第1章绪论
1.1能源短缺与环境问题
能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础。纵观人类社会发展的历史，人类社会文明的每一次重大进步都伴随着能源的改进和更替。能源的开发和利用极大地推进了世界经济和人类社会的发展。18世纪以来，以煤炭、石油、天然气为主的化石能源逐渐成为世界能源的支柱。目前，世界一次能源消费仍以化石燃料为主。例如，2020年世界一次能源消费总量达到了556.63EJ，其中化石能源总量为462.77EJ，占比高达83.1%[1]。
然而，由于化石燃料储量有限，这种以化石能源为主的能源结构越来越难以为继，人类社会正面临着日益严重的能源短缺问题。截至2020年末，世界石油、天然气、煤炭的探明储量分别为17324亿桶、188.1万亿立方米、10741.08亿吨[1]。按照2020年的开采水平，上述三大化石燃料分别仅能供应53.5年、48.8年和139年[1]。对中国而言，我们面临的能源形势更为严峻，截至2020年末，我国已探明的石油、天然气和煤炭的储量分别为260亿桶、8.4万亿立方米和1431.97亿吨，分别仅占世界总储量的1.5%、4.5%和13.3%[1]。按照2020年的开采水平，我国的上述三大能源分别仅能供应18.2年、43.3年和37年[1]。
此外，化石能源的开采、输送、加工、转换和消费过程都直接或间接对生态环境产生了负面影响。特别是大多数化石能源都是通过燃烧过程被消费掉的，此过程向环境排放了大量的二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物和粉尘等，造成了严重的环境问题，包括全球变暖、酸雨、大气污染、水污染等。例如，化石能源燃烧排放的二氧化碳等温室气体对热辐射具有选择性吸收作用。一方面，大部分波长较短的太阳辐射可以穿过大气层并被地表吸收；另一方面，地表发射的波长较长的热辐射则难以透过温室气体，削弱了地表向宇宙空间的散热作用。以上两方面共同作用导致地球温度上升，即全球变暖。全球变暖会导致全球降水量变化、冰川与冻土融化、海平面上升等问题，既危害生态平衡和人类身体健康，又威胁人类和其他物种的生存。
目前，能源短缺和化石燃料燃烧导致的环境问题已成为制约全球经济社会发展的重大瓶颈，直接影响到人类未来的生存与发展。因此，开发和利用可再生能源将是世界能源发展的必然选择。发展新型替代能源技术，实现经济社会可持续发展势在必行。根据《bp世界能源统计年鉴》（2021年版）[1]，2020年，包括太阳能、风能、地热能、生物质能、生物燃料在内的可再生能源在全球一次能源中的占比达到了5.7%，同时可再生能源发电量也占到了世界总发电量的11.7%。而我国2020年可再生能源在一次能源中的占比达到了5.4%，可再生能源发电量也占到了全国总发电量的11.1%，与世界平均水平相当。由此可见，虽然在过去十余年间，可再生能源利用技术获得了长足发展，但是目前可再生能源在一次能源和发电量中的占比依然较低。
为推动能源结构转型、解决环境问题，目前世界各国都在调整其能源发展战略，积极推动以太阳能为代表的可再生能源的开发和利用。2020年9月，习近平主席在第七十五届联合国大会上宣布：“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”。①（简称“30.60目标”）根据《bp世界能源展望》（2020年版）[2]，在未来30年内，可再生能源在全球一次能源中的占比将持续增加，且化石能源的占比将逐年下降。至2050年，在不同的情境下，可再生能源在全球一次能源和发电量中的占比分别有望增至22%～59%和35%～64%。与此同时，可再生能源在我国一次能源和发电量中的占比分别有望增至23%～55%和34%～55%。
1.2我国的太阳能资源
