基于專利數(shù)據(jù)論太陽(yáng)能光熱發(fā)電在中國(guó)的研究進(jìn)展

楊軼，陳明

(1.國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局，北京 102206；2.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)華北電力設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100120)

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，世界各國(guó)都面臨著能源危機(jī)的問(wèn)題，太陽(yáng)能作為清潔的可再生能源，是解決能源危機(jī)的有效途徑之一。太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)分為2類——光伏發(fā)電(PV)和光熱發(fā)電(CSP，也稱聚光太陽(yáng)能發(fā)電)。光伏發(fā)電通過(guò)光伏效應(yīng)將太陽(yáng)輻射直接轉(zhuǎn)換為電能；光熱發(fā)電通過(guò)聚集太陽(yáng)能將輻射轉(zhuǎn)化為熱能，然后通過(guò)熱力循環(huán)驅(qū)動(dòng)熱機(jī)發(fā)電[1]。與光伏發(fā)電相比，光熱發(fā)電采用成熟的儲(chǔ)熱技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)全天24 h穩(wěn)定持續(xù)發(fā)電，有利于電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行。此前，國(guó)家能源局發(fā)布的《太陽(yáng)能利用“十三五”發(fā)展規(guī)劃(征求意見(jiàn)稿)》提出，到2020年光熱發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到10 GW；2016年國(guó)家能源局發(fā)布的《關(guān)于建設(shè)太陽(yáng)能熱發(fā)電示范項(xiàng)目的通知》提出，共有20個(gè)項(xiàng)目入選我國(guó)首批光熱發(fā)電示范項(xiàng)目名單，總計(jì)裝機(jī)容量達(dá)1.35 GW，包括9個(gè)塔式電站、7個(gè)槽式電站和4個(gè)菲涅爾電站[2]。國(guó)家政策的導(dǎo)向也在推動(dòng)太陽(yáng)能光熱技術(shù)的發(fā)展，從我國(guó)相關(guān)專利可以清晰地看到我國(guó)太陽(yáng)能光熱技術(shù)的進(jìn)展。

1 太陽(yáng)能光熱發(fā)電申請(qǐng)/授權(quán)專利發(fā)展現(xiàn)狀

本文主要以中國(guó)專利數(shù)據(jù)庫(kù)(以下簡(jiǎn)稱CNABS)的數(shù)據(jù)作為研究對(duì)象，輔以外文專利數(shù)據(jù)庫(kù)(以下簡(jiǎn)稱DWPI)的部分?jǐn)?shù)據(jù)，研究太陽(yáng)能光熱發(fā)電專利在中國(guó)的發(fā)展?fàn)顩r。中國(guó)國(guó)家專利局始建于1985年，中國(guó)專利數(shù)據(jù)開(kāi)始于1985以后，而從外文專利數(shù)據(jù)庫(kù)中查詢的數(shù)據(jù)顯示，太陽(yáng)能光熱發(fā)電的早期專利在1977年于美國(guó)獲得授權(quán)，最早由中國(guó)人研究出的太陽(yáng)能光熱發(fā)電專利于1987年提交申請(qǐng)。從申請(qǐng)時(shí)間上來(lái)看，國(guó)內(nèi)研究比國(guó)外研究至少晚了10年。

通過(guò)對(duì)2個(gè)專利數(shù)據(jù)庫(kù)中太陽(yáng)能光熱發(fā)電專利的統(tǒng)計(jì)，可以全面了解太陽(yáng)能光熱專利申請(qǐng)的整體分布情況，圖1所示為中國(guó)專利申請(qǐng)的申請(qǐng)量變化情況，圖2所示為世界范圍內(nèi)太陽(yáng)能光熱專利申請(qǐng)變化情況，圖3所示為主要申請(qǐng)國(guó)、地區(qū)或機(jī)構(gòu)的分布情況。

圖1 太陽(yáng)能光熱專利申請(qǐng)?jiān)谥袊?guó)的申請(qǐng)量發(fā)展趨勢(shì)Fig.1 Development trend of CSP patent applications in China

圖2 世界范圍內(nèi)太陽(yáng)能光熱專利申請(qǐng)的申請(qǐng)量發(fā)展趨勢(shì)Fig.2 Development trend of CSP patent applications in the world

由圖1和圖2比較看出：從1986年中國(guó)開(kāi)始有第1件太陽(yáng)能光熱申請(qǐng)以來(lái)，直到1999年，基本上每年申請(qǐng)量都是個(gè)位數(shù)；1999—2006年，申請(qǐng)量緩慢增長(zhǎng)，每年基本上幾十件；2009年以后，申請(qǐng)量呈現(xiàn)迅猛增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，每年增長(zhǎng)幾百件，2013年的申請(qǐng)量達(dá)到了1 000件以上，除2014年小幅回落以外，之后每年數(shù)量都呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)。從世界范圍來(lái)看，2006年以前，太陽(yáng)能光熱發(fā)電的申請(qǐng)量增長(zhǎng)也比較緩慢，而從2007年開(kāi)始，申請(qǐng)量增長(zhǎng)很快，在2013年達(dá)到申請(qǐng)量的頂峰，隨后逐年回落。太陽(yáng)能光熱發(fā)電的研究在2007—2013年間呈現(xiàn)迅猛發(fā)展的時(shí)期，其后技術(shù)逐漸成熟，處于穩(wěn)定發(fā)展時(shí)期。從申請(qǐng)數(shù)量來(lái)看，2014年以后，中國(guó)太陽(yáng)能光熱專利申請(qǐng)的申請(qǐng)量增長(zhǎng)已經(jīng)超過(guò)國(guó)外相關(guān)專利申請(qǐng)量的增長(zhǎng)。

圖3 世界范圍內(nèi)太陽(yáng)能光熱專利申請(qǐng)主要申請(qǐng)國(guó)、地區(qū)或者機(jī)構(gòu)的分布情況Fig.3 Distribution of major application countries for CSP patent applications in the world or areas

由圖3可以看出：中國(guó)專利申請(qǐng)量已經(jīng)排在世界第1位，緊接其后的是美國(guó)專利、日本專利以及歐洲和德國(guó)專利，這也跟太陽(yáng)能光熱發(fā)電在各國(guó)的發(fā)展趨勢(shì)一致。從國(guó)外來(lái)看，美國(guó)、日本、德國(guó)以及歐洲的其他國(guó)家是太陽(yáng)能光熱發(fā)電發(fā)展水平比較高的國(guó)家，而中國(guó)從專利申請(qǐng)量上已經(jīng)趕超這些發(fā)達(dá)國(guó)家。

圖4和圖5所示為中國(guó)發(fā)明專利的授權(quán)狀況，通過(guò)授權(quán)率分析，可以了解中國(guó)發(fā)明專利的質(zhì)量變化情況。圖4和圖5僅統(tǒng)計(jì)了中國(guó)發(fā)明專利的申請(qǐng)和授權(quán)情況(剔除了實(shí)用新型的數(shù)據(jù))。

