从国际发展现状与世界动向展望CSP的未来前景

(1.神宇国际机电研发中心，中国台湾 台北 11083;2.佛山科学技术学院粤台人工智能学院，广东 佛山 528225)

1 概述

绿能环保可减少资源耗损、降低污染排放，且有利于资源回收再生，是国际化石能源价格不稳、空气污染所造成气候变暖与气候异常、降低二氧化碳排放量等问题的极好解决方案，而太阳能是一种最好的绿能，其供应源源不断，又不会引起污染，更不会耗尽自然资源或导致全球温室效应，何况只要是日照充沛的地方，就具有足够的潜力来发展太阳能。

美国绿色科技市场调查公司Clean Edge曾估算，2020年全球太阳能产值高达1136亿美元，2023年将高达1584亿美元[1-2]。 Research And Markets.com与Yahoo!finance则以2018年全球太阳能产值525亿美元为基础，预估2026年产值将高达2233亿美元，亦即从2019年到2026年的年复合增长率为20.5%[3-4]。因此，发展太阳能可作为未来极优的选项。

太阳能的利用目前有两大类型，一类是人们熟知的太阳光电(photovoltaic，PV)，直接将光能借着光电板转换为电能，这是直接发电；另一类则是聚光光热发电(Concentrated Solar Power/Concentrating Solar Power，CSP)，为热能形式的太阳能，是间接发电的方式。CSP为聚光太阳热电之简称，其原理是利用镜子或透镜将大面积的太阳光聚焦于一个接收器，接着将光转为热(利用太阳辐射来加热液体物质，然后将其用于驱动热力发动机和发电机)驱动一个涡轮引擎，带动发电机发电或推动热化学反应。CSP是比PV发展晚的较新颖技术，所用概念虽简单，但实际上许多应用技术细节内容却不是那么容易，举凡干燥冷却、先进塔式接收器设计、在拋物线槽式CSP储能使用熔盐或其他液体储能、定日镜设计改进、超临界二氧化碳功率循环、无线场通信与控制等新技术，皆亟待研究发展，以增进整体效益、降低成本[5]。

PV首发量产是在2000年[6]，至2019年底，其全球安装量已达589GW(2018年全球安装量494.3GW,2019年全球安装增量94.7GW)[7-8]；而与PV相比，CSP技术的发展起步就晚得多，2019年底CSP全球安装量6451MW[9]，仅约为PV的1%。且依据Wikipedia的信息[6]，全球应用CSP电厂的国家极少，主要是西班牙和美国，其中西班牙2304MW，约占全球的36%[10]，美国1815MW，约占全球的28%[11]，其余较多的是中东、南非和中国，尚有极大发展空间，也有很多亟待开发的新技术。

2 CSP的国际发展现状

首先，目前美国共约有1815MW装机容量的CSP电厂在运营，加州有Ivanpah Solar Electric Generating System (ISEGS)、Genesis Solar Energy Project、Kimberlina Solar Thermal Power Plant (Kimberlina)、Mojave Solar Project、Sierra SunTower (Sierra)、Solar Electric Generating Station I (SEGS I)、Solar Electric Generating Station II (SEGS II)、Solar Electric Generating Station III (SEGS III)、Solar Electric Generating Station IV (SEGS IV)、Solar Electric Generating Station IX (SEGS IX)、Solar Electric Generating Station V (SEGS V)、Solar Electric Generating Station VI (SEGS VI)、Solar Electric Generating Station VII (SEGS VII)、Solar Electric Generating Station VIII (SEGS VIII)和Colorado等15个执行中的CSP Projects；亚利桑那州有Maricopa Solar Project、Saguaro Power Plant、Solana Generating Station等3个执行中的CSP计划；科罗拉多州有Colorado Integrated Solar Project (Cameo)计划在执行；佛罗里达州有Martin Next Generation Solar Energy Center (MNGSEC)计划在执行；夏威夷有Holaniku at Keahole Point计划；内华达州有Crescent Dunes Solar Energy Project (Tonopah)、Nevada Solar One (NSO)和Stillwater GeoSolar Hybrid Plant等3个执行中的计划；犹他州有Tooele Army Depot在执行中。依此可判断，若CSP无发展前途，美国不可能投入这么多资源[12-13]。

