“封閉式槽式技術(shù)只是降低成本學(xué)習(xí)曲線的起點”

這句話來自對槽式集熱器技術(shù)發(fā)展了如指掌的人：Markus Balz。他在國際結(jié)構(gòu)工程和咨詢公司 Schlaich Bergermann Partner （sbp）工作了20多年，領(lǐng)導(dǎo)太陽能發(fā)電技術(shù)的開發(fā)。2022年12月，他開始在當(dāng)時新成立的公司 Glasspoint 擔(dān)任首席技術(shù)官。他與其他三位前sbp同事一起，在斯圖加特的Glasspoint技術(shù)中心深入研究封閉式槽式集熱器技術(shù)的進一步開發(fā)和成本優(yōu)化。我們與他討論了影響較大的成本節(jié)約措施，以及支持創(chuàng)新路徑的所謂整體數(shù)字模型。照片：Glasspoint

在 Schlaich Bergermann Partner，您負責(zé)開發(fā)不同類型的槽式集熱器，這些項目為美國、西班牙、中國和北非等多個商業(yè) CSP 項目設(shè)定了標準。與 Glasspoint開發(fā)的封閉槽技術(shù)相比，最大的區(qū)別是什么？
Balz：Glasspoint 于2010年開始，推出了第一個由溫室保護拋物面反射器的試點系統(tǒng)。這是一個突破，因為它大大降低了曲面鏡上的風(fēng)載荷，因此可以制造得更輕。與未受保護的槽式集熱器相比，溫室使鏡子的材料只有1/6。您確實會損失大約5%的溫室輻照，但這遠遠超過了因節(jié)省材料和簡化的防腐蝕而降低的成本。

輕量化設(shè)計還有另一個重要優(yōu)勢。我們可以將接收器管永久固定，因為我們可以圍繞管旋轉(zhuǎn)輕質(zhì)鏡子。由于市場上所有堅固的拋物線槽，接收管固定在鏡子上，并圍繞結(jié)構(gòu)的共同重心旋轉(zhuǎn)。

如果接收器不動，有什么好處？
Balz：標準的槽式拋物線系統(tǒng)使用移動接收器，這需要大量的旋轉(zhuǎn)接頭或柔性軟管。這些組件不僅價格昂貴且需要大量維護，而且還限制了系統(tǒng)的工作壓力，并限制了傳熱流體的選擇（通常是合成油），因此溫度低于395°C。
相比之下，固定接收器設(shè)計允許更廣泛的傳熱流體，包括高溫液體鹽。這是可能的，因為該設(shè)計消除了對自潤滑旋轉(zhuǎn)接頭的需求，并且能夠在所有組件上實現(xiàn)直接的重力排水。值得注意的是，最初的 Glasspoint 系統(tǒng)專為直接產(chǎn)生蒸汽而設(shè)計，其固定管能夠承受高達100 bar的壓力 - 這是人們不想在移動接頭上嘗試的！在我的工程職業(yè)生涯中，我經(jīng)常從經(jīng)驗豐富的導(dǎo)師那里聽到這樣的話：“最好的軸承是沒有軸承”，在這種情況下，這句話完美地翻譯為“最好的旋轉(zhuǎn)接頭是沒有旋轉(zhuǎn)接頭”。

您在阿曼的 Miraah 項目中大規(guī)模使用了這項技術(shù)。那里的甜點中總共安裝了 330 MW 的電力，以提高石油采收率。建造和運營工廠獲得了哪些經(jīng)驗？
Balz：該系統(tǒng)似乎自2017年以來一直在運行，雖然我們與客戶保持定期聯(lián)系以提供支持，但他們自己一直在愉快地運行系統(tǒng)。盡管使用太陽能直接蒸汽系統(tǒng)來提高石油采收率存在一定的控制和運營挑戰(zhàn)，但這很快就成為他們?nèi)粘Ｉ畹囊徊糠帧?/p>

這家工廠的主要教訓(xùn)不是太陽能技術(shù)本身，而是溫室圍護結(jié)構(gòu)的局限性。它的小玻璃板需要一個密集的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，并限制了減少遮陽的進一步改進。玻璃的脆性導(dǎo)致沙塵暴后的維護增加和更高的空氣泄漏，從而損害了受控的內(nèi)部環(huán)境。此外，玻璃相對較重，但與張緊箔相比，玻璃對建筑物的穩(wěn)定性沒有貢獻。

因此，在2017年，Glasspoint過渡到定制設(shè)計的含氟聚合物箔外殼。這種轉(zhuǎn)變顯著提高了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、透光性、氣密性、內(nèi)部溫度控制，甚至將隱含碳減少了一半——這代表了成本和性能的重大飛躍。我可以告訴你，這次轉(zhuǎn)換是一項真正的工程成就，獲得了許多專利。是的，沿著屋頂運行的機器人清潔系統(tǒng)繼續(xù)與新外殼無縫運行。

