太阳神晚上发电吗？
来自赫里俄斯的礼物
太阳能是地球上的生命接触到的一种重要的能量形式。当赫里俄斯每天驾着四匹火马拉着的太阳能汽车驰骋天空时，它给地球带来了巨大的能量。粗略估计，地球在1小时内从太阳获得的能量，比全球人口在1年内消耗的能量还多。[2]
那么我们如何利用这种能量呢？
赫里俄斯给了我们光和热。光可以通过给光伏电池充电获得电能。光伏发电技术起源于20世纪50年代贝尔实验室首次研制成功单晶硅电池。这个靠光伏效应发电的家伙就像充电电池。当太阳光照射在光伏板上时，会导致材料中PN结的光电效应，电子发生重排。在光伏板上，P为极正，N为极负。当太阳光给电池充电时，PN极连接到用户，就可以获得电能。[3]
太阳能电池原理示意图
热能可以作为太阳热能来发电。这种发电技术比较简单，反射器将光线聚焦在集热器上，尽可能吸收太阳光的热能。这些热能通过热机驱动发电机输出能量。是不是像“太阳能热水器”的升级版？据21世纪经济报道报道，“海归”带回了一套太阳能热发电系统。虽然这种发电技术在新闻中呈现为这位海归带回的赫里俄斯神器，但实际上，太阳能热发电系统并不是什么新鲜事。美国加州槽式抛物面太阳能热发电系统总容量已达354兆瓦。十几年来，为电网供电50亿千瓦时。由于其太阳跟踪能力差，加上管道和水泵的支持，由于各种阻力和热损失，系统的效率只有15%左右。但由于技术成熟，在美国仍是太阳能热发电的主体。北京延庆也计划建造这样一座塔式太阳能热电站。100定日镜用于收集太阳光并将其反射到100米高的太阳能吸收器塔的吸收器中。收集的热能加热水，产生蒸汽，可以作为动力发电。[4]
塔式太阳能热发电站示意图
赫里俄斯的神谕
报道中的“海归”声称，太阳能热发电的转换效率可以达到80%，与目前的太阳能热发电效率相比，跨越了数倍。那么他从赫里俄斯带回来的神谕是什么样子的呢？我们来看看有哪些方法可以提高太阳能发电的效率。
1，更高效的太阳能接收器
对于太阳能光伏发电，太阳能接收器是光伏电池。由于电池中PN结纯度(即充电电池正负极分布)等因素的影响，一般光电转换效率只有15%~20%。目前一些实验室专门做的砷化镓光伏电池可以达到35%左右。[5]然而光伏电池产生的是直流电，需要通过逆变器转换成交流电输送到电网。这个反转过程也会导致一定的能量损失，使转换效率降低5% ~ 10%。[2]因此，我们还需要更高效的逆变器。太阳能光伏发电的效率可以提高到30%。
对于太阳能热发电，是集热器接收太阳能。聚集的太阳光直接照射集热器表面(即各换热管表面)，换热管内的工质高速流动，吸收太阳辐射的能量，达到较高的温度和压力，从而促进热机的运行。这方面可以选择吸热性能好、有利于热循环的工质，如利用高温熔盐的塔式太阳能热发电；碟式太阳能热发电使用氢气或氦气。
此外，集热器收集的热能需要配备高效的热机才能转化为电能。这种热机的效率极限类似于传统能源的效率极限。不同的是，常规汽轮机的供汽由锅炉提供，蒸汽温度和压力可以达到很高，这使得目前汽轮机的热电转换效率最高可达35%左右。而太阳能热发电的温度达不到锅炉燃烧的热值，所以常规汽轮机的效率极限远低于35%。
集热器
目前，当我们谈到太阳能热发电时，我们经常会提到斯特林发动机，它对蒸汽的要求比常规蒸汽轮机低，更适合太阳能热发电。在凡尔纳的科幻小说《海底两万里》中，著名的潜水艇鹦鹉螺号使用了一台斯特林发动机作为发动机。
值得一提的是，即使在科幻小说中，从170斯特林发明斯特林发动机开始，斯特林发动机基本上就没有发展过，这有点类似于爱迪生对特斯拉交流电的无情打压。在常规汽轮机逐渐成熟的时代，意义非凡的斯特林发动机已经被现有技术压制。如今，新兴的太阳能热发电给了斯特林发动机新的机遇，我们不妨期待它在传递赫里俄斯神谕方面发挥更大的作用。
2.让阳光来得更猛烈些吧。