從圖4可以看出：2010年以前，中國(guó)發(fā)明申請(qǐng)量逐年緩慢上升，2010—2013年期間發(fā)明申請(qǐng)量增長(zhǎng)很快，2013年以后呈現(xiàn)比較穩(wěn)定的狀態(tài)，2017年以后申請(qǐng)量略有下降；授權(quán)量的趨勢(shì)與申請(qǐng)量的趨勢(shì)基本相同。發(fā)明專利的授權(quán)率在一定程度上體現(xiàn)了專利質(zhì)量，由圖5可以看出：2005年、2006年和2008年，發(fā)明專利的授權(quán)率是最高的，基本都高于50%；隨著申請(qǐng)量的不斷上升，授權(quán)率也有所回落，但除了個(gè)別年份以外，授權(quán)率均能維持在40%左右；2018年和2019年由于部分發(fā)明申請(qǐng)還在審查過(guò)程中，授權(quán)率數(shù)據(jù)并不完整。總體上來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統(tǒng)相關(guān)的發(fā)明專利質(zhì)量還是比較穩(wěn)定的。

圖4 中國(guó)發(fā)明申請(qǐng)和發(fā)明授權(quán)專利按年份分布情況Fig.4 Distribution of China’s invention applications and invention patents by years

圖5 中國(guó)發(fā)明專利的授權(quán)率按年份分布情況Fig.5 Distribution of China’s invention patent granted rate by years

太陽(yáng)能光熱技術(shù)在中國(guó)的發(fā)展比國(guó)外晚了至少10年，而且中國(guó)的能源結(jié)構(gòu)與國(guó)外不同，中國(guó)太陽(yáng)能光熱技術(shù)的發(fā)展與國(guó)外的發(fā)展方向和趨勢(shì)也不同；因此，本文主要以中國(guó)太陽(yáng)能光熱專利技術(shù)作為研究對(duì)象，來(lái)研究中國(guó)太陽(yáng)能光熱技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)，在部分技術(shù)發(fā)展方向上，也參照比較部分國(guó)外的太陽(yáng)能光熱技術(shù)。

從CNABS的數(shù)據(jù)來(lái)看，涉及太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統(tǒng)的授權(quán)專利共有837件，從技術(shù)上來(lái)看，1987年出現(xiàn)了第1件光熱發(fā)電系統(tǒng)相關(guān)的專利之后，直到2004年才開(kāi)始出現(xiàn)多件與系統(tǒng)相關(guān)的授權(quán)專利；而由于國(guó)外太陽(yáng)能光熱技術(shù)發(fā)展得比較早，受國(guó)外技術(shù)引進(jìn)的影響，中國(guó)單一太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統(tǒng)改進(jìn)和太陽(yáng)能光熱發(fā)電與其他能源方式進(jìn)行結(jié)合技術(shù)的發(fā)展并沒(méi)有明顯的時(shí)間分隔。因此，本文僅從2個(gè)階段來(lái)對(duì)中國(guó)太陽(yáng)能光熱發(fā)電的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行介紹：第1階段2003年以前；第2階段2004年以后。

2 中國(guó)技術(shù)萌芽期(2003年以前)

20世紀(jì)，我國(guó)太陽(yáng)能光熱技術(shù)發(fā)展較慢，以個(gè)人申請(qǐng)專利居多。1987年西安交通大學(xué)林萬(wàn)超等申請(qǐng)了第1件有關(guān)太陽(yáng)能光熱發(fā)電的專利——利用排煙余熱的低壓節(jié)能復(fù)合系統(tǒng)[3]。該系統(tǒng)利用太陽(yáng)能集熱器代替系統(tǒng)中的低壓節(jié)能器，用太陽(yáng)能加熱熱力系統(tǒng)中的凝結(jié)水來(lái)發(fā)電，但該發(fā)明中并沒(méi)有詳細(xì)描述太陽(yáng)能集熱器的結(jié)構(gòu)，只采用常規(guī)的加熱熱水的太陽(yáng)能集熱器來(lái)發(fā)電。2003年以前，授權(quán)的發(fā)明專利只有8件，而在這些授權(quán)的發(fā)明專利中，大部分專利都是外國(guó)申請(qǐng)人在華的申請(qǐng)。從中英文摘要聯(lián)合數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)來(lái)看，最早授權(quán)的申請(qǐng)出現(xiàn)在美國(guó)，是由David M. Arthur發(fā)明的用于轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存收集太陽(yáng)能的太陽(yáng)能熱輻射吸收器和系統(tǒng)[4]。在該系統(tǒng)中，利用熱輻射吸收流體混合物吸收太陽(yáng)能，然后將熱傳遞出來(lái)用于發(fā)電。1979年美國(guó)總統(tǒng)卡特宣布，到2000年以太陽(yáng)能為主的可再生能源要發(fā)展到占全國(guó)能源構(gòu)成的20%；日本也制訂了著名的“陽(yáng)光計(jì)劃”，加速太陽(yáng)能利用器件的研究。因此，自20世紀(jì)70年代初開(kāi)始，關(guān)于太陽(yáng)能利用的研究開(kāi)發(fā)等在世界范圍內(nèi)展開(kāi)[5]，美國(guó)授權(quán)專利出現(xiàn)在20世紀(jì)70年代也與這些政策的發(fā)布密不可分。

3 中國(guó)技術(shù)發(fā)展期(2004年至今)

2004年以后，國(guó)內(nèi)關(guān)于太陽(yáng)能光熱發(fā)電授權(quán)的專利逐年增長(zhǎng)，并且在2014年以后超過(guò)了國(guó)外申請(qǐng)量的增長(zhǎng)。根據(jù)CNABS的統(tǒng)計(jì)，2004年以后，與太陽(yáng)能光熱發(fā)電相關(guān)的授權(quán)發(fā)明專利一共有829件，對(duì)這829件的授權(quán)專利進(jìn)行分析和研究發(fā)現(xiàn)，在這些授權(quán)專利中，涉及太陽(yáng)能系統(tǒng)改進(jìn)的發(fā)明共211件，圖6所示為這些授權(quán)專利涉及的主題范圍。

從圖6可以看出涉及光熱與其他能源混合發(fā)電模式主題的授權(quán)發(fā)明專利最多，占總量的41%。由于單純依靠太陽(yáng)能進(jìn)行發(fā)電的設(shè)備能源利用效率比較低，而且大部分原創(chuàng)專利都掌握在外國(guó)人手里，2007年以后，我國(guó)有關(guān)太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)的研究慢慢轉(zhuǎn)向提升能源的綜合利用效率上來(lái)，也出現(xiàn)了太陽(yáng)能與其他能源相結(jié)合的專利，其中太陽(yáng)能與化石燃料(例如燃煤、燃?xì)獾?相結(jié)合進(jìn)行發(fā)電的發(fā)明專利占到了14%，這也與我國(guó)傳統(tǒng)能源中煤炭占比比較大有很大關(guān)系；另外，涉及太陽(yáng)能光熱與熱電冷等聯(lián)供系統(tǒng)的結(jié)合、太陽(yáng)能與風(fēng)能、地?zé)岬冉Y(jié)合進(jìn)行發(fā)電的專利也占了一定的比例。隨著研究的不斷發(fā)展，近幾年出現(xiàn)了不少多能源互補(bǔ)發(fā)電以及分布式太陽(yáng)能發(fā)電的專利，將至少3種能源融合到1個(gè)系統(tǒng)中，發(fā)揮不同能源的優(yōu)勢(shì)，提升整體系統(tǒng)的效能。對(duì)這些不同能源組合方式進(jìn)行研究，優(yōu)化了我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)，也提高了能源利用效率。