可再生能源是指可以通过天然或人工过程再生和反复利用的能源。可再生能源的组成具有多元化的特征，主要包括太阳能、风能、水能、海洋能、生物质能和地热能等。在众多的可再生能源中，太阳能是人类*早使用的一种可再生能源。地球接收到的太阳能的总量异常丰富，一年内到达地表的太阳辐射总量约为885百万TW.h[3]，相当于2020年世界一次能源消费量的5500多倍。
我国太阳能资源尤为丰富，三分之二以上地区的年太阳辐射总量超过1400kWhm2，年日照数大于2000h。陆地每年接收的太阳能辐射总量相当于1.68X106百万吨标准油。从地域分布来看，我国太阳能资源分布总体呈“高原大于平原、西部干燥区大于东部湿润区”[4，5]的特点，其中西藏、青海、内蒙古大部、甘肃大部、新疆、宁夏、北京、天津、海南、黑龙江西部、吉林西部、辽宁西部、河北大部、山东东部、山西大部、陕西北部、四川中西部、云南大部等地区的年太阳辐射量都在1400kW+h.m-2以上（表1-1）。我国太阳能资源*为丰富的地区是青藏高原，其年总辐射量超过1800kWhm-2，部分地区甚至超过2000kWhm—2，接近世界上太阳能资源*为丰富的撒哈拉大沙漠地区。
由此可见，全球和我国的太阳能资源的储量都极为丰富。若能高效地将太阳能捕集起来，并转化为人类所需的其他形式的能源，就能够提升太阳能在我们一次能源中的占比，推动能源结构转型，进而解决人类所面临的能源短缺和环境破坏等问题。
1.3太阳能利用的主要途径
太阳能利用是指采用特定的装置，高效地捕集太阳辐射能，并将其转换为热能、电能、化学能等其他形式能量的过程。太阳能利用的基本方式可分为四类，包括太阳能光热利用、太阳能发电、太阳能光化学利用、太阳能光生物利用。
1.太阳能光热利用
太阳能光热利用过程一般采用太阳能集热器等装置来捕集太阳辐射能，并将其转化为热能加以利用。根据温度的不同，可将光热利用分为低温利用（<100°c）、中温利用（100～250C）和高温利用（>250c）。目前，主要的低温光热利用装置有太阳能热水器、太阳能干燥器、太阳能蒸馏器、太阳能采暖、太阳能温室等。在低温光热利用过程中，一般会采用无聚光装置的平板式集热器或聚光比较低的线聚焦集热器，如抛物面或复合抛物面槽式集热器。中温光热利用装置主要有太阳能供工业热水、水蒸气、热空气或导热油系统，太阳能空调制冷系统，太阳灶等。在中温光热利用过程中一般会采用抛物面槽式、抛物面碟式或线性菲涅耳式聚光器。高温光热利用装置主要有太阳炉，太阳能冶金装置，大型抛物面槽式、抛物面碟式、塔式、线性菲涅耳式集热器等。
2.太阳能发电
太阳能发电技术分为光伏发电技术和光热发电技术。
光伏发电技术是一种利用半导体的光生伏特效应将光能直接转变为电能的技术。典型的光伏发电系统主要由太阳能电池板、控制器和逆变器三大部分组成。光伏系统的核心是太阳能电池板，其主要由半导体材料制成。目前，用来发电的半导体材料主要有：单晶桂、多晶桂、非晶桂、砷化嫁、砷化嫁招、憐化铟、硫化镉、硫化镉、钙钦矿等。由于近年来各国都在积极推动光伏发电的应用，光伏产业的发展十分迅速。到2021年底，光伏的全球装机容量已经达到约843GW，而中国的装机容量也达到了约310GW[6]。
光热发电技术是一种利用太阳辐射的热效应加热工质并驱动热机做功发电的技术[7]。在光热发电系统运行过程中，其首先采用大型聚光器聚集太阳辐射能并加热导热油、水或熔盐等吸热工质；接着，既可以直接使用吸热工质吸收的热能来驱动热机做功并带动发电机发电，又可以将热能存储起来，以备夜晚或白天阳光不足的时候使用。与光伏发电技术相比，光热发电技术起步较晚，目前装机容量较小，但处在快速发展阶段。到2022年11月，光热发电电站的全球装机容量达到了约6.7GW[8]，中国的装机容量为536MW[9]。
3.太阳能光化学利用
