光热发电是通过聚集太阳辐射能加热换热工质，再经热交换器加热水，产生过热蒸汽，驱动汽轮机带动发电机发电。常见的光热发电形式有槽式系统、塔式系统、蝶式系统和菲涅尔式4种。光热发电采用传统的汽轮机和发电机进行发电，热能可以通过储热罐进行存储，平衡短期的气象及日照周期变化，电力输出具有相对良好的稳定性、连续性和可调性，能够参与电网一次调频和二次调频，满足电网用电负荷的需要，具备了大规模开发建设的可能。系统在运行过程中，虽然能量主要来至太阳辐射，不需要消耗常规的化石能源，但是太阳辐射资源却受到地理维度、季节、气候、气象等因素的影响。其次，对于大型槽式太阳能热发电系统来讲，一般建设规模大，占地面积大，且对场地的平整度也有较高的要求，这一点与风力风电不同。其三，槽式系统室外管道较长，散热面积大，如果环境温度较低时，系统热耗散也相应的会增大。其四，槽式系统的抗风性能相对较差，一般不宜在大风区域工作。
本文在研究太阳能槽式光热系统的基础上，结合我国的光热资源所在的地理环境，分析当前大规模发展槽式光热发电将面临的技术挑战。
1. 我国光热资源与光热发电
1.1 我国太阳能资源品位相对较低
根据国际太阳能热利用区域分类，全世界太阳能辐射强度和日照时间最佳的地区包括北非、中东地区、美国西部和墨西哥、南欧、澳大利亚、南非、南美洲东、西海岸和中国西部。根据德国航空航天技术中心（DLR）的推荐，不同地区太阳能热发电技术和经济潜能数据及其技术潜能基于太阳能年辐照量测量值大于6480MJ/m2，经济潜能基于太阳年辐照量测量值大于7200MJ/m2。目前世界上已建和在建的太阳能热发电项主要集中在西班牙和美国的加利福利亚，其中西班牙处于南欧地区，年辐照总量超过8100 MJ/m2，美国加利福利亚年辐照总量在9198~10512 MJ/m2，均显著高于DLR的推荐值。2014年以后，光热市场表现活跃并由集中区域向全球扩展。但由于西班牙电价补贴政策在2012年停止，其后西班牙光热发展处于停滞状态，美国则继续引领发展，南非、北非、中东、南美、东亚、东南亚、南亚等新兴市场表现活跃，印度、摩洛哥、南非都有5万千瓦及以上的大型光热电站投运，阿联酋、埃及、伊朗、意大利、以色列、智利、泰国、阿曼、沙特、科威特等国也有大型光热电站在建或筹备中。我国太阳能资源也比较丰富，大唐、国电、华电、华能、中广核等大型国有发电集团也在光热发电方面积极响应和动作，目前中广核德令哈槽式光热电厂正处于调试运行阶段。
根据文献[1]，[2]数据，整理出表1。从表1中不同国家太阳能资源的等级划分来看，我国的太阳能资源品位总体相对较低。太阳年辐照总量的大小直接影响着光热电厂的理论发电量，即同样集热面积的槽式光热发电系统建在年辐照总量高的地区要比建在低的地区发电量高。按照DLR的推荐数据，我国只有一类区域中较好的部分具有经济开发潜能。
表1：我国与主要发展光热发电国家的太阳能年辐照总量对比（单位: MJ/m2）
1.2 我国太阳能资源主要分布在西部
根据文献[2]研究，中国太阳辐照总量大致可以从内蒙的锡林浩特和腾冲连一直线分为东、西两部分。东部地区太阳年总辐射在5500 MJ/m2以下，整体较弱；西部地区上整体强于东部，高值中心在地势高、云量少的青藏高原地区，年辐射总量基本在6500 MJm2以上，最大值在噶尔（属阿里地区）可达8570 MJ/m2，为全国之首。根据文献[3]，西藏阿里地区大部、日喀则地区大部、山南地区西南部在8000MJ/m2以上，那曲地区大部、日喀则东部、拉萨市大部、山南地区中北部、林芝地区西部为7000~8000 MJ/m2。据文献[4]介绍，青海省太阳能资源储量全国低温，仅此于西藏，太阳能资源分布均匀，海西和玉树州西部年辐照总量在6400 MJ/m2以上。根据文献[5]得知，目前正在建设的中广核德令哈50MW槽式光热电站所在地，年总辐射数据区间为6406.2~6942.5 MJ/m2，其垂直辐射数值区间为6179.0~7614.9 MJ/m2，平均值为6641.7MJ/m2，日照小时数可达3050.5h，达到DLR的所提供的技术潜能测评指标，其年辐照总量相对于美国和西班牙的光热电站太阳辐照条件而言依然偏低。
