不久前，21世紀經濟報道的一篇《上海神秘新能源技術有望改寫整個産業格局》[1]引發了人們無限的遐想。這篇奇文中的神秘海歸簡直像是太陽神赫利俄斯派來的門徒，聲稱其太陽能熱發電的效率可以達到80%。

赫利俄斯的饋贈

　　太陽能是地球生物接觸到的重要能量形式，當赫利俄斯每日駕馭著四匹火馬所拉的太陽車在天空中馳騁而過的時候，給大地帶來了巨大的能量。據粗略估算，地球1h內從太陽獲得的能量要比全球人口1年所消耗的能量還多。[2]

　　那麼我們該如何利用這些能量呢？

　　赫利俄斯賜予我們的是光和熱。光可以通過對光伏電池充電的方法獲取電能。光伏發電技術最先源於20世紀50年代美國貝爾實驗室首次研製成功的單晶硅電池。這種依靠光伏效應産生電能的傢伙很像是一個充電電池。太陽光照在光伏板上，會導致材料中的PN結發生光電效應，電子重新排列，在光伏板上表現為P極為正，N極為負。當太陽光對電池充電完成後，將PN極接到用戶上，即可獲取電能。[3]

太陽能電池原理示意圖

　　熱則可以作為太陽能熱進行發電。這種發電技術相對簡單，反射鏡將光線聚焦到集熱器上，盡可能的吸收太陽光的熱能。這些熱能通過熱機推動發電機輸出能量。是不是很像升級版的“太陽能熱水器”？從21世紀經濟報道的報道來看，“海歸”帶回來的是太陽能熱發電系統。雖然新聞中將這一發電技術渲染為這位海歸帶回的赫利俄斯神器，但實際上太陽能熱發電系統並不是什麼新鮮玩意兒。美國加州的槽式拋物面太陽能熱發電系統總容量已達354MW。十餘年間，已向電網供應了50億度電。因為其太陽跟蹤能力差，且需要管道和泵的支持，各種阻力和熱量損失導致系統的效率只有15%左右。但由於其技術成熟，仍是眼下美國太陽能熱發電的主體。北京延慶也在計劃建造這樣的塔式太陽能熱發電站。100面定日鏡用以收集太陽光，反射到100米高的太陽能吸熱塔的吸熱器裏，收集的熱能加熱水，産生水蒸氣，從而作為動力發電。[4]

塔式太陽能熱發電站示意圖

　　報道中的“海歸”聲稱其太陽能熱發電的轉化效率可以達到80%，較之目前的太陽能熱發電效率跨越了幾個時代。那麼他從赫利俄斯那兒帶回的的神諭是什麼樣子的呢？讓我們來看一下哪些方法可以提高太陽能發電效率吧

　　1、更高效率的太陽能接收器

　　對於太陽能光伏發電而言，太陽能接收器為光伏電池。由於電池中PN結純度（即充電電池的正負極分佈）等因素的影響，一般的光電轉化效率只有15%~20%。目前，一些實驗室特製的砷化鎵光電池可以達到35%左右。[5]但光伏電池産生的是直流電，要輸送至電網，還需要經過逆變器逆變為交流電。這個逆變過程也會導致一定的能量損耗，使轉換效率下降5%～10%。[2]為此，我們亦需要更高效率的逆變器。使太陽能光伏發電效率能提升至30%。

　　對於太陽能熱發電來説，接受太陽能的是集熱器。聚集後的太陽光直接照射到集熱器的表面(即每根換熱管的表面)，換熱管內工作介質高速流過，吸收了太陽輻射的能量，達到較高的溫度和壓力，從而推動熱機運轉。這方面我們可以選取熱量吸收性能較好、利於熱循環的工質，比如塔式太陽能熱發電利用的是高溫熔融鹽；碟式太陽能熱發電利用的是氫或氦。

　　另外，集熱器收集的熱能轉換為電能還需要配以高效的熱機。這種熱機的效率極限與傳統能源的熱機類似。區別在於常規汽輪機的蒸汽供應是由鍋爐供給，蒸汽溫度和壓力可以達到很高，這使得目前汽輪機最高熱電轉化效率可以達到35%左右。而太陽能熱發電的溫度還無法達到鍋爐燃燒的熱度量值，故配備常規汽輪機後的效率極限遠低於35%。

集熱器

　　目前我們談論太陽能熱發電時，常常會提及斯特林熱機（stirling engine），它對蒸汽要求沒有常規汽輪機那麼高，更適合太陽能熱發電。在凡爾納的科幻小説《海底兩萬里》裏，那艘著名的潛艇諾第留斯號就是用斯特林機作為發動機。

　　值得一提的是，即使在科幻小説中出盡風頭，實際上自斯特林發明斯特林熱機這170年以來，斯特林機基本沒有什麼發展，這有點類似于當年愛迪生對特斯拉交流電的無情打壓。在常規汽輪機逐漸成熟的時代裏，具有非凡意義的斯特林機遭到了既有技術的壓制。如今新興的太陽能熱發電給了斯特林機新的機會，我們不妨期待它在傳達赫利俄斯神諭的路途上發揮更大的作用。

