何种工质一要考虑用户端的需求，而要适应储热/传热载体材料和工质材料的技术发展情况，但目前SUNSAIL800-600样机暂定选用熔盐工质作为传/储热材料。

　　刘晓冰：SUNSAIL的吸热器采用的是特殊设计的“腔式牛眼吸热器”。之所以叫做腔式牛眼吸热器，是因为它保持“眼珠”不转，即保持吸热体固定，但使“眼皮”转动，防护壳（腔体）、使抛物面反射镜的法向永远朝向吸热器开口中心，使太阳能、吸热器开口以及反射镜法向三点一线。这也是碟式技术的特点之一，正是因为这一特性，使得光的余弦损失较小。

图：SUNSAIL聚光集热器

　　刘晓冰：在钜光公司成立之前，我计划今年完成样机建设，但是目前来看，整个过程或将推后半年，这主要由两方面原因造成的：1、钜光公司是一个从无到有的初创期企业，研发团队也有一个组建-适应-磨合的过程；2、钜光团队与众多合作单位的磨合也需要时间；3、季节问题，进入冬季，施工受到影响。按照目前进度来看，预计明年六、七月份左右样机可以建成。之后将对样机进行性能测试，与此同时将进一步优化SUNSAIL结构，进入降低成本和应用技术研究及推广环节。

　　刘晓冰：SUNSAIL技术虽然是我个人专利，但其诞生得益于我在中国科学院电工研究所的锤炼。SUNSAIL样机曾有计划建设于延庆基地，但由于一些其它原因与光照资源等问题，最终放弃了这一设想。而德令哈光照资源优越，且德令哈已在一定程度上成为国家光热基地，在此处打造SUNSAIL，可在最短时间内证明SUNSAIL技术的可行性，最主要的是博昱接纳了我们，他们还有一套（Loop）能运行的槽式系统，这为我们下步开发槽-碟（SUNSAIL）的应用技术提供了条件。

　　此外，样机最大的作用还是性能的测试与展示，若要将其效益发挥至极致则需要将其投入实际应用中，对此我有两个方案：

　　第一个方案叫槽-碟式技术推广。槽式技术是目前公认的最为成熟的技术，但其劣势在于输出温度较低，但槽式与SUNSAIL结合后，其输出温度无需达到393摄氏度，没有必要冒着碳化的危险去接近导热油的极限温度400摄氏度，如槽式输出温度达到350摄氏度左右即可。再通过SUNSAIL“接力”，提高整个镜场的输出温度。例如建设50MW的槽式电站，可采用112个槽式回路与112个SUNSAIL结合的方式，经测算，此法可能需要增加5.6%的镜场投入，但是输出温度提高以后，机组的发电效率也就提高了，发电量可增加20-30%，所以相对而言，能够提高最终的项目效益。

　　第二个方案是建设SUNSAIL的独立式电站，也就是无水发电站。建设无水发电站，不需要选择水资源好的地区，相反，选择光资源好但又缺水的地区，更能将SUNSAIL技术优势展现地淋漓尽致。这是一个考验，也是SUNSAIL市场价值和生命力的体现。

　　刘晓冰：在没有SUNSAIL技术之前，我们也曾研究过碟式技术的优势。碟式系统可以用于分布式，也可用于集中式。若用于集中式则与光伏类似，每一个系统都是独立的单元，可复制性强；若用于分布式，系统完全可以做到既发电又供热。但槽式、塔式系统无法用于分布式，只能规模化。因此，我认为碟式系统应该从分布式先发展而不是从规模化入手，在分布式这个领域就没有塔式与槽式的竞争。在从分布式入手的过程中，逐渐降低碟式技术成本，甚至达到低于槽、塔的成本，那么碟式技术将获得更强的生命力。因此，我认为SUNSAIL或许是中国光热弯道超车，推动光热行业领跑的机会所在。

　　多方案试水二批示范项目申报　 

　　刘晓冰：由于钜光自身还不完全具备独立承担示范项目的能力，钜光打算作为技术提供方与技术服务方，采用与业主单位及设计单位联合的方式参与二批示范项目。目前，钜光考虑了三种申请项目的技术形式：

　　一、槽碟混合式的电站，钜光准备在2018年申请一个100MW的槽碟混合式电站。通过槽式与碟式的结合可提高发电机组的效率，利用紧挨SUNSAIL样机的青海博昱槽式示范回路即可进行槽、碟结合的性能测试。

　　二、2018年或2019年，用SUNSAIL技术申请一个50MW的光热发电项目。对此，钜光还在寻找发电端的方案：一个是二氧化碳透平超临界发电，不少煤电已经采用该技术，美国某10MW项目也已经成功应用该技术。但经过与美国桑迪亚实验室讨论后，中国目前无法在这一领域与其开展合作；还有一种是斯特林机发电，前置储热，后置发电的方式。目前已经找到意向合作企业来提供一种非能动的斯特林机技术，可有效解决高温、高压、高速下的动密封问题；三是一种微燃机技术，SUNSAIL通过集热使温度达到900摄氏度，将这一温度提供给微燃机发电，剩下600摄氏度的余热通过水、二氧化碳再加上二氧化铱催化剂反应生成一氧化碳和氢气，将产物作为燃料燃烧可再次用于发电。这一过程也就是化学储热过程，把太阳能通过化学键的性质储存起来。在这三种发电后端技术中择优选用，钜光就可以在2019年左右申请光热发电项目。