圖6 2004年以后涉及光熱系統(tǒng)授權(quán)專利的主題統(tǒng)計(jì)Fig.6 Statistics on topics related to patents granted for CSP systems after 2004

下文針對(duì)圖6中列出的不同能源組合方式專利分類進(jìn)行趨勢(shì)分析，從專利發(fā)展的角度，分析太陽(yáng)能光熱技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，主要分為3類：純太陽(yáng)能光熱發(fā)電、“光熱+光伏”混合發(fā)電模式、“光熱+其他能源”混合發(fā)電模式。由于單一模式的太陽(yáng)能光熱發(fā)電成本較高，太陽(yáng)能利用率不太高，更多的研究開(kāi)始傾向于將太陽(yáng)能光熱發(fā)電與其他能源進(jìn)行混合發(fā)電，從專利授權(quán)數(shù)量上也印證了這一點(diǎn)。

另外，通過(guò)DWPI數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)國(guó)外申請(qǐng)進(jìn)行了技術(shù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)國(guó)外的光熱發(fā)電系統(tǒng)更傾向于對(duì)純光熱系統(tǒng)的利用和改進(jìn)，而由于能源結(jié)構(gòu)中燃煤所占比例很小，且其他能源也跟具體的地理環(huán)境相關(guān)，對(duì)光熱和其他能源混合發(fā)電的研究并不多。以下僅在純太陽(yáng)能光熱發(fā)電部分，對(duì)國(guó)外專利與國(guó)內(nèi)專利進(jìn)行比較研究。

3.1 純太陽(yáng)能光熱發(fā)電

聚光太陽(yáng)能發(fā)電共有4種聚光太陽(yáng)能設(shè)備類型，即拋物面槽式(PT)、線性菲涅爾式(FR)、塔式(ST)和蝶式(SD)。根據(jù)鏡場(chǎng)和接收器的設(shè)計(jì)和配置、所用的傳熱流體，以及是否涉及儲(chǔ)熱，這4種設(shè)備類型有所不同，前3種設(shè)備類型主要用于集中發(fā)電。這4種太陽(yáng)能光熱發(fā)電的方式早在2003年前就已經(jīng)出現(xiàn)在國(guó)外專利中。從商業(yè)應(yīng)用上來(lái)說(shuō)，拋物面槽式和塔式已得到驗(yàn)證，而線性菲涅爾式和蝶式仍處于早期商業(yè)項(xiàng)目、示范項(xiàng)目階段[6]。上述幾種類型的太陽(yáng)能光熱發(fā)電類型大部分涉及比較大型的太陽(yáng)能集中發(fā)電系統(tǒng)，而中國(guó)專利中太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統(tǒng)既有這種大型集中發(fā)電系統(tǒng)，也有小型家庭發(fā)電系統(tǒng)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，涉及純太陽(yáng)能光熱發(fā)電的發(fā)明專利總共有59件，這些專利涵蓋了太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統(tǒng)的主要幾大部件改進(jìn)，包括：聚光系統(tǒng)改進(jìn)、吸熱部件(也稱為光熱轉(zhuǎn)換部件)改進(jìn)、儲(chǔ)熱系統(tǒng)改進(jìn)、熱傳遞系統(tǒng)改進(jìn)以及發(fā)電系統(tǒng)改進(jìn)。對(duì)這些專利進(jìn)行改進(jìn)類型統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖7所示。

圖7 中國(guó)發(fā)明專利中純太陽(yáng)能光熱發(fā)電改進(jìn)的類型統(tǒng)計(jì) Fig.7 Statistics on the types of improvements in pure CSP in China’s invention patents

從圖7可以看出：太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)的改進(jìn)中，涉及聚光系統(tǒng)的改進(jìn)專利最多，占33%；其次是涉及吸熱部件的改進(jìn)，占23%；而熱傳遞系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)的改進(jìn)比較少，均為13%。在這些專利中，2012年以前的專利更多的是針對(duì)聚光系統(tǒng)、吸熱部件以及儲(chǔ)熱系統(tǒng)的改進(jìn)，而在2012年之后的專利中，更多的是對(duì)熱傳遞系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)的改進(jìn)。

圖8所示為DWPI數(shù)據(jù)庫(kù)中，國(guó)外光熱發(fā)電系統(tǒng)中純光熱發(fā)電系統(tǒng)各部件的改進(jìn)數(shù)據(jù)。

圖8 國(guó)外發(fā)明專利中純太陽(yáng)能光熱發(fā)電改進(jìn)的類型統(tǒng)計(jì)Fig.8 Statistics on the types of improvements in pure CSP in foreign invention patents

從圖8可以看出，國(guó)外的光熱發(fā)電系統(tǒng)更傾向于對(duì)聚光系統(tǒng)的改進(jìn)，這些改進(jìn)專利占到了專利量的41%，對(duì)吸熱部件和儲(chǔ)熱系統(tǒng)的改進(jìn)比例也比中國(guó)專利略高，而對(duì)熱傳遞系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)的改進(jìn)則略低。

3.1.1 聚光系統(tǒng)改進(jìn)

聚光元件是太陽(yáng)能光熱發(fā)電中比較重要的部件，對(duì)聚光元件的改進(jìn)專利貫穿了整個(gè)太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展的歷史。在這些發(fā)明專利中，早期的中國(guó)專利集中在例如德國(guó)的西門子公司、美國(guó)的帕爾薩能源公司、威爾遜太陽(yáng)能公司、阿爾斯通公司等外國(guó)公司手中，而在2012年之后，中國(guó)的研究機(jī)構(gòu)以及企業(yè)后來(lái)居上，針對(duì)聚光元件展開(kāi)了系列研究。

在這些發(fā)明專利中，中國(guó)專利涉及聚光系統(tǒng)的改進(jìn)包括：對(duì)槽式、塔式或碟式聚光元件的改進(jìn)，將不同聚光系統(tǒng)相結(jié)合的改進(jìn)，在聚光元件中增設(shè)反射元件以及定日鏡場(chǎng)的改進(jìn)等等。例如CN106247638A[7]和CN105333635A[8]涉及聚光裝置結(jié)構(gòu)改進(jìn)，在聚光裝置中設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)或增設(shè)配重塊，以提升結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。由于槽式和塔式聚光系統(tǒng)本身的缺陷，也出現(xiàn)了將這2種系統(tǒng)相結(jié)合的專利，如CN101539123A[9]提出槽塔結(jié)合的雙級(jí)蓄熱太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)，解決了槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)集熱溫度不高且提升困難、單塔太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)光學(xué)效率受電廠規(guī)模影響、不易大型化的問(wèn)題。在聚光元件中增設(shè)反射元件的專利如CN102216612A[10]中設(shè)置雙表面反射器，以此避免浪費(fèi)收集的太陽(yáng)能。

外國(guó)專利涉及聚光系統(tǒng)的改進(jìn)更多的是對(duì)聚光元件本身的改進(jìn)，例如：US20170054408A1[11]提出在光熱發(fā)電系統(tǒng)中使用雙級(jí)拋物面聚光器，從而提高聚光效率；US20160084529A1[12]提出固定目標(biāo)太陽(yáng)能集熱塔的設(shè)計(jì)，將多個(gè)聚光器模塊安裝在太陽(yáng)能跟蹤機(jī)構(gòu)上，聚光器模塊可以轉(zhuǎn)動(dòng)，從而更有效地將太陽(yáng)光反射到塔上。