阿曼第二代封閉式槽式設(shè)計示范工廠照片：Glasspoint

使用液態(tài)鹽作為傳熱流體進行作是您目前正在研究的 20 項降低成本措施之一。您使用什么方法來評估和量化特定措施的成本節(jié)約潛力？
Balz：我們開發(fā)了整體數(shù)字模型，以優(yōu)化復(fù)雜的聚光太陽能熱系統(tǒng)（包括大規(guī)模蓄熱）的性能和成本。該模型集成了氣象數(shù)據(jù)和太陽能資源概況，使系統(tǒng)設(shè)計與特定的客戶需求保持一致。

在最初的20項成本節(jié)約措施中，有兩項措施在降低平準化供熱成本（LCoH）方面特別有效。首先是系統(tǒng)配置的轉(zhuǎn)變 - 從直接蒸汽和液鹽儲存的混合設(shè)置轉(zhuǎn)變?yōu)閮H液鹽解決方案 - 由于簡化了工廠設(shè)計，僅此一項就使LCoH顯著降低了10%。第二個是讓客戶接受液體鹽作為傳熱流體而不是蒸汽，這進一步降低了8%的成本。一項有前途的創(chuàng)新與此密切相關(guān)，那就是使用低熔點液體鹽。與傳統(tǒng)鹽的290 °C相比，這些鹽的熔化溫度僅為140°C，這使得太陽能電路能夠在非輻照時間內(nèi)在較低的溫度下運行，從而減少熱量損失。值得注意的是，Glasspoint已經(jīng)在2018年驗證了這種方法。

您的成本削減措施清單上還有哪些其他具有巨大潛力的措施？
Balz：我們看到了向半機器人和全自動生產(chǎn)和安裝流程轉(zhuǎn)變的重大影響。雖然當(dāng)前的Glasspoint系統(tǒng)已經(jīng)針對高性能和低成本進行了優(yōu)化，但進一步的改進將需要更多地集中在勞動力成本上。該系統(tǒng)固有的簡單性使其非常適合機器人和半機器人安裝，以及組件的現(xiàn)場制造。這些進步有可能顯著縮短施工時間并進一步降低總體成本。

圖 1：國際可再生能源署 （IRENA） 發(fā)布的 2023 年可再生能源發(fā)電成本報告中的圖表

“Glasspoint在實際項目中展示了每年高達13%的LCoH減少”

您喜歡引用 IRENA 的可再生能源發(fā)電成本報告的成本預(yù)測，以強調(diào)直接太陽能供熱成本的下降速度比光伏成本下降得更快。你如何解釋圖 1？
Balz：我相信答案是多方面的。首先，技術(shù)往往會通過重復(fù)應(yīng)用降低成本。例如，太陽能光伏的平均成本每年降低約 7%，這得益于其每天約1GW的驚人部署速度。在上圖中，光伏與CSP進行了比較，后者在過去12年中新增了不到10GW的裝機容量。然而，值得注意的是，CSP已經(jīng)實現(xiàn)了類似的平準化電力成本（LCoE）降低——每年降低7%以上——盡管部署規(guī)模不到光伏的1%。這凸顯了CSP的成本軌跡確實令人印象深刻。

其次，該圖表側(cè)重于發(fā)電和LCoE，但最顯著的成本降低實際上發(fā)生在太陽能發(fā)電技術(shù)上，約占CSP系統(tǒng)總成本的50%。相比之下，傳統(tǒng)電源模塊（經(jīng)過數(shù)十年改進的成熟技術(shù)）的成本改善微乎其微。這意味著太陽能發(fā)電技術(shù)正在以更快的速度發(fā)展。

現(xiàn)在，如果我們將重點轉(zhuǎn)移到工業(yè)過程應(yīng)用中的直接太陽能加熱上，不需要昂貴的渦輪機或電源塊，成本下降會變得更加明顯。在這種情況下，LCoH每年的減少可能超過10%。事實上，Glasspoint自己的歷史表明，在實際項目中，實際世界的LCoH每年減少高達13%。

我真正想強調(diào)的是，封閉槽式技術(shù)仍處于早期階段——它才剛剛開始降低成本的學(xué)習(xí)曲線。然而，它已經(jīng)實現(xiàn)了令人印象深刻的LCoH降低，而無需大量的研發(fā)預(yù)算——只需一個由有能力的工程師和一些敬業(yè)的科學(xué)家組成的團隊。

圖 2：交鑰匙太陽能場成本取決于三種不同集熱器類型的集熱器場大小：FPC=平板集熱器，ETC=真空管集熱器，PTC=拋物面槽式集熱器。圖表來自德國Fraunhofer ISE 的 SHIP成本評估研究

2025年5月底，德國Fraunhofer ISE發(fā)布了一份關(guān)于德國太陽能過程供熱的成本評估研究。一個關(guān)鍵的輸入?yún)?shù)是槽式場的成本 - 參見圖2。對于 60,000㎡，報告的成本為350歐元/㎡總。這與整體數(shù)字模型的結(jié)果相比如何？
巴爾茨：我很高興收到這份報告及其積極的調(diào)查結(jié)果。我們認為 60,000㎡作為試點規(guī)模，成本受到許多一次性費用（如工程、許可和實施）的嚴重影響，與這種規(guī)模的太陽能場本身的成本相比，這些費用高得不成比例。因此，直接比較具有挑戰(zhàn)性。對于我們開發(fā)的大型工廠，顯著降低成本是常態(tài)。

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