太阳能光化学利用一般是指在光催化剂的作用下直接将太阳能转化为化学能的太阳能利用技术。目前*常见的太阳能光化学利用方式为太阳能光化学生产燃料，主要包括太阳能分解水制氢、太阳能光化学转化CO]制碳氢燃料等。近年来，随着光催化剂合成、改性技术的进步，太阳能光化学转化生产燃料的效率日趋提高，但目前离商业化应用还有较长的一段路要走。
4.太阳能光生物利用
光合作用是绿色植物（包括藻类）利用叶绿素等光合色素，在可见光的照射下，将二氧化碳和水转化为储存着能量的有机物，并释放出氧气的生化过程。太阳能光生物利用即基于植物的光合作用将太阳能转换为生物质的利用方式。目前主要有速生植物、油料作物和巨型海藻等。由于自然界植物的光合作用效率一般低于1%，因此光生物转换速率通常较慢，植物生长也较慢。近年来，高效光生物转化植物方面的研究获得了越来越多的关注。
1.4太阳能光热发电技术的原理及发展历程
在各种太阳能利用方式中，太阳能光热发电技术具有发电效率较高、便于规模化等优点。更重要的是，大规模储热技术的引人极大地削弱了太阳辐射变化对发电性能的影响，使光热发电技术具备了全天候连续稳定发电的能力，可以有效提高发电系统的调度性，并弥补风力发电、光伏发电间歇不稳定的缺陷，有助于实现电力系统的稳定、高效运行。鉴于此，近年来光热发电技术获得了快速发展。按照聚光器结构的不同，可将光热发电技术分为抛物面槽式[叫、塔式[11]、线性菲涅耳式[12]、抛物面碟式[13]四种。图1-1给出了四种典型的太阳能光热发电系统的实物图，下面将分别详细介绍它们的技术原理和发展历程。
1.4.1槽式太阳能光热发电技术
槽式太阳能光热发电技术是目前发展得*为成熟、商业化程度*高、装机容量*大的太阳能光热发电技术，从20世纪80年代至今，其已经历了40余年的发展历程。按照吸热工质的不同可将槽式光热发电技术分为三类，即以导热油、水、熔盐为吸热工质的系统。
1.以导热油为吸热工质的槽式系统
1980年，美国与以色列联合组建的卢斯（LUZ）公司*早开始研制槽式技术。*初的槽式光热发电系统以导热油为吸热工质，且没有储热装置，其原理如图1-2所示。由图1-2可见，这种槽式系统主要由监控子系统、聚光集热子系统、辅助能源子系统、换热子系统和蒸汽朗肯循环发电子系统组成。系统的主要部件包括数十列抛物面槽式集热器、蒸汽产生器（预热器、蒸发器、过热器）、辅助锅炉、透平、发电机、控制装置等。
在不同的光照条件下，该槽式光热发电系统会采取不同的运行模式，如图1-2所示。当白天光照充足时，抛物面槽式集热器的跟踪轴会跟随太阳方位转动，从而使得抛物面聚光器将阳光汇聚到位于抛物面焦线处的集热管上。集热管主要由金属吸热管和套在其外部的玻璃管组成，吸热管外壁覆盖有选择性吸光涂层。吸热管与玻璃管在其两端通过金属波纹管连接在一起，并将两管之间抽成真空，以减少热损失。接着，集热管会吸收聚光器汇聚而来的大部分太阳能并将其转换为热能，然后再传给集热管中的导热油。随后，加热后的导热油从集热器尾部流出。*后，高温导热油携带的热能在蒸汽产生器中加热给水，生产高温蒸汽，进而驱动循环发电子系统发电。在夜晚或白天光照不佳时，采用辅助锅炉来加热导热油，进而产生蒸汽以维持系统运行。
从1984年到1991年，LUZ公司先后在美国加州建成了SEGSI～SEGSK共9座以导热油为吸热工质、无储热的槽式光热电站[9]。每座电站的装机容量在14～80MW，9座电站的总装机容量为354MW，全年并网发电量可达800GW.h。SEGSI电站*初设计了直接以导热油为储热介质、储热时长为3小时的储热器，可是该储热器后来被火灾烧毁了，而其他几座SEGS电站都未配备储热装置。为保证在夜晚或白天光照不足时电站仍可稳定发电，除SEGSI和SEGSn外，其余7座电站均配备了天然气锅炉，运行中天然气贡献的发电量约占25%。
SEGS系列电站先后采用了三种聚光比和光学效率依次增大的集热器，即LS-1、LS-2和LS-3。例如，初期建设的SEGSI、
展开