3.1.2 吸熱部件改進(jìn)

在太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統(tǒng)中，吸熱部件大多數(shù)是管輻射吸收器，其改進(jìn)較多是對(duì)集熱管的改進(jìn)，如CN101821502A[13]的管輻射吸熱器以及CN101893327A[14]的真空集熱管。另外，吸熱工質(zhì)不同導(dǎo)致吸熱部件改變，如CN105865054A[15]和CN106050586A[16]利用氣體工質(zhì)吸熱，從而帶來(lái)吸熱部件的改變。塔式太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)中常用的水和熔鹽工質(zhì)都有自身的缺陷，水工質(zhì)沒(méi)有蓄熱功能，熔鹽工質(zhì)管路復(fù)雜，系統(tǒng)控制難度大，為了克服這些不足，在同一個(gè)光熱發(fā)電系統(tǒng)中設(shè)置2種不同工質(zhì)吸熱器，如CN102828925A[17]的水吸熱器和熔鹽吸熱器，充分發(fā)揮2種傳熱工質(zhì)的優(yōu)勢(shì)，提高系統(tǒng)效率。

3.1.3 儲(chǔ)熱系統(tǒng)改進(jìn)

在太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統(tǒng)中，通常吸熱工質(zhì)就是儲(chǔ)熱工質(zhì)，目前可以選擇的儲(chǔ)熱方式主要有3種：顯熱儲(chǔ)熱、相變潛熱儲(chǔ)熱和化學(xué)能儲(chǔ)熱?；陲@熱儲(chǔ)熱的儲(chǔ)熱系統(tǒng)主要有2種：雙罐儲(chǔ)熱系統(tǒng)和單罐儲(chǔ)熱系統(tǒng)[18]。而相變潛熱儲(chǔ)熱可以保證工質(zhì)蒸發(fā)過(guò)程中與傳熱介質(zhì)溫差保持恒定，減少系統(tǒng)熱損失，如CN101122422A[19]要求保護(hù)一種“吸熱-儲(chǔ)熱”雙流化床系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，儲(chǔ)熱材料采用固體蓄熱球，蓄熱球內(nèi)包裹高溫相變蓄熱材料，而蓄熱球設(shè)置在流化床蓄熱器內(nèi)，高溫蓄熱球在流化床吸熱器內(nèi)吸收熱量后，進(jìn)入流化床蓄熱器中存儲(chǔ)熱量。CN106703908A[18]中，將相變儲(chǔ)能換熱器與傳統(tǒng)的朗肯循環(huán)系統(tǒng)相結(jié)合，對(duì)循環(huán)工質(zhì)分級(jí)加熱，將相變儲(chǔ)能換熱器應(yīng)用于朗肯循環(huán)回路工質(zhì)的蒸發(fā)階段，利用相變材料保持溫度恒定，可有效減少系統(tǒng)的熱損失。

3.1.4 熱傳遞系統(tǒng)改進(jìn)

熱傳遞系統(tǒng)的改進(jìn)在2010年之后才出現(xiàn)。為了提高太陽(yáng)能的利用效率，開(kāi)始研究將不同品質(zhì)的太陽(yáng)能熱輸送到熱傳遞的不同環(huán)節(jié)。例如，當(dāng)工作流體為熔鹽(60%的硝酸鈉和40%的硝酸鉀結(jié)合)，具有大約565 ℃的最高工作溫度，該溫度不足以在熱交換器產(chǎn)生超臨界蒸汽來(lái)用作渦輪機(jī)流體[20]；因此，需要改進(jìn)熱傳遞系統(tǒng)來(lái)獲得更大的溫度范圍。CN103375926 A[20]具有至少2個(gè)流體流動(dòng)路徑，分別將第1工作流體和第2工作流體加熱到不同的最高溫度，從而給系統(tǒng)提供更大的工作溫度范圍，使得系統(tǒng)能夠形成在蒸汽渦輪機(jī)中使用的超臨界蒸汽。CN105240229A[21]公開(kāi)了一種太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統(tǒng)，包括1個(gè)再熱部，該再熱部連接第1工質(zhì)泵及第2工質(zhì)泵與集熱器，該再熱部與螺桿膨脹機(jī)連接，以吸收從集熱器進(jìn)熱螺桿膨脹機(jī)的高溫工質(zhì)的熱量，受熱后再回流到集熱器中，從而提高回?zé)嵝省?/p>

3.1.5 發(fā)電系統(tǒng)改進(jìn)

發(fā)電系統(tǒng)最常用的是蒸汽輪機(jī)和燃?xì)廨啓C(jī)，這些設(shè)備都由外國(guó)人原創(chuàng)發(fā)明。太陽(yáng)能光熱發(fā)電領(lǐng)域涉及的發(fā)電系統(tǒng)改進(jìn)主要涉及由于氣體壓力溫度不同而導(dǎo)致的系統(tǒng)差異。2008年西門子集中太陽(yáng)能有限公司提出的專利US20100212318A1[22]中，蒸汽發(fā)電設(shè)備包括3個(gè)蒸汽渦輪機(jī)，分別在高、中、低壓下工作，3個(gè)渦輪機(jī)彼此耦接，用來(lái)驅(qū)動(dòng)單個(gè)發(fā)電機(jī)。太陽(yáng)能光熱發(fā)電領(lǐng)域的1個(gè)分支是太陽(yáng)能低溫發(fā)電，主要是利用150 ℃以下的太陽(yáng)輻射熱，例如CN105952596A[23]公開(kāi)了一種太陽(yáng)能光熱低溫蒸汽動(dòng)力發(fā)電裝置，其渦輪動(dòng)力裝置帶動(dòng)第一銣磁鐵旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生切割感應(yīng)導(dǎo)線的磁場(chǎng)，通過(guò)電磁感應(yīng)效應(yīng)產(chǎn)生感應(yīng)來(lái)電流發(fā)電。

以上僅對(duì)純光熱發(fā)電系統(tǒng)中出現(xiàn)的這些部件改進(jìn)專利進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并沒(méi)有涵蓋所有改進(jìn)發(fā)明，雖然數(shù)據(jù)并不完整，但也從側(cè)面反映了部分純光熱發(fā)電系統(tǒng)改進(jìn)的一些趨勢(shì)。隨著儲(chǔ)熱介質(zhì)、吸熱介質(zhì)的不斷發(fā)展，相應(yīng)的系統(tǒng)改進(jìn)也隨之不斷發(fā)展。

3.2 “光熱+光伏”模式

在這個(gè)階段，光伏發(fā)電已經(jīng)實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的商業(yè)化，而光熱發(fā)電也處于商業(yè)化的初級(jí)階段。其中光熱發(fā)電受限于技術(shù)和成本的不平衡，難以平價(jià)上網(wǎng)；而光伏發(fā)電由于太陽(yáng)能的間歇性，導(dǎo)致電網(wǎng)消納難度大。由于光熱發(fā)電技術(shù)采用汽輪機(jī)發(fā)電技術(shù)，電網(wǎng)消納難度小，兼容性好，太陽(yáng)能“光熱+光伏”復(fù)合發(fā)電技術(shù)成為符合商業(yè)化要求的選擇之一[1]。早在20世紀(jì)70年代，有人就提出了太陽(yáng)能“光電+光熱”綜合利用的思想，早期太陽(yáng)能光伏和光電聯(lián)合發(fā)電的原理是：利用分光鏡先將光伏電池相匹配的光線分離到光伏吸收體上，而剩余的光線轉(zhuǎn)換為高溫?zé)崮苡玫钠啓C(jī)發(fā)電，如澳大利亞的MTSA工程[24]，但是太陽(yáng)能綜合發(fā)電效率不高。