目前CSP也是美国能源部重新安排的研究重点之一，美国能源部官方认为以长远的观点看，CSP技术可提高电网稳定性[14]。美国能源部的太阳能技术办公室更支持CSP新型技术的开发，及其与电网整合的可负担性、性能和价值。并认为与当前的技术水准相比，新型技术的开发计划将降低成本、改进效率并提高可靠度。这些计划为CSP探索新应用，如在集热器、接收器、储热器、传热流体和功率循环次系统等的新设计与创新概念。尤其重要的是，CSP对颠覆人们认知的概念最感兴趣，有可能突破目前性能障碍，如效率和温度的限制[15-16]。

其次，西班牙目前拥有2.3 GW的CSP容量，几乎是欧洲所有已安装的CSP基地总和。强大的太阳能资源与充足的平坦土地面积，以及国内CSP专业知识都有利于西班牙CSP容量的增长。2018年，再生能源公司Yieldco Terraform Power通过收购集团Saeta Yield收购了5座50 MW CSP工厂，分别是 Extresol 1、Extresol 2、Extresol 3、Casablanca及Manchasol 2。且该公司的最新交易计划已于2020年第一季完成，产生超过公司9%～11%目标范围的股本回报率。此外，根据电网运营商Red Electrica发布的数据，西班牙的CSP电厂在2019年上半年的发电量达到创纪录的2.8 TWh，比历史平均水平高出约19.3%，占全国总发电量的2.4%，创纪录的输出信号亦提高了西班牙CSP工厂的营运与维护效率，还增强了投资者的信心。目前，随着市场前景向好，CSP投资者重返西班牙，ContourGlobal平台也因将其在Termosolar公司的250 MW CSP产品组合中的49%股权出售给瑞士信贷，而获得6500万欧元的利润。《新能源动态》调查结果显示，新的关税法规、成熟的工厂性能以及对储存的需求不断增长，增加了投资者对西班牙CSP所有权的信心。因此，行业组织Protermo Solar评论西班牙的CSP工厂，“可以继续运行而不会出现退化迹象，并结合可以提高效率的运行经验。”而依据政府制定的新10年能源计划，西班牙预计到2025年将CSP发电能力提高一倍，达到4.8GW，到2030年则达到7.3GW的装机容量。CSP专家则预测，成本下降可能会推动21世纪20年代欧洲的新开发活动，西班牙代表了最大的市场潜力，其他潜在市场包括葡萄牙、意大利和希腊等欧洲偏南国家[17]。

南美洲方面，随着开发商EIG全球能源合作伙伴子公司Cerro Dominador在智利的第一家CSP工厂接近EIG全球能源合作伙伴的子公司竣工，该公司正在准备对CSP行业进行开创性的竞标。2019年10月， Cerro Dominador又获得了SolarReserve在智利北部的450 MW Likana CSP项目的权利。CSP专家说，智利的进步帮助在其他拉丁美洲国家开辟了新的部署机会，秘鲁将需要南部可调度的发电能力来为其不断发展的采矿业提供电力，阿根廷政府也表示有兴趣建设其第一座CSP工厂[18]。

其余较具规模的有：南非目前有400MW的CSP装机容量，还有建造中的200MW，及规划中的100MW；摩洛哥目前已有380MW的CSP装机容量，未来规划还要在东部增加额外的400MW CSP装机容量，摩洛哥于2019年在Midelt开始了其第二个大型CSP项目，容量为800MW，且每天有5个小时的热能储存量；印度目前有营运中的228.5MW的CSP装机容量，以及建造中的299MW容量[6,19-22]。

3 各主要国家CSP的发展情况

目前全球致力于CSP的计划，是处于方兴未艾的状况，许多大型CSP计划正在世界各地筹划兴建。

在国际推动下，摩洛哥、中国、智利和阿联酋的公用事业规模CSP+TES(Thermal Energy Storage technologies)现已产生6.5GW的营运经验[23]。