根据文献[6]，[7]及相关数据整理出表2。从表2可见，年辐照总量在6100 MJ/m2以上地区主要集中在西藏、青海地区，以及新疆、甘肃、宁夏、内蒙的个别地区。
表2：我国1~2类太阳能资源区域年辐照总量在6100MJ/m2以上的典型地区
2. 我国太阳能资源丰富区域的地理环境
2.1 槽式光热对场地平整度要求较高
据西门子的相关资料显示，“一个50MW的槽式光热场地约为1.5平方公里，且要求南北斜度约为0.2%；东西斜度约为2%”；若场地的平整度较差将会提高基建费用。对此，通过网络卫星地图查看我国西部地区，如图1所示，可以看出青藏高原虽然日照资源是我国最丰富的地区，但是大部分地区都是山地，平地相对匮乏，且主要集中在河谷地带，而这些区域通常为农业发达地区和城市所在地，因此在这些地区发展大型槽式光热电站的地价成本会增加，比如西藏的拉萨和日喀则地区，青海的玉树和果洛地区，因此在这些地区发展大型光热电站的可能性相对较小。
从我国地形状况来看，有条件建造光热电站的地区主要在藏西北的阿里地区；青海的格尔木；新疆的哈密；甘肃的敦煌、酒泉；内蒙的阿拉善以及巴彦淖尔等地区。
图1：中国西部卫星地图
2.2 光照资源优越的区域基本都在风沙的重灾区，设备运行成本高
在我国光热资源丰富的地区，大部分同时也是风资源的丰富区域，如图2所示。槽式光热系统的聚光镜面积大，管现长，抗风能力相对较弱，不宜建设在大风地区。若要在大风区域建造，则需要对聚光镜支架采取必要的加固措施，严格的核算其结构强度，并采取安全、可靠的避风运行策略，否则会存在一定损坏风险。
图2：中国太阳能和风能资源分布图
图3：槽式光热系统集热镜阵列(2012年于西班牙Manchasol光热项目)
在我国西部太阳能丰富的区域大多属于沙化、半沙化或戈壁地区。这一点与国外的光热电站地貌相似，但通过查阅文献和网络搜索，难以看到近年来有关西班牙和美国的莫哈韦地区(美国光热电站的聚集区域)有沙尘暴的相关介绍和报道。我国则不同，在太阳资丰富的区域不仅有风、还有沙，容易形成沙尘暴，其中阿拉善、巴彦淖尔、新疆南部均是沙尘的重要源头。
根据文献[9]的研究，我国沙尘暴危险度最高的区域是新疆塔里木盆地西南的皮山-和田-民丰一带；其次是新疆的塔里木盆地大部、内蒙西部巴丹吉林沙漠、甘肃张掖和民勤等地区；危险度较高的区域有阿拉善高原、内蒙古河套平原南部和毛乌素沙地、甘肃河西走廊和敦煌地区、宁夏中部、新疆南部、青海的格尔木、刚查、西藏的拉孜等地区，如图4，图5所示。沙尘暴的危害主要体现在污染镜面，影响聚光性能；风沙侵入跟踪机构和转动部件，如旋转接头，降低其运行寿命，导致零件过早失效；清理污染镜面需要消耗大量的水资源，这对于干旱地区来讲成本较高；另外，长期的风沙侵蚀，对镜面也会造成一定程度的损伤，影响其反射效率。
在西藏地区除了阳光、雪山，也同样还有风和沙，据中国气象通讯员元旦次仁报道：“2012年3月21日下午15时，西藏阿里地区改则县遭遇特强沙尘暴袭击，最低能见度达到49米，15点20分改则县气象局自动站测得最大风速为24.8米/秒”。
图4：中国沙尘暴发生的气象危险度区划图
图5：1951~2006年中国沙尘暴年平均日数分布
2.3 太阳能资源丰富地区均属于偏远地区，输电成本高
在我国太阳能资源丰富的西部地区不仅地理条件恶劣，而且还远离电力负荷中心，这样将增加输电的成本。比如阿里地区人口不足十万，距离拉萨也较远，路程约1600公里。然而，美国和西班牙的光热电站所在地都有较大的城市，塞维利亚是西班牙的第4大城市；加州则美国经济最为发达，人口最多的地区。因此从这些方面来讲在我国太阳能丰富的区域建造大型的光热电站不仅设备的投资较西班牙和美国的高，而且输电成本也比他们的高。