從中國(guó)專利來(lái)看，在“光熱+光伏”模式的9件專利中，最早的專利從2007年開(kāi)始，該專利由泰國(guó)國(guó)家科技發(fā)展署提出[25]，其公開(kāi)了一種“光熱+光伏”集熱器，該集熱器上既有太陽(yáng)能電池，也有液體管道，從而將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能和熱能。圖9所示為這9篇專利的主題，其中，2007和2009年提出的2篇專利涉及的“光熱+光伏”混合發(fā)電模式均利用低溫?zé)岚l(fā)電，屬于小型光熱發(fā)電系統(tǒng)，而到2016年的2篇關(guān)于“光熱+光伏”聯(lián)合發(fā)電的模式已經(jīng)涉及大型發(fā)電裝置。由此可見(jiàn)，隨著技術(shù)的進(jìn)步，光熱發(fā)電的研究從小型化到大型化轉(zhuǎn)變，從開(kāi)始的在1個(gè)部件上實(shí)現(xiàn)光伏和光熱的功能，發(fā)展到將大型的光伏和光熱系統(tǒng)進(jìn)行混合發(fā)電，充分發(fā)揮2個(gè)系統(tǒng)的長(zhǎng)處，彌補(bǔ)各自的短處，實(shí)現(xiàn)不同技術(shù)的深度融合。

圖9 “光熱+光伏”發(fā)電發(fā)明專利涉及的主題Fig.9 Topics covered by CSP+PV invention patents

3.3 “光熱+其他能源”混合發(fā)電模式

能源高效利用與環(huán)境相容發(fā)展的要求日益迫切，但單一能源輸入和輸出的常規(guī)利用方式無(wú)法滿足多元化的能源發(fā)展需求。綜合考慮不同能源資源的獨(dú)特屬性，基于能量綜合梯級(jí)利用原理，通過(guò)多能互補(bǔ)的利用方式能夠充分發(fā)揮各自的優(yōu)勢(shì)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，從而提高能源利用效率和降低污染物排放[26]。通過(guò)創(chuàng)新發(fā)展太陽(yáng)能光熱混合發(fā)電模式，可以發(fā)揮多能源互補(bǔ)優(yōu)勢(shì)，探索新能源替代傳統(tǒng)能源的最優(yōu)方案。多能源互補(bǔ)模式至少有以下幾種：“光熱+化石能源”混合發(fā)電模式、“光熱+其他清潔能源”混合發(fā)電模式、太陽(yáng)能熱化學(xué)利用技術(shù)、太陽(yáng)能熱電聯(lián)產(chǎn)以及混合有太陽(yáng)能的分布式能源發(fā)電模式。以下對(duì)這些混合發(fā)電模式進(jìn)行專利分析。

3.3.1 “光熱+化石燃料”混合發(fā)電模式

國(guó)內(nèi)外“光熱+化石能源”混合的主要模式有“光熱+燃?xì)狻被旌夏Ｊ交蛘摺肮鉄?煤電”混合模式等。這些模式的特點(diǎn)是可以降低系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)成本，降低天然氣或者煤的消耗量，并且能夠減少污染排放。由于中國(guó)一直以燃煤發(fā)電作為主要發(fā)電模式，從專利數(shù)量上也能看出，我國(guó)在光熱與化石燃料混合發(fā)電模式的研究上投入較多。在這些授權(quán)專利中，光熱與化石燃料混合發(fā)電的專利有31件，為占比最多的模式之一。圖10所示為按年代分布的專利量。

圖10 “光熱+化石燃料”混合發(fā)電模式發(fā)明專利年代統(tǒng)計(jì)Fig.10 The statistics on the years of invention patents for CSP-fossil fuel hybrid mode

由圖10可以看出，2012—2015年是這一技術(shù)的研究高峰期，2017年以后，專利數(shù)量逐漸回落，這與中國(guó)為了保護(hù)環(huán)境而減少化石燃料燃燒發(fā)電的政策有關(guān)。

早在2010年之前專利就出現(xiàn)了“光熱+燃煤”混合發(fā)電的模式，例如：華北電力大學(xué)設(shè)計(jì)的一種拋物面槽式太陽(yáng)能集熱器輔助燃煤鍋爐的混合熱發(fā)電系統(tǒng)CN101260815A[27]。按照太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)連接方式不同，“光熱+化石燃料”互補(bǔ)混合發(fā)電的形式大致有集熱系統(tǒng)與回?zé)嵯到y(tǒng)并聯(lián)、集熱系統(tǒng)與鍋爐受熱面并聯(lián)、集熱系統(tǒng)與回?zé)嵯到y(tǒng)和鍋爐受熱面并聯(lián)以及太陽(yáng)能加熱再熱蒸汽等。這些互補(bǔ)方式的共同特點(diǎn)是循環(huán)工質(zhì)所需熱源一部分來(lái)自于太陽(yáng)熱能，其余由燃煤或者燃?xì)忮仩t提供[28]。根據(jù)筆者統(tǒng)計(jì)：2014年以前與“光熱+化石燃料”混合發(fā)電相關(guān)的大部分專利采用太陽(yáng)能集熱器加熱鍋爐給水或者凝結(jié)水，加熱后產(chǎn)生的過(guò)熱蒸汽與鍋爐產(chǎn)生的過(guò)熱蒸汽一起驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電，例如CN103375369A[29]、CN103089558A[30]和CN105332865A[31]等。2015年之后的混合發(fā)電專利開(kāi)始出現(xiàn)模式的一些新變化，例如CN104819020A[32]中，將鍋爐屏式過(guò)熱器后的抽汽引入塔式太陽(yáng)能集熱器，然后連接太陽(yáng)能蒸汽管道，產(chǎn)生的過(guò)熱蒸汽送至汽輪機(jī)發(fā)電；CN109139400A[33]在太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度較低時(shí)，將太陽(yáng)能熱集成位置從余熱鍋爐的高壓蒸發(fā)器改變到第二級(jí)高壓省煤器。2018年的申請(qǐng)中開(kāi)始出現(xiàn)不同級(jí)別能量的梯級(jí)利用，例如CN109185085A[34]提出，在塔槽結(jié)合的富氧燃煤機(jī)組中，將塔式太陽(yáng)能集熱器與富氧燃煤鍋爐耦合，槽式太陽(yáng)能集熱器與高壓加熱器并聯(lián)；CN109519347A[35]中，點(diǎn)聚焦太陽(yáng)能集熱場(chǎng)(通常為塔式集熱器)與高壓加熱器系統(tǒng)連通，線聚焦太陽(yáng)能集熱場(chǎng)(通常為槽式集熱器)與中壓缸排汽連通，加熱蒸汽后送入低壓加熱器系統(tǒng)。

