大家看到这张图，脑海中会想到什么呢？是科幻电影《降临》中的外星飞船？还是游戏《红色警戒》中的光棱塔？其实，它是一种利用太阳热量来发电的装置，叫做太阳能热电站，又叫光热电站。
充满科幻感觉的光热电站 | Wikimedia common
利用太阳，从放大镜开始
可能很多人对这个概念很陌生，但是，对于太阳热量的利用，却是人们生活中很自然，很古老的行为：小时候，我们可能都做过这样的游戏，偷偷拿出家里的放大镜聚焦阳光，点燃白纸；后来，地理老师告诉我们，在太阳直射面上，每平方米接受的太阳辐射功率约等于1367瓦，这个数叫做太阳常数。这个功率足以煮沸一个火锅，约等于两个浴霸的功率。
太阳常数，单位面积受到垂直入射的平均太阳辐射强度
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如此可观而清洁的能量，人类自然要开动脑筋想办法把它利用起来：我国农村以及西北地区常见的“太阳灶”，就是一种解法。它的外观类似于半球型（其实是旋转抛物面）的锅，可以反射汇聚阳光，汇聚点的温度有时甚至能达到400摄氏度，足以供烧水烧菜之用。现在很多城市居民，也会在楼顶安装太阳能热水器烧水洗澡。这种利用方式方便，成本低，却有显而易见的弊端：对于太阳灶来说，它设计规模小，只集中在家庭使用；由于太阳灶只能手动跟踪太阳的移动方向，又缺乏有效的储热系统，因此能量利用率相对较低。
这种简易的太阳灶用来烧热狗是够了 | Wikimedia common
于是，另一种思路出现了，就是直接将光能转换为电能，即光伏电池。利用一些半导体受到光照能产生电流的原理，将光伏电池组成光伏电站，是目前最常见的大规模利用太阳能方式，中国也是光伏发电的大国、强国。光伏电站能在发电阶段做到清洁无污染，还可以安装在建筑物屋顶，甚至小巧的电子产品上，受到市场的喜爱。
光伏电站可以绵延千米，蔚为壮观 | pixabay
然而，光伏发出的电是直流电，电网中是交流电，因此需要逆变成交流电才能为电网所使用。在转换的过程中，会产生高于电网交流电频率的电波，容易对电网电能质量造成污染。同时，光伏电站的发电效率不高，仅有10%-16%（在逐渐提高），占地面积还大。光伏面板的制造过程，也会造成不同程度的污染，所以说光伏电站也不是利用太阳能发电的“唯一解”。
聚光蓄能，煮水发电
有鉴于此，研究人员开始重新审视第一条方案，既然太阳灶规模小，能量利用率低，那么把它的规模扩大一些，让反射镜跟着太阳移动来转，再增加储热系统，能量利用率不就提高了？如果能把热能转化为电能，岂不是既清洁又节约化石燃料？于是，太阳能热电站，又叫光热电站，就应运而生了。
为了了解光热电站的工作原理，我们先来看看它的构造：中间那个像柱子形状的东西，叫集热塔，它周围的光柱就是由地面上镜子反射的太阳光。地面上反射阳光的镜子，也叫聚光器、反射镜或者定日镜。
光热电站的集热装置构造各不相同，除塔型，还有锅型、槽型等等（非正式名称）
当然，光热电站的集热装置，可能会有所不同，但无论外形怎么变化，实质上原理都是一样的：通过调整地面镜子角度，使得电站这一片的大部分阳光被汇聚到集热器上，产生很高的温度，将电站内部的储水烧热，产生高温高压蒸汽，推动汽轮机来发电。简单来看，太阳能热电站与火电站比，只是加热方式不同：火电站烧水用煤，这种电站用太阳能烧水而已。
对于塔式电站来说，集热器位于塔的顶端 | Wikimedia common
短时间聚集太阳光并不难，但太阳在天空中的相对位置是不断移动的，这就要求镜子必须和向日葵一样，跟随着太阳移动调整角度。以塔式发电站为例，工程师通过计算具体日期时刻的太阳高度角，结合定日镜本身和集热塔的相对位置，确定每时每刻镜子对准的方向。这样，就能保证太阳的能量可以高度集中地聚集在塔顶集热装置上，便于提高发电效率。
定日镜需要不断调整角度，保证光线的高度聚集 | Wikimedia common