迪拜宣布将成为全世界最大的CSP项目所在地，其耗资约40亿美元的Noor Energy 1太阳热能计划在2020年1月已完成世界最高的CSP电塔建造[24]。

由于CSP系统可以在白天产生多余的能量，并将其储存起来供夜间或将来使用，不仅可以改善财务绩效，还可以提高太阳能的可调度性和电网的灵活性，因此美国国家可再生能源实验室的最新研究，也建议具有热能储存功能的CSP可以用作补充解决方案，以克服PV的间歇性问题[25]。

2019年9月，欧盟已授予四年计划Horizon 2020资金1060万欧元，以扩大由瑞士新创公司Insolight开发concentrating solar modules的生产，该计划主要是致力建立有别于传统的PV或CPV，能在多云条件下收集太阳能的concentrating领航数组组件，以期将现有的18%～20%转换效率提升到30%[26]。这其实也是趋向精巧型模块化CSP的设计理念。

2020年，迪拜启动总投资38.7亿美元的“2050年迪拜清洁能源战略”的第二阶段，表达支持该计划的最终目标：使杜拜成为全球最大规模的CSP发电厂所在地，预计完成后将产生1000MW的清洁能源[27]。

阿曼预期将成为拥有蓄热能力的600MW CSP的国家，且首批500MW将于2021年即投入营运[28]。

为了加速应对全球气候变化，并实现2030年欧盟新的可再生能源占27%之目标，欧洲需要迅速扩大所有可再生能源的使用，因而要求开发进一步的新解决方案，特别是能解决能量储存关键问题的技术。Next-CSP计划就是针对这一需求的响应，并解决与CSP相关的重大改进，包括可用于直接热能储存的传热流体、太阳能场、允许新周期的管状太阳能高温接收器。该计划提出了一种使用于太阳能塔顶的流态化的管中颗粒(fluidized particle-in-tube)概念，这是一项突破性的创新，为开发新一代允许高效率新周期(高于50%)的CSP电厂开辟了途径，CSP电厂的效率将提高20%[29]。

2017年9月，美国能源部考虑CSP在稳定性、弹性和储能是最适合未来严峻考验的选项，并投入6200万美元用于CSP项目，推动解决PV严重缺陷的技术，这充分表达美国政府支持，要从已经达到市场成熟度的PV技术转向不那么成熟的CSP技术[14]。

美国国家再生能源实验室目前有与CSP相关的三大研究计划正在进行中[30]。计划一是在生产成本模型中仿真利用热能储存的聚光太阳能的价值，计划二是集中太阳能发电在美国实现可再生能源情景中的潜在作用，计划三是通过将CSP与热能储存一起使用，实现太阳能的更大渗透。

美国能源部太阳能技术办公室资助CSP技术领域及系统整合的早期研究与开发，旨在提高CSP技术在电网上的可负担性、性能与价值[16]。

西班牙的CAPSUN Technologies和GHENOVA Engineering公司共同开发了SPIRE & BLUESOLAR计划，该计划融合了PV和CSP的最佳功能，是一项突破性技术[31]。

位于伦敦的欧洲著名再生能源全球投资商Cubico Sustainable investments，除在西班牙投资拥有约150 MW的 CSP电站外，也考虑在非欧洲市场进行CSP投资[32]。

4 CSP的发展前景

综合CSP的国际发展现状与世界发展趋势可知，CSP不仅仍受美国、西班牙、南非、摩洛哥和印度诸国重视和持续投入发展，而且更扩充推广到欧盟、中东及南美洲，以及跨国合作、先进技术等系统整合。因此归纳推论CSP未来可能往以下几个方向发展。

4.1 应用新技术降低成本

由于全球的PV安装量目前占太阳能发电的最大宗，因此，在成本的考虑上，经常会有人将CSP拿来与PV比较。依据Kerry Thoubboron 2019年资料，从安装成本和能源平均成本(LCOE)来看，PV是较便宜的技术，而这是由于许多因素造成的，包括安装简便性和硬件要求；CSP则是一种较新的技术，需要更专业的技术和安装方法，从而增加了成本。尽管安装的普及使PV的价格下降了，然而随着技术的进步，CSP的成本将来也有望进一步下降[33]。