從專利的發(fā)展來(lái)看，“光熱+燃煤”混合發(fā)電模式改進(jìn)不斷向前發(fā)展，系統(tǒng)也變得復(fù)雜，從開(kāi)始的太陽(yáng)能集熱器與鍋爐的簡(jiǎn)單連接，到不同品位能量的梯級(jí)利用，從單一的太陽(yáng)能集熱器與鍋爐的混合，到多種不同種類太陽(yáng)能集熱器與鍋爐不同階段的互補(bǔ)耦合，都體現(xiàn)了技術(shù)在不斷的進(jìn)步，能源的利用方式在向精細(xì)化和更高效發(fā)展；不過(guò)隨著中國(guó)不斷減少對(duì)化石燃料的利用，針對(duì)“光熱+化石燃料”燃燒混合發(fā)電模式的研究也在逐漸減少。

3.3.2 “光熱+其他清潔能源”混合發(fā)電模式

除太陽(yáng)能之外，風(fēng)能、地?zé)崮?、生物質(zhì)能以及核能等都屬于清潔能源，由于太陽(yáng)能具有間歇性且發(fā)熱效率不太高，開(kāi)始有人研究將太陽(yáng)能與其他清潔能源進(jìn)行混合發(fā)電，以提高能源的綜合利用效率。從專利統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，將太陽(yáng)能與其他清潔能源相結(jié)合，開(kāi)發(fā)混合發(fā)電模式，這是太陽(yáng)能發(fā)電研究的熱點(diǎn)。圖11統(tǒng)計(jì)了光熱與其他主要的清潔能源混合發(fā)電模式的專利數(shù)量。從圖11中可以看出，我國(guó)主要開(kāi)展了光熱發(fā)電與風(fēng)能、地?zé)崮芎蜕镔|(zhì)能混合進(jìn)行發(fā)電的研究。

圖11 “光熱+其他清潔能源”混合發(fā)電模式發(fā)明專利數(shù)量統(tǒng)計(jì)Fig.11 The statistics on the number of invention patents for CSP + other clean energy hybrid mode

風(fēng)能跟太陽(yáng)能一樣，也屬于間歇性能源，對(duì)天氣的依賴程度較大，因此，將太陽(yáng)能與風(fēng)能相結(jié)合，能夠彌補(bǔ)天氣原因造成的不利影響，從而提高能源利用效率。目前，多數(shù)風(fēng)能與太陽(yáng)能混合發(fā)電的研究集中在太陽(yáng)能熱氣流發(fā)電與風(fēng)電的混合研究上，但也有少部分涉及太陽(yáng)能光熱發(fā)電與風(fēng)電的混合。例如以色列的O尤格夫設(shè)計(jì)了利用太陽(yáng)熱能和風(fēng)能源進(jìn)行發(fā)電的混合系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)、由風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)供電的太陽(yáng)熱能發(fā)電系統(tǒng)和空氣壓縮系統(tǒng)以及壓縮空氣存儲(chǔ)系統(tǒng)[36]。風(fēng)電和光伏發(fā)電均會(huì)出現(xiàn)較大波動(dòng)，而光熱發(fā)電具有介質(zhì)儲(chǔ)熱裝置，能夠彌補(bǔ)天氣原因?qū)е碌牟▌?dòng)，為了有效保證能源的穩(wěn)定供給，降低對(duì)電網(wǎng)的沖擊，利用光熱發(fā)電與風(fēng)電和光伏發(fā)電聯(lián)合，是非常有效的方式。CN104807204A[37]設(shè)計(jì)了一種風(fēng)電、光伏、光熱和介質(zhì)儲(chǔ)熱聯(lián)合供能系統(tǒng)，風(fēng)電、光伏發(fā)電設(shè)備可以在發(fā)電不太穩(wěn)定的時(shí)候，將不太穩(wěn)定的電力為太陽(yáng)能的儲(chǔ)熱裝置(熔鹽電加熱器)提供電力。

地?zé)崮芎蜕镔|(zhì)能與太陽(yáng)能光熱混合發(fā)電大部分專利涉及熱電冷聯(lián)供的研究，地?zé)崮芎蜕镔|(zhì)能通常作為太陽(yáng)能集熱的補(bǔ)充能源使用，尤其是地?zé)崮?，例如：CN103062000A[38]中，利用地?zé)崴A(yù)熱工質(zhì)，然后利用太陽(yáng)能將工質(zhì)加熱到過(guò)熱蒸汽進(jìn)行發(fā)電，實(shí)現(xiàn)能量的梯級(jí)利用。地?zé)崮苓€能為用戶提供冷源，例如：CN102338051A[39]和CN103292517A[40]在發(fā)電之余，系統(tǒng)余熱還用于制冷循環(huán)。生物質(zhì)在鍋爐內(nèi)燃燒為太陽(yáng)能光熱裝置提供補(bǔ)充熱量，其補(bǔ)充熱量的方式與燃煤鍋爐補(bǔ)充熱量的方式類似，例如：CN103670551A[41]中，將生物質(zhì)燃燒爐與太陽(yáng)能集熱器并聯(lián)，當(dāng)陽(yáng)光不足時(shí)，生物質(zhì)燃燒爐提供補(bǔ)充熱量，以保證系統(tǒng)的平穩(wěn)運(yùn)行。

3.3.3 太陽(yáng)能熱化學(xué)利用技術(shù)

太陽(yáng)能熱化學(xué)利用技術(shù)是利用聚光裝置先將太陽(yáng)光匯聚轉(zhuǎn)換為熱能，然后利用該熱能驅(qū)動(dòng)吸熱的化學(xué)反應(yīng)，并將太陽(yáng)能儲(chǔ)存于反應(yīng)生成物中，成為化學(xué)燃料，稱為“太陽(yáng)能燃料”，再做進(jìn)一步的太陽(yáng)能熱電循環(huán)、太陽(yáng)能制氫等利用，這是太陽(yáng)能與化石燃料高效互補(bǔ)的新途徑，是太陽(yáng)能熱利用領(lǐng)域的國(guó)際研究熱點(diǎn)和前沿[42]。太陽(yáng)能熱化學(xué)技術(shù)的主要途徑有3種：太陽(yáng)能高溫分解水或二氧化碳、太陽(yáng)能裂解/固體燃料氣化、液體烴或氣態(tài)烴類的重整[43-45]。

CN108507188A設(shè)計(jì)的基于太陽(yáng)能集成富氧燃燒與化學(xué)鏈燃燒的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)及其工作方法，是將太陽(yáng)能熱化學(xué)過(guò)程和燃料動(dòng)力循環(huán)的有機(jī)耦合，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能的階梯利用，一方面還原后的載氧體將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存在載氧體蓄熱器中，為化學(xué)鏈燃燒提供必要的熱能，另一方面利用光照下微藻光合作用吸收二氧化碳釋放氧氣的特點(diǎn)，為富氧燃燒提供純凈的氧氣，為空氣反應(yīng)器提供二次風(fēng)[46]。對(duì)于液態(tài)烴或者氣態(tài)烴類的重整，CN111663975A公開(kāi)了一種基于甲烷重整儲(chǔ)能的超臨界二氧化碳發(fā)電系統(tǒng)及方法，將太陽(yáng)能甲烷重整熱化學(xué)儲(chǔ)能與超臨界二氧化碳發(fā)電進(jìn)行有機(jī)的結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能的平穩(wěn)持續(xù)利用[47]。