3. 我国太阳能资源丰富区域的气候环境
3.1 太阳能资源丰富区域冬季气温较低
一般来说，槽式光热系统是先通过集热器将导热油加热到395℃左右，然后再用高温导热油将水加热成过热蒸汽推动汽轮机发电。就目前的技术来讲，VP-1导热油是槽式光热电站中主要的油品。该油品虽然能够在400℃的高温下长期稳定运行，但是其结晶点为12℃。槽式光热系统大量的管道布置在室外，大型电站的管道长度一般都有几十公里。这样系统的散热面积就很大，系统在冬季运行时遇到长期的低温恶劣天气，导热油将有凝固的危险。一旦导热油在管道内凝固，整个系统面临报废的危险。在表2所列的地区中，西藏的阿里地区冬季最低温度可达-41℃，其他地区的冬季最冷月平均温度也基本都在-10℃左右。冬季这些地区不仅是温度低，而且夜晚较长，太阳辐射强度低，持续时间长。在这种环境下运行，保温措施则显得尤为重要。
在文献[5]，德令哈光热电站区域“近5年来冬季低温区间分级情况时：-20℃~-25℃年平均出现52h，-15℃~-20℃年平均出现185h，-10℃~-15℃年平均出现637h，-5℃~-10℃年平均出现752h(31天)”。查阅西班牙和美国加州光热电站附近地区的气象资料后，发现国外建造槽式光热系统的区域，冬季温度一般都不太低。位于加州莫哈韦的光热电站，其位置在莫哈韦和巴斯托之间，更靠近后者。从一份巴斯托的房产销售资料上得知这一地区，夏季炎热最高温度通常超过38℃，冬季最低温度通常接近1℃，一年中仅有39天左右的温度较低，在0℃附近。温度最低的记录出现在1963年的1月13日，为-16℃。西班牙的格拉纳达槽式光热电站位于塞利维亚附近。从塞维利亚的气象资料中得知，该地区的冬季1月份的平均气温为12℃，7月份平均温度为29℃。
从气候的特点可以看出国外建造槽式光热电站的气候环境要比我国的条件优越。我国西部这些光照资源丰富的区域冬季平均温度都在零度以下，而且持续时间较长，即便是在春季中也有相当一段时间的温度较低。因此在我国建造和运行大型的槽式光热电站的成本和风险较高。
3.2 气候灾害天气多
我国西部太阳能丰富区域的另一个特点就是气候灾害天气较多，比如冰雹灾害和雪灾天气等。就槽式光热系统而言，由于集热器支架为跟踪支架，可以旋转，因此大雪难以在支架上形成有坏性的堆积；但是由于该系统中集热器上的聚光镜片和集热管外筒都是玻璃制品，抗打击能力则是需要考虑的问题。
据文献[10]研究，冰雹是强对流天气的产物，是西北地区夏季主要的灾害性天气之一。西北地区的雹灾损失是全国最严重的地区之一。这一地区出现冰雹的时段为3~10月份，来势猛、强度大，虽然持续时间不长，却可以使农作物瞬间遭到毁灭。同时，据文献[11]研究表明，青藏高原也是多冰雹的地区，夏季冰雹出现的频繁，主要出现在5~10月，雹日之多居全国之首。从相关资料来看，这些区域太阳能光照条件优越的时段也是冰雹容易出现的时段。
4. 总结和建议
根据上述的分析可以看出，在我国适合发展光热发电的区域总体上是阳光与风、沙、低温、冰雹并存。因此在光热发展上不能简单、直接的照搬照抄国外光热技术，否则将可能面临重大的风险。近年来国内电力能源过剩，目前风机设备价格已经降到了3000元/kW关口，设备成本约占风场建设成本的70%；而据某公司在新疆哈密地区建造50MW槽式光热发电系统中测算的成本大约是2.6万/kW，远高于风电建设成本。从国际光热发电的发展经验来看，是典型受政策和技术双重影响的市场。因此，在国内发展光热发电必须做好场址的微观选址，进行技术创新，克服环境所带来的不利影响，提高系统运行的可靠性和稳定性，降低电站建造成本和运营维护成本；并且还要研究和评估国家能源补贴政策，合理选择光热的有效利用形式，比如光煤互补，或者风光热互补等形式。
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