太阳光聚集到集热器上的温度非常高，大约可以达到400-500摄氏度。集热器上有很多像毛细血管一样的水管子，使得加热效率变得很高。被加热的水蒸发形成水蒸气，再进一步被加热到更高的温度。随后，这些蒸汽通过管道进入汽轮机，推动汽轮机发电。
位置，位置，位置！
重要的事情说三遍
那么，这种清洁又高效的能源设备，到底应该建在哪里？相信很多人都听说过，我国青藏高原太阳能资源十分丰富，似乎是建立光热电站的绝好地点。诚然，青藏高原因为其高海拔，空气稀薄，能抵达地面的太阳能资源很多。然而，青藏高原却不一定适合建造光热电站。因为光热电站的选址还需要考虑较多因素。
青藏高原不仅风景秀丽，太阳能资源也极其丰富 | pixabay
首先考虑的，还是太阳能资源的丰富度，例如某些纬度较高的地方由于太阳高度较小，空气质量较差，导致阳光可见度低，就不适宜建立。其次，地形的影响也很重要。太阳能热电站所需要的的占地规模较大，如果该地地形较为崎岖，则会增大聚集太阳光的难度，因为高低起伏的地形也会对阳光造成遮挡。此外，距离电网、道路的距离，以及水资源的丰富程度也是选址的因素之一。
太阳能辐射资源分布图，越深的地方表示资源越丰富 | Wikimedia common
综合考虑以上几种因素以后，世界上部分适合这种电站建造的区域被选定了出来：比如美国西南部和墨西哥大部、撒哈拉沙漠地区和中东、南美东西海岸、澳大利亚及中国的西北部。例如，坐落在迪拜市郊，由上海电气承建的一个太阳能发电站，是迄今为止装机容量最大的太阳能发电项目。中东地区因为位处沙漠，热资源丰富，阴雨天气稀少，是太阳能热电站的理想选址地。
迪拜将建设世界最大的太阳能发电项目，其中光热电站部分由上海电气承建 | Government of Dubai
我国的首个太阳能热电站在2012年实验成功，位于北京延庆的八达岭，由中国科学院电工所研发。虽然是第四个掌握太阳能发电技术的国家，但中国在这个领域发展迅速：青海德令哈光热电站，每年能发电约两亿度。更为神奇的是，这个电站采用了熔融盐储热技术：在晴朗的天气里，用富余的热量将硝酸盐等盐类熔化，以液态的形式储存热量。到了阴雨天气，就可以通过这些液态的盐储存的热量加热水蒸气持续发电，这对增加地区电网的稳定性，有着很大的意义。
延庆八达岭，中国首个太阳能热电站 | www.cas.ac.cn
最后需要提醒的是，光热电站也不是完全没有污染。首先，由于需要反射太阳光，在电站上空会有一定的光污染，这种污染一般在距离电站约10公里以内存在，人眼直视会造成短暂的眩光。
电站上空会有光污染 | Wikimedia common
其次，由于动物的趋光效应，强光有可能会烧死一些飞在上空的动物。在美国加利福尼亚州的伊万帕，那里的光热电站曾经在2014年1月到2014年6月，造成了321只鸟类或蝙蝠的死亡。因此，在设计光热电站的时候，也需要考虑到对于环境和野生动物的保护。
参考文献
[1]https://doi.org/10.1016/B978-0-12-814497-8.00013-8
[2]http://www.cas.cn/ky/kyjz/201208/t20120814_3627052.shtml
[3]https://www.dewa.gov.ae/en/about-us/media-publications/latest-news/2019/03/mohammed-bin-rashid-al-maktoum-solar-park
[4]https://cleantechnica.com/2015/04/16/one-weird-trick-prevents-bird-deaths-solar-towers/
作者：小圆
编辑：朱步冲
一个AI
最重要的事就两件：用心烧开水，多喝开水
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