因而，对于与PV相比等于刚起步的创新技术而言，CSP可因电厂操作所得经验帮助降低成本，未来亦可因下述进行中的新技术开发成功增进效率而大幅降低成本[34-36]：

①改进使用干燥冷却，大量减少用水，降低成本。

②先进塔式接收器设计可在760～816℃高温运行，提升效率而降低成本。

③与目前400℃情况相比，新型硅基传热流体可以在425℃运行，形成更少的低沸点和气态化合物，预期可降低5% CSP成本。

④在拋物线槽式CSP储能使用熔盐，处理温度达550℃，有可能降低成本多达33%。

⑤定日镜设计改进，可实现更有效的光捕获、更高的反射镜精度、更好的驱动器和无线技术，将可预期降低成本30%～40%。

⑥超临界二氧化碳功率循环借着具体改良高温太阳能转换成电力的效率，亦有降低CSP成本的潜力。

⑦无线场通信与控制(wireless field communication and control)应用于CSP行业是另一项创新，可将CSP的布线减少85%，从而加快施工进度并降低成本。

事实上，目前CSP的成本并未过高，并能随着相关新技术的推出而不断降低成本。例如2017年5～10月，CSP成本就从9.4美分/kWh，降到低于5美分/kWh，其整体竞标价格在短短半年就降低约50 %，因此尽管目前CSP的成本比PV高，但已显示出快速降低的巨大潜力，而未来新技术、投资机制、政府支持、积极竞争、数据网络接口资源等因素都可能影响最终成本，亦表明未来CSP将可借由改善上述因素进一步降低成本[37]。当然，公司也必须尽一切努力，进一步降低CSP能源成本价格，从而在激烈的竞争中保住市场份额。Turner认为，“总成本系统研究证明，对于某一国家的总发电成本，使用CSP将比不使用CSP电厂的总成本更低，因为PV电厂的实价(若政府对应减少必要的经济激励)将更高”[38]。

4.2 利用热能储存技术优化发电效率

在发电效率方面，依据Kerry Thoubboron 2019年6月的数据[33]，CSP系统的太阳能发电效率取决于许多因素，包括CSP系统的类型、接收器和引擎。事实上，目前大多数CSP技术的效率在7%～25% ，与PV的solar cells转换效率其实相当(目前市场上大多数太阳能板的效率是在14%～23%)。此外，CSP系统可通过使用蓄热并根据需求提供太阳能，从而帮助解决与太阳能可变性相关的电网集成难题，且即使日落后亦可保持储存的热量至需要用电时。CSP可生产对电网友好的可调度电力，其电力不仅可以调度，无论晴雨，都可以每天24小时调度，在夜间运行亦无需外部备用燃料，这是PV难望其项背的。PV过于依赖阳光，无法产生恒定、平稳的加班时间，尤其是在阴天期间更曝其短。此外，当太阳下山时，用电需求增加到很高的水平，但PV输出却下降，从而导致著名的加利福尼亚鸭形曲线(California Duck Curve)现象(白天太阳能充足，总负载线低，其形状像鸭腹；晚上无太阳能，总负载线高，其形状则似鸭脖)。PV还需要逆变器将直流电转换成交流电，但逆变器效率不高、容易引发故障，且价格昂贵，而CSP可直接产生交流电无此顾虑，未来储能的竞争加剧将更能凸显CSP的优势。

通过使用热能储存技术(Thermal Energy Storage technologies,TES)来存储能量，有助于克服太阳能发电的不规则性问题，而使太阳能热技术在发电行业的渗透率有所提高，从而使CSP系统成为大规模发电更具吸引力的选择。而储备CSP系统产生的多余能量，则可帮助改善财务绩效，以及太阳能的共享能力和电网的灵活性[39]。

未来全球CSP容量与发电能力将进一步增加，且会利用互联网将物联网(Internet of Things,IoT)①纳入CSP用途，活跃的互联网连接可帮助CSP更有效地满足客户需求，解决相关资产管理的挑战，并保持公用电网上的均衡负载，因而可能降低任何风险[40]。