　　2、讓陽光來得更猛烈些吧

　　更猛烈的太陽光對於光伏發電和熱發電的發電效率都有非常積極的意義。就光伏發電而言，更強烈的太陽光可以使光電效應更明顯，提高光電轉化率；而對於太陽能熱發電而言，太陽光的猛烈程度亦直接關係到集熱器的溫度，集熱器的溫度越高，産生的蒸汽工質飽和度越高，更多的蒸汽可以參與推動渦輪機做功，效率自然也得到了提升。

　　然而由於太陽神每天不知疲憊地從東跑到西，並且極具博愛精神，不遺餘力的到處揮灑他的能量，這給太陽能科學家造成了很大的困擾。為了提高太陽能利用率，縮小太陽能發電裝置的體積，一方面，我們必須讓太陽能反射鏡能跟蹤太陽的運轉，時刻能捕捉到大束的太陽光並將其聚集。為此，科學家發明了“定日鏡”，它能自動跟蹤太陽的運轉，調整反射鏡的方向，便於單元體積的光電或光熱轉換設備能盡可能多得獲取太陽能。另一方面，為了增強對太陽光的聚光效果，我們要提高反射鏡的“聚光比”。目前具備定日功能的高聚光比的反射鏡造價非常高，使得定日鏡的成本仍佔一個太陽能電站建造成本的40%以上。這使得帶定日鏡的太陽能電價一直維持在0.5美元/度以上的高位。高效率與發電成本仍然是太陽能發電需要調和的矛盾。

　　目前在太陽能光伏發電中，主要還是方位固定的大面積平板式光電轉化模式。這種模式的技術較成熟，但轉化效率不高。科學家們正在研究高聚光性能的光伏電池。在定日鏡的配合下，這種電池時刻處於大束太陽光的焦點上，單元面積內可以吸收更多的太陽光，所以光伏轉化效率有所提高，能達到30%左右。不過，光伏電池也因此吸收了更多的熱量，必須配備散熱裝置來降低電池的溫度，以保證這些電池的工作壽命。附加的散熱系統需要消耗能量，這就又降低了發電的效率。再加上前文提到的直流變交流過程中逆變器的損耗，太陽能光伏發電的效率仍然在30%以下徘徊。“物美價廉的定日鏡+高轉化率聚光電池+高效率的散熱體系+低損耗的逆變器”是目前太陽能光伏發電的主要研究方向。

　　在太陽能熱發電中，光熱轉化效率最高的是碟式太陽能熱發電。由於這種碟片式分佈的反射鏡聚光比可以達到3000以上，一方面使得接收器的吸熱面積可以很小，從而實現較小的能量損失（接收器吸收的熱量散失程度較低），光熱轉換比最高可達80%左右；另一方面這樣高的聚光比可使接收器的接收溫度達800 ℃以上，産生的蒸汽推動高效率的斯特林熱機，實現由等容加熱- 等溫膨脹- 等容冷卻- 等溫壓縮 4 個過程組成的熱力循環，這個循環很接近於卡諾循環模型。根據熱力學第二定律，在相同的高、低溫熱源溫度T1與T2之間工作的一切循環中,以卡諾循環的熱效率為最高。理想狀態下，斯特林熱機的熱力使用效率幾乎等於理論最大效率： [6]

碟式太陽能熱發電

　　然而受限于熱機的設計、工質選擇、流體流動特性、傳熱特性、輻射換熱等因素， 目前美國SIM公司生産的STM4-120型新一代斯特林發動機效率僅為29.6%。[7]歐美一些科研機構聲稱在實驗室條件下可實現斯特林熱機效率達到40%左右。[8]要特別注意的是，斯特林熱機40%的效率是現有製造工藝下，最接近於理想卡諾循環下的轉化效率，蒸汽推動熱機做功幾乎不可能再高於此值。

　　如此算來，太陽能熱發電的光能→機械能最高轉化效率可以達到40%*80%=32%。熱機再推動發電機運轉，最終總的光電轉化效率可以達到30%左右。目前中國科學電工研究所在進行的10KW碟式/斯特林系統的示範工程系統總的設計效率為17.96%。

　　結論： 目前，無論是光伏發電還是光熱發電，轉化率都不可能超過40%。而那位海歸帶回的太陽能熱發電技術號稱達到80%的光電轉化率。我們很難想象，這種能對人類能源結構産生巨大影響的史詩級變革會以秘密的形式，悄無聲息地展開。更何況如上文所述，這種80%的光電轉化率也已經突破了現有的物理學規律。我們與其拿新能源作秀，坐盼赫利俄斯的門徒終有一天從天而降，倒不如先靜下心好好學一下太陽能的基礎知識。