更强烈的太阳光对于光伏发电和火力发电的发电效率有非常积极的意义。就光伏发电而言，更强的太阳光可以使光电效应更加明显，提高光电转换率；对于太阳能热发电来说，太阳光的强度也与集热器的温度直接相关。集热器温度越高，产生的蒸汽饱和度越高，更多的蒸汽可以参与驱动汽轮机做功，效率自然提高。
但是，由于太阳神每天不知疲倦地从东跑到西，有着伟大的博爱精神，不遗余力地把自己的能量分散到各处，这给太阳科学家带来了很大的麻烦。为了提高太阳能的利用率，减小太阳能发电装置的体积，一方面要使太阳反射镜跟踪太阳的运行，时刻捕捉和聚集大束太阳光。为此，科学家发明了定日镜，它可以自动跟踪太阳的运动，调整镜子的方向，使单位体积的光电或光热转换设备获得尽可能多的太阳能。另一方面，为了增强太阳光的聚光效果，应该提高反射镜的“聚光比”。目前具有定日镜功能的高聚光比镜成本很高，使得定日镜的成本仍占一个太阳能电站建设成本的40%以上。这使得定日镜的太阳能电价保持在0.5美元/千瓦时以上的高水平。高效率和发电成本仍然是太阳能发电需要调和的矛盾。
目前太阳能发电的效率前景
目前在太阳能光伏发电中，主要是固定方位的大面积平板光电转换方式。该模式技术成熟，但转化效率不高。科学家正在研究高聚光光伏电池。在定日镜的帮助下，这种电池始终处于一大束太阳光的焦点，在单位面积上可以吸收更多的太阳光，因此光电转换效率得到了提高，达到了30%左右。但是光伏电池也吸收更多的热量，所以必须配备散热装置来降低电池的温度，以保证这些电池的工作寿命。额外的冷却系统需要消耗能量，这降低了发电效率。再加上上面提到的DC转交流电过程中逆变器的损耗，太阳能光伏发电的效率仍然在30%以下。目前太阳能光伏发电的主要研究方向是“廉价定日镜+高转换聚光电池+高效散热系统+低损耗逆变器”。
在太阳能热发电中，碟式太阳能热发电的光热转换效率最高。由于圆盘形反射镜的聚光比可以达到3000以上，一方面，接收器的吸热面积可以很小，从而实现能量损失少(接收器吸收的热量散失少)，光热转换比最高可以达到80%左右；另一方面，如此高的浓缩比，接收器的接收温度可以达到800℃以上，产生的蒸汽可以高效率地驱动斯特林热机，实现由定容加热-等温膨胀-定容冷却-等温压缩四个过程组成的热力循环，非常接近卡诺循环模型。根据热力学第二定律，在相同的高、低热源温度T1和T2之间工作的所有循环中，卡诺循环具有最高的热效率。在理想状态下，斯特林发动机的热效率几乎等于理论最大效率:[6]
碟式太阳能热发电
但由于热机设计、工质选择、流体流动特性、传热特性、辐射传热等因素，美国SIM公司生产的新一代斯特林发动机STM4-120的效率仅为29.6%。[7]欧美一些科研机构宣称，在实验室条件下，斯特林热机效率可以达到40%左右。【8】需要注意的是，斯特林热机的效率是40%，这是现有制造技术下最接近理想卡诺循环下的转换效率，蒸汽推动热机做功几乎不可能高于这个值。
这样太阳能热发电的光能到机械能的最大转换效率可以达到40%*80%=32%。热机再带动发电机运转，最终总的光电转换效率可以达到30%左右。目前，中国科学技术研究院正在开展的10KW disc/Stirling系统示范工程系统，总体设计效率为17.96%。
结论:目前光伏发电或光热发电的转化率不能超过40%。而那个海归带回来的太阳能热发电技术号称达到80%的光电转换率。我们很难想象，这种可以对人类能源结构产生巨大影响的史诗般的变革，会以一种隐秘的形式悄然进行。更何况如上所述，这80%的光电转换率也突破了现有的物理定律。与其上演新能源秀，希望赫里俄斯的信徒有一天会从天上掉下来，我们还不如静下心来学习太阳能的基础知识。
作者:不朽的艾格尼丝
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来源:壳牌
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