4.3 开发新的解决方案

由于CSP是通过使用各种反射镜配置，将太阳的能量转换为高温热量来产生电力。这些特殊技术的工作方式，使太阳能通过各种反射器聚集，然后将这些聚集的能量用于驱动热力发动机和发电机。该技术包括两个关键：一是收集太阳能并将其转换为热能，二是将热能转换为电，这两项关键技术的突破可以提升CSP工作绩效，值得期待。

例如，美国加州的CSP技术初创公司Heliogen于2019年11月19日宣布，通过改善CSP塔式数组的反射率，达到更高的反射镜精度，使聚焦温超过了1000℃。该公司使用摄像头和先进的计算机视觉软件，使定日镜更精确地对准，以提高太阳能效率。在比尔·盖茨(Bill Gates)的支持下，证明了其高温CSP技术可以代替化石燃料工厂进行工业生产。其最终目标则是达到1500℃温度，使能分解二氧化碳和水，以生产氢或合成瓦斯(syngas)②等燃料[41]。

又如，德国宇航中心(DLR)正在开发一种离心式CSP接收器，以提高CSP设备的温度极限，增加系统效率，该接收器目前出口处的颗粒温度已达到965℃[41]。

其他，如开发干燥冷却、先进塔式接收器、新型硅基传热流体、熔盐储能、改进定日镜设计、运用超临界二氧化碳功率循环、应用无线场通信与控制等新的解决方案，也将是CSP未来发展的必然趋势[34-36]。

4.4 全球CSP的使用将更普及

随着开发商Cerro Dominador在智利的第一家CSP工厂的竣工，该公司正在准备对CSP行业进行开创性的竞标。2019年，Cerro Dominador获得了SolarReserve在智利北部450MW Likana CSP项目的权利，并准备将Likana项目竞标到2020年6月智利的下一次电力拍卖中(交付期是2026年)，这次竞标没有技术类别，将使CSP不得不与其他发电类型，例如联合循环燃气轮机(CCGT)竞争，这也暗示着开发商坚信未来CSP的使用将比现在更普及[42]。

借助最新的CSP技术设备，企业可以在许多方面获得竞争优势，尤其是在成本管理、削减成本和降低价格方面。为了在市场上获得更好业绩，全球各地将制定CSP发电保持环境安全清洁、小区免受污染、有益后代等方向的实施目标，增加全球CSP使用，创造更多就业机会[43]。

4.5 发展精巧型模块化CSP

2020年2月17日，《Future Power Technology》刊载Julian Turner的最近研究建议：较小规模的设计可能有助于振兴对CSP领域的兴趣，因为许多大型CSP电厂的效率较低，是由于反射光在接收器和定日镜场之间较大距离传播时散开。研究指出，解决方案应该“使中央接收器模块化、更高效和可扩展”，而每组约30 MW将是首选解决方案，效率将可提升近25%[38]。

美国国家可再生能源实验室(NREL)和科罗拉多矿业学院(CSM)亦曾提出过一种不同于传统CSP设计的新方法，他们的想法是将典型的CSP规模缩小1000倍，从100 MW降低到100 kW，并使用廉价的材料和被动传热机制来降低成本。据估计，这样可以将光学效率从66%提高至84%，且发电成本低于12美元/kWh[44]。

在这方面，针对大楼或小型小区型发电，可完全避开国际间大型CSP电厂专利，构想设置每单位面积约100m2左右，模块设计以4～6片镜面镀膜金属反射板组成集光镜，将太阳光反射到镀膜聚光板，经二次聚焦后产生的能量使管路间液体沸腾，再通过特制高效无叶片式涡轮与小型高功率、低噪音的轴向磁通永磁发电机，可直接产生定量的交/直流电力，且无需逆变器，可以独立或串并联使用，以提供商业建筑、住宅小区无污染的辅助性电源。若再配合主要电力的智能型电网，以各地设置分散发电的方式，则必可缓解高峰时段的用电压力。