　　三、100MW的“钜光”太阳能塔式电站。之所以是“钜光”，是因为该电站的镜场技术是围绕“钜光定日镜”和“钜光塔式镜场布置思想”展开的。本人曾对定日镜有过深度的研究，深刻了解定日镜技术的关键所在。当下在世界范围内对定日镜开展各种研究的单位和个人很多，可谓是各有千秋，但不管是谁，不管给出何种形式，都要回答二个问题：功能和成本。我认为功能问题是定日镜本身的问题，同时也是电站系统赋予定日镜担当什么责任的问题。定日镜场投资问题，有定日镜本身的结构设计问题，更有定日镜镜场布置的合理性问题。通过合理的镜场布置加上配套的定日镜可综合降低塔式电站成本。若是单纯控制定日镜的单台成本，降到最后对其质量和性能可能会产生一定的影响，比如影响抗风能力等，因此单纯地走这一条路，很容易走进死胡同，或只能降低有限的成本。

　　因此，在推进SUNSAIL技术的同时，钜光与几家合作企业还在进行“钜光定日镜”研究，也正在和有关单位联合开发“钜光塔式电站镜场布置软件”。

　　刘晓冰：我认为二批示范项目申报不会如第一批那样踊跃，第一批有130多家企业积极申报。首批示范项目申报包含许多中国式的投机精神，通过首批示范项目，业内人士或将更加理性。首先不管申报何种技术，成本都是必须考量的因素。在目前可再生能源发展的大形势下，第二批示范电站给予的电价肯定会更低，对企业的要求也更高。在低成本前提下，技术上一定要有所突破，争取超越而不是跟跑国外技术。因此，考虑成本约束下的技术先进性至关重要。可再生能源发展迅速的背景下，光热行业面临的压力不小。可再生能源种类繁多，光热行业成本再不下降，技术上再不突破，就很可能会被互联网+其它可再生能源取代目前看来不可或缺的基荷与调峰的战略地位。所以大家必须要有危机意识。

　　刘晓冰：钜光公司是以SUNSAIL技术为脊梁创建的科技型公司，但是SUNSAIL技术的研发和推广肯定是需要时间的，这一定是一个“烧钱”的过程。为了能够确保这个过程平稳顺利的进行，钜光需要尽快培育自己的“造血机能”。所以在成立公司之初我们就想钜光公司要以两条主线展开，即生存线和发展线。SUNSAIL无疑是发展线，它是公司未来的希望；生存线是什么？考虑目前正值光热发展上升阶段，市场缺少调试运维服务，于是我们整合了国内领域里顶级的研究院所和专家团队，联合内蒙古能源发电投资集团电力工程技术研究院及西班牙技术团队联合打造了全国首家调试、运维服务中心。也就说为传统的太阳能塔式、槽式发电站建设提供服务自然就成为了我们钜光公司“生存线”。

　　刘晓冰：钜光除了镜场服务以外，还计划代理国外的一些仪器设备，在与CSPServices公司洽谈的过程中，我们提出了一种“光热4S店”的理念，这是一种类似于“光热医院”的理念，例如“急诊”：电站运行过程中发生突发情况，我们就会“出诊”；还有“门诊”：包括电话咨询等。随后钜光总经理刘寒光提出了“BOSS”服务中心的概念，“BOSS”的英文诠释为Business服务拓展，O&M运维调试，Sparepart配件供应，Survey信息反馈。

　　刘晓冰：“BOSS”的主要业务是围绕太阳能热发电站的四岛（太阳岛、储热岛、换热岛和发电岛）展开的业务拓展、运维服务、零配件供给、信息反馈（包含提供镜场建设技术服务，电站镜场运维服务，国外高质量仪器仪表的供应、承接对产品和工程性能与质量的检测测试服务等）。其中最重要的一项应该定位于调试运维，首批示范项目中有选择分岛EPC模式的，所以整体的调试运维招标对钜光也将积极参与。

　　刘晓冰：最核心的应该是对国外技术的整合能力，科学引进海外技术人员，把国外技术与国内的诉求匹配起来的能力。钜光公司正是具有和展示了这样一个能力，再加上我们都是深度参与了中国太阳能热发电技术发展沿革过程，并了解中国的国情，了解中国的政策，了解中国的企业文化，了解中国的工程文化，了解中国的自然环境，了解中国太阳能热发电技术发展所处阶段，我们占尽了天时、地利、人和。

　　钜光与外籍专家的合作是深度的，钜光所用的国外技术人员并不只适用于对国内示范项目的调试运维，这些技术人员将在未来共同拓展SUNSAIL技术的海外市场。所以他们不但技术和经验高超，收费也合理。

　　刘晓冰：这些设备主要是指运维过程中对设备的一些更换。目前与CSPServices在检测方面可能有合作机会，此外，针对熔盐阀、熔盐泵等设备，钜光也有代理海外产品的意向。

　　刘晓冰：BOSS服务中心的外籍专家拥有在Andasol电站、Bokpoort、Xina&KaXu以及Gemasolar等多个知名电站的运维经验，这也是钜光的竞争力之一。具体而言，钜光的竞争力主要体现在几个方面：首先是对于西班牙海外团队的整合，其次是对国内专家团队的整合，包括太阳能热发电、热利用的一系列专家。此外，钜光还斥资邀请专家对钜光团队进行闭门培训，提升自身现场解决问题的能力。明年1月，钜光还将对团队人员进行再一次的专业培训，使得团队的服务能力更强。