3.3.4 多能互補(bǔ)發(fā)電、太陽(yáng)能熱電聯(lián)產(chǎn)以及混合有太陽(yáng)能的分布式能源發(fā)電模式

我國(guó)在開(kāi)展太陽(yáng)能與其他能源混合發(fā)電研究的同時(shí)，也開(kāi)始因地制宜地研究包括太陽(yáng)能光熱發(fā)電在內(nèi)的多種能源綜合利用，本節(jié)將多能互補(bǔ)發(fā)電、太陽(yáng)能熱電聯(lián)產(chǎn)和分布式能源發(fā)電3種模式合并進(jìn)行分析。這3種發(fā)明專利的總量為43件，從數(shù)量上來(lái)看，比太陽(yáng)能與化石燃料混合發(fā)電模式的專利量還多。中國(guó)出現(xiàn)最早的專利是美國(guó)GMZ能源公司2008年申請(qǐng)的專利CN101836053A[48]，其公開(kāi)了一種太陽(yáng)能熱電聯(lián)產(chǎn)的系統(tǒng)和方法，在利用太陽(yáng)能熱發(fā)電以后，流體溫度如果仍然高于家用或商用用途，那么將流體用于加熱各種用途的熱水，從而充分利用熱能?？梢?jiàn)，對(duì)太陽(yáng)能與其他能源綜合利用的研究也是從國(guó)外開(kāi)始的。

分布式能源系統(tǒng)是指將能源系統(tǒng)以小規(guī)模、小容量、模塊化、分散化的方式布置在用戶端，用來(lái)雙向傳輸冷、熱、電能。由于可以提高能源利用率和供電安全性，實(shí)現(xiàn)按需功能以及為用戶提供更多選擇，分布式能源系統(tǒng)成為全球電力行業(yè)和能源產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展方向[49]。

從混合能源的收集來(lái)看，2010年就有CN102011716A[50]公開(kāi)的太陽(yáng)能、波浪能和海流能混合，采用光熱發(fā)電技術(shù)，將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為液壓能，然后將液壓能與波浪能和海流能發(fā)電設(shè)備輸出的液壓合并輸出給液壓馬達(dá)，推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。2014年CN104405599A[51]提出了包括風(fēng)力壓縮空氣系統(tǒng)、太陽(yáng)能加熱系統(tǒng)、燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)和超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)發(fā)電的聯(lián)合系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，將風(fēng)力的壓縮空氣熱量、太陽(yáng)能集熱塔收集的熱量根據(jù)需求自動(dòng)分配給燃汽輪機(jī)燃料或者超臨界二氧化碳回?zé)崞鳎瑥亩鴮?shí)現(xiàn)燃?xì)?超臨界二氧化碳聯(lián)合動(dòng)力循環(huán)，提升系統(tǒng)效率和提供穩(wěn)定電源。2019年CN110748465A[52]提出氫儲(chǔ)能太陽(yáng)能燃煤耦合靈活發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能熱發(fā)電與燃煤發(fā)電耦合，從能源收集部分利用氫儲(chǔ)能來(lái)調(diào)節(jié)太陽(yáng)能熱量和燃煤燃燒熱量不匹配的問(wèn)題。

從以上3個(gè)不同時(shí)期的專利來(lái)看，早期專利聚焦在同種能源的混合，隨著技術(shù)的發(fā)展，開(kāi)始考慮同種能源耦合中由于品質(zhì)不同而不匹配的問(wèn)題。從混合能源利用來(lái)看，2008年CN101392736A[53]公開(kāi)了一種太陽(yáng)能低溫?zé)岚l(fā)電及冷熱聯(lián)供系統(tǒng)，利用能源的系統(tǒng)包括有機(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)、吸收制冷系統(tǒng)、熱水供給系統(tǒng)和暖氣供給系統(tǒng)，這4個(gè)子系統(tǒng)運(yùn)行獨(dú)立，互不影響，可以隨時(shí)根據(jù)用戶的需求進(jìn)行調(diào)整；2019年CN109854466A[54]公開(kāi)了一種利用太陽(yáng)能的冷熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，其中利用能源的系統(tǒng)包括卡琳娜循環(huán)子系統(tǒng)、制冷子系統(tǒng)和供熱子系統(tǒng)，其中卡琳娜循環(huán)子系統(tǒng)與制冷子系統(tǒng)之間通過(guò)發(fā)電工質(zhì)-制冷工質(zhì)換熱器連接，以冷凝后的低溫卡琳娜循環(huán)工質(zhì)為制冷系統(tǒng)提供冷源，可提高制冷系統(tǒng)效率。從這2件專利來(lái)看，能源利用由早期的單獨(dú)利用開(kāi)始轉(zhuǎn)向?qū)⒉煌焚|(zhì)的能源進(jìn)行梯級(jí)利用，可充分提高能源的利用率。

綜上可以看出，為了充分利用能源以及保持系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，科研人員已經(jīng)開(kāi)始探索多于3種能源耦合發(fā)電的模式，而且隨著時(shí)間的推移，耦合方式根據(jù)不同能源以及能源的不同品質(zhì)日趨復(fù)雜，在能源利用層面也從簡(jiǎn)單的將能源應(yīng)用到熱、電、冷3個(gè)方面，逐漸發(fā)展為依據(jù)梯級(jí)能源品質(zhì)的不同，進(jìn)行不同結(jié)構(gòu)的梯級(jí)利用選擇。

4 太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)分析

本文通過(guò)專利數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，分析了太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)在中國(guó)的總體發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)，并且在純光熱發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，與國(guó)外技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，分析了國(guó)內(nèi)外技術(shù)熱點(diǎn)的差異。太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)在中國(guó)的發(fā)展分為2個(gè)階段：從1987年申請(qǐng)的第1件光熱發(fā)電專利開(kāi)始到2003年為技術(shù)萌芽期，在這個(gè)階段，中國(guó)的光熱發(fā)電技術(shù)幾乎是空白，核心技術(shù)都掌握在外國(guó)人手里；第2個(gè)階段是2004年至今的技術(shù)發(fā)展期，重點(diǎn)介紹了純太陽(yáng)能光熱發(fā)電、“光熱+光伏”混合發(fā)電模式以及“光熱+其他能源”混合發(fā)電模式，這3種類型的技術(shù)發(fā)展幾乎在中國(guó)同步開(kāi)展，沒(méi)有嚴(yán)格的時(shí)間分隔。