5 结论

发展太阳能绿能是全球未来极优的选项，而位居太阳能应用的两大类型之一，CSP虽然发展较PV晚，目前成本也高于PV，但从国际发展现状与世界趋势可知，CSP因逐渐积累较多电厂操作经验而帮助降低成本，未来会因许多目前进行中的新技术开发成功提高效率而大幅降低成本，CSP更可凭借其所独具的储热功能而优化发电效率。再者，CSP是收集太阳热能，将热能转换为电能，针对这两项关键开发技术提升CSP工作绩效是可以预期的。开发商在世界各地对CSP的投资将更普遍，发展精巧型模块化的CSP则是可以预见的未来趋势。虽然目前全球受新冠肺炎病毒肆虐依然持续，但若超前准备，相信未来必定能创造出人与自然和谐相处的美好前景。

CSP和PV都有各自的优缺点。在能量存储和效率方面，CSP具有优越性，因为它可以借助TES技术储存能量。另一方面，PV无法产生或存储热能，因为它们直接发电，而且说是PV成本低，其实是未考虑储电装置时，一旦PV与储电装置结合时，PV的成本优势就会失去。目前，锂离子电池组的成本虽已降至230美元/ kWh以下，但仍很昂贵。也很难预见电池技术和材料将取得怎样的突破，在不久的将来成本降低与否尚不确定。另一个问题是，在PV的整个生命周期中，更换电池可能需要4～5次，因此退化仍然是一个严重的问题，况且成本很高。而CSP系统对于大规模发电更具吸引力，因为热能储存技术比电能储存技术要高效得多。CSP系统可以在白天产生多余的能量，并将其储存起来供夜间使用，不仅可改善电力系统的财务绩效，还可提高太阳能的可调度性和电网的灵活性。根据美国国家可再生能源实验室的最新研究，也建议具有热能储存功能的CSP可以用作补充解决方案，以克服PV的间歇性问题[5,45]。

尽管就节能而言，CSP显然是效率更高一筹，但这并不意味着它是最佳选择。两者之间，PV便宜，因此能源投资者更倾向于使用PV。换句话说，尽管CSP具有优势，但它并不是最受欢迎的。但是，所有这些零和辩论(仅选择其中一种)是没有意义的，因为它们不必相互竞争，零碳洁净能源的“鸡蛋”也不必全放在一个篮子里。实际上，如果两者切实合作，世界将变得更加美好。我们可以期待未来出现一种新的太阳能发电技术，它将是两者的混合体[46]。目前杜拜就刚好正在落实一个CSP与PV混合的5 GW太阳能公园计划[47-48]，而西班牙CAPSUN Technologies和GHENOVA Engineering公司共同开发的SPIRE & BLUESOLAR计划融合了PV和CSP的最佳功能，也堪称另一项突破性技术[31]。

当前，受新冠肺炎疫情影响，各行各业的正常营运、生产制造等皆受影响，以致于人际互动大量减少，商业活动无法正常运行，似将陷入毁灭性的经济衰退。其中尤其是石油价格的崩盘，更将直接影响原先绿能科技的急迫性，若这种情况持续下去，可推测所有产品的成本肯定将是重要考虑。然而危机亦是转机，COVID-19带给人类威胁的同时也对人类示警，须超前考虑如何避免重蹈环境伤害，进一步创造人类与地球共存的环境。因此，在受疫情影响再度恢复正常之前，对于CSP的未来发展作出客观、科学的分析，做好充分准备是非常重要的。

注释：

①物联网一般为无线网，是因特网、传统电信网等的信息承载体，让所有能行使独立功能的普通物体实现互联互通的网络。由于每个人周围的设备可以达到1000～5000个，所以物联网可能要包含500兆～1000兆个物体。物联网将现实世界数字化，应用范围十分广泛。在物联网上，每个人都可应用电子卷标将真实的物体上网连接，也都可以查出它们的具体位置。通过物联网可用中心计算器对机器、设备、人员进行集中管理、控制，也可以对家庭设备、汽车进行遥控，以及搜寻位置、防止物品被盗等，类似自动化控制系统，同时通过收集这些小事物的数据，最后可以汇聚成大数据，应用于包含重新设计道路以减少车祸、都市更新、灾害预测与犯罪防治、流行病控制等重大改变，以实现物与物的连接。

②合成瓦斯是一种燃料气体混合物，主要成分是氢气、一氧化碳和二氧化碳。