純太陽(yáng)能光熱發(fā)電從光熱發(fā)電系統(tǒng)的5大部件〔聚光系統(tǒng)、吸熱部件(也稱為光熱轉(zhuǎn)換部件)、儲(chǔ)熱系統(tǒng)、熱傳遞系統(tǒng)以及發(fā)電系統(tǒng)〕進(jìn)行改進(jìn)，其中針對(duì)聚光系統(tǒng)的改進(jìn)最多。由于國(guó)外已經(jīng)有成熟的聚光系統(tǒng)，中國(guó)的聚光系統(tǒng)改進(jìn)更多的是結(jié)構(gòu)上的小改進(jìn)以及不同聚光系統(tǒng)的聯(lián)合等。吸熱部件和儲(chǔ)熱系統(tǒng)通常是聯(lián)合在一起改進(jìn)的，在技術(shù)發(fā)展的后期，也出現(xiàn)了針對(duì)系統(tǒng)中出現(xiàn)多種工質(zhì)而進(jìn)行改進(jìn)的儲(chǔ)熱和吸熱系統(tǒng)。熱傳遞系統(tǒng)的改進(jìn)發(fā)展較晚，為了更好地利用不同品質(zhì)的太陽(yáng)能，也開(kāi)始研究改進(jìn)熱傳遞系統(tǒng)。聚光系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)的改進(jìn)一直是國(guó)外研究者的強(qiáng)項(xiàng)，傳統(tǒng)聚光模式、燃?xì)廨啓C(jī)以及蒸汽輪機(jī)的核心發(fā)明基本都掌握在外國(guó)人手中，因此，國(guó)外公司更傾向于研究聚光系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)的改進(jìn)。雖然本文將光熱發(fā)電系統(tǒng)按照專利的發(fā)明點(diǎn)分為5大部件進(jìn)行改進(jìn)，但是光熱發(fā)電系統(tǒng)是一個(gè)完整的系統(tǒng)，任何部件的改進(jìn)都可能改變整體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，儲(chǔ)熱介質(zhì)、吸熱介質(zhì)以及熱傳遞工質(zhì)的不斷發(fā)展變化，都在促進(jìn)系統(tǒng)隨之不斷地進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整和更新。為了盡可能大地提高太陽(yáng)光的轉(zhuǎn)化率，吸熱和儲(chǔ)熱新材料以及光熱轉(zhuǎn)換新介質(zhì)的研究將成為光熱發(fā)電系統(tǒng)研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，新材料、新介質(zhì)的突破會(huì)給光熱發(fā)電領(lǐng)域帶來(lái)新的突破，從而促進(jìn)部件和系統(tǒng)的改進(jìn)，將二者結(jié)合起來(lái)更高效地發(fā)揮作用也是未來(lái)技術(shù)的發(fā)展方向之一。

對(duì)“光熱+光伏”發(fā)電的專利進(jìn)行申請(qǐng)時(shí)間和主題的分析，從時(shí)間分布來(lái)看，系統(tǒng)逐漸從簡(jiǎn)單化向復(fù)雜化發(fā)展，既包括小型發(fā)電設(shè)備，也包括大型發(fā)電設(shè)備，大型光熱和光伏發(fā)電系統(tǒng)如何深度融合從而最大可能地發(fā)揮二者優(yōu)勢(shì)，是未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)發(fā)展的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)最初由國(guó)外引進(jìn)，而且中國(guó)的能源結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，因此，從2008年左右就開(kāi)始出現(xiàn)對(duì)光熱與其他能源混合發(fā)電模式的研究，尤其以光熱與化石燃料混合發(fā)電以及光熱與多種能源模式混合進(jìn)行熱電聯(lián)產(chǎn)的專利居多，部分申請(qǐng)是基于已有系統(tǒng)增加光熱發(fā)電的改造。雖然是光熱發(fā)電與不同能源的混合，但都基本體現(xiàn)了同一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，即系統(tǒng)逐漸由簡(jiǎn)單混合向能源梯級(jí)利用發(fā)展，從能源的收集到利用均體現(xiàn)了這一點(diǎn)，而如何能夠在能源的梯級(jí)收集和梯級(jí)利用中最大限度地發(fā)揮各能源的長(zhǎng)處，避免各能源的短處，也將是研究的難點(diǎn)之一。

隨著各種新能源發(fā)電形式的發(fā)展，多源并存的能源格局日趨完善。中國(guó)是個(gè)多能源并存發(fā)展的國(guó)家，在今后一段時(shí)間里，多能源互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)將會(huì)是主要的研究方向之一，隨著光熱發(fā)電的儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展，其在各能源間進(jìn)行調(diào)度協(xié)調(diào)的作用更加凸顯。在計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)飛速發(fā)展的時(shí)期，如何利用光熱技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，充分結(jié)合各能源的特點(diǎn)，以保障整個(gè)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本，提升系統(tǒng)的能源利用效率，是今后光熱技術(shù)的研究重點(diǎn)和熱點(diǎn)。由于不同類型能源具有其自身的特點(diǎn)及不同的品質(zhì)，如何充分有效地發(fā)揮各自的長(zhǎng)處，將各種不同能源有效利用，滿足不同用戶個(gè)性化的需求，這也將是未來(lái)研究的難點(diǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

相對(duì)于光伏、風(fēng)電等發(fā)電，太陽(yáng)能光熱發(fā)電具有出力穩(wěn)定可控、易于并網(wǎng)、協(xié)助系統(tǒng)調(diào)峰、清潔污染小、壽命周期長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但是光熱電站的巨大投資成本和較高的并網(wǎng)電價(jià)仍然是我國(guó)推進(jìn)光熱發(fā)電發(fā)展面臨的重大難題；因此，如何降低光熱發(fā)電成本，提高光熱轉(zhuǎn)化效率是太陽(yáng)能光熱發(fā)電需要解決的根本性問(wèn)題。通過(guò)專利數(shù)據(jù)分析可以看出，對(duì)于純太陽(yáng)能光熱發(fā)電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，找出低成本、高太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化率的儲(chǔ)熱和光轉(zhuǎn)化材料是光熱發(fā)電研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)，新材料的突破會(huì)給光熱發(fā)電系統(tǒng)的研究帶來(lái)新的突破。儲(chǔ)熱材料和光轉(zhuǎn)化材料的改進(jìn)，也會(huì)帶來(lái)與新材料相匹配的太陽(yáng)能光熱系統(tǒng)的改進(jìn)，因此，如何使得部件改進(jìn)與系統(tǒng)整體改進(jìn)結(jié)合起來(lái)更高效地發(fā)揮作用，也是未來(lái)技術(shù)的發(fā)展方向之一。另外，從專利技術(shù)的發(fā)展態(tài)勢(shì)來(lái)看，光熱發(fā)電與其他能源互補(bǔ)是很好的發(fā)展途徑，對(duì)我國(guó)現(xiàn)階段來(lái)說(shuō)，在現(xiàn)有發(fā)電設(shè)備的基礎(chǔ)上，進(jìn)行不同能源的互補(bǔ)，可以節(jié)省改造成本，更有效地發(fā)揮不同能源的優(yōu)勢(shì)。從專利數(shù)據(jù)來(lái)看，大型發(fā)電站和小型分布式能源系統(tǒng)等都逐步向多種能源混合的方向發(fā)展，在這些多能源混合發(fā)電的綜合系統(tǒng)中，光熱發(fā)電的儲(chǔ)能功能發(fā)揮了很大的作用，而如何充分利用各種不同能源優(yōu)勢(shì)，從能源采集和利用的各個(gè)方面，經(jīng)濟(jì)有效地進(jìn)行梯級(jí)利用研究，也成為目前光熱和其他能源互補(bǔ)發(fā)電的研究熱點(diǎn)，這也將會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)成為我國(guó)太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)的主要研究方向之一。同時(shí)，國(guó)家政策的扶持以及各科研機(jī)構(gòu)、各企業(yè)的研究也必將推動(dòng)太陽(yáng)能光熱發(fā)電的進(jìn)一步發(fā)展。