基于专利数据论太阳能光热发电在中国的研究进展

杨轶，陈明

(1.国家知识产权局专利局，北京 102206；2.中国电力工程顾问集团华北电力设计院有限公司，北京 100120)

随着经济的不断发展，世界各国都面临着能源危机的问题，太阳能作为清洁的可再生能源，是解决能源危机的有效途径之一。太阳能发电技术分为2类——光伏发电(PV)和光热发电(CSP，也称聚光太阳能发电)。光伏发电通过光伏效应将太阳辐射直接转换为电能；光热发电通过聚集太阳能将辐射转化为热能，然后通过热力循环驱动热机发电[1]。与光伏发电相比，光热发电采用成熟的储热技术，可实现全天24 h稳定持续发电，有利于电网的经济安全运行。此前，国家能源局发布的《太阳能利用“十三五”发展规划(征求意见稿)》提出，到2020年光热发电总装机容量达到10 GW；2016年国家能源局发布的《关于建设太阳能热发电示范项目的通知》提出，共有20个项目入选我国首批光热发电示范项目名单，总计装机容量达1.35 GW，包括9个塔式电站、7个槽式电站和4个菲涅尔电站[2]。国家政策的导向也在推动太阳能光热技术的发展，从我国相关专利可以清晰地看到我国太阳能光热技术的进展。

1 太阳能光热发电申请/授权专利发展现状

本文主要以中国专利数据库(以下简称CNABS)的数据作为研究对象，辅以外文专利数据库(以下简称DWPI)的部分数据，研究太阳能光热发电专利在中国的发展状况。中国国家专利局始建于1985年，中国专利数据开始于1985以后，而从外文专利数据库中查询的数据显示，太阳能光热发电的早期专利在1977年于美国获得授权，最早由中国人研究出的太阳能光热发电专利于1987年提交申请。从申请时间上来看，国内研究比国外研究至少晚了10年。

通过对2个专利数据库中太阳能光热发电专利的统计，可以全面了解太阳能光热专利申请的整体分布情况，图1所示为中国专利申请的申请量变化情况，图2所示为世界范围内太阳能光热专利申请变化情况，图3所示为主要申请国、地区或机构的分布情况。

图1 太阳能光热专利申请在中国的申请量发展趋势Fig.1 Development trend of CSP patent applications in China

图2 世界范围内太阳能光热专利申请的申请量发展趋势Fig.2 Development trend of CSP patent applications in the world

由图1和图2比较看出：从1986年中国开始有第1件太阳能光热申请以来，直到1999年，基本上每年申请量都是个位数；1999—2006年，申请量缓慢增长，每年基本上几十件；2009年以后，申请量呈现迅猛增长的态势，每年增长几百件，2013年的申请量达到了1 000件以上，除2014年小幅回落以外，之后每年数量都呈增长态势。从世界范围来看，2006年以前，太阳能光热发电的申请量增长也比较缓慢，而从2007年开始，申请量增长很快，在2013年达到申请量的顶峰，随后逐年回落。太阳能光热发电的研究在2007—2013年间呈现迅猛发展的时期，其后技术逐渐成熟，处于稳定发展时期。从申请数量来看，2014年以后，中国太阳能光热专利申请的申请量增长已经超过国外相关专利申请量的增长。

图3 世界范围内太阳能光热专利申请主要申请国、地区或者机构的分布情况Fig.3 Distribution of major application countries for CSP patent applications in the world or areas

由图3可以看出：中国专利申请量已经排在世界第1位，紧接其后的是美国专利、日本专利以及欧洲和德国专利，这也跟太阳能光热发电在各国的发展趋势一致。从国外来看，美国、日本、德国以及欧洲的其他国家是太阳能光热发电发展水平比较高的国家，而中国从专利申请量上已经赶超这些发达国家。

图4和图5所示为中国发明专利的授权状况，通过授权率分析，可以了解中国发明专利的质量变化情况。图4和图5仅统计了中国发明专利的申请和授权情况(剔除了实用新型的数据)。

从图4可以看出：2010年以前，中国发明申请量逐年缓慢上升，2010—2013年期间发明申请量增长很快，2013年以后呈现比较稳定的状态，2017年以后申请量略有下降；授权量的趋势与申请量的趋势基本相同。发明专利的授权率在一定程度上体现了专利质量，由图5可以看出：2005年、2006年和2008年，发明专利的授权率是最高的，基本都高于50%；随着申请量的不断上升，授权率也有所回落，但除了个别年份以外，授权率均能维持在40%左右；2018年和2019年由于部分发明申请还在审查过程中，授权率数据并不完整。总体上来说，太阳能光热发电系统相关的发明专利质量还是比较稳定的。

图4 中国发明申请和发明授权专利按年份分布情况Fig.4 Distribution of China’s invention applications and invention patents by years

图5 中国发明专利的授权率按年份分布情况Fig.5 Distribution of China’s invention patent granted rate by years

太阳能光热技术在中国的发展比国外晚了至少10年，而且中国的能源结构与国外不同，中国太阳能光热技术的发展与国外的发展方向和趋势也不同；因此，本文主要以中国太阳能光热专利技术作为研究对象，来研究中国太阳能光热技术的发展，同时，在部分技术发展方向上，也参照比较部分国外的太阳能光热技术。

从CNABS的数据来看，涉及太阳能光热发电系统的授权专利共有837件，从技术上来看，1987年出现了第1件光热发电系统相关的专利之后，直到2004年才开始出现多件与系统相关的授权专利；而由于国外太阳能光热技术发展得比较早，受国外技术引进的影响，中国单一太阳能光热发电系统改进和太阳能光热发电与其他能源方式进行结合技术的发展并没有明显的时间分隔。因此，本文仅从2个阶段来对中国太阳能光热发电的发展趋势进行介绍：第1阶段2003年以前；第2阶段2004年以后。

2 中国技术萌芽期(2003年以前)

20世纪，我国太阳能光热技术发展较慢，以个人申请专利居多。1987年西安交通大学林万超等申请了第1件有关太阳能光热发电的专利——利用排烟余热的低压节能复合系统[3]。该系统利用太阳能集热器代替系统中的低压节能器，用太阳能加热热力系统中的凝结水来发电，但该发明中并没有详细描述太阳能集热器的结构，只采用常规的加热热水的太阳能集热器来发电。2003年以前，授权的发明专利只有8件，而在这些授权的发明专利中，大部分专利都是外国申请人在华的申请。从中英文摘要联合数据库的数据来看，最早授权的申请出现在美国，是由David M. Arthur发明的用于转换和储存收集太阳能的太阳能热辐射吸收器和系统[4]。在该系统中，利用热辐射吸收流体混合物吸收太阳能，然后将热传递出来用于发电。1979年美国总统卡特宣布，到2000年以太阳能为主的可再生能源要发展到占全国能源构成的20%；日本也制订了著名的“阳光计划”，加速太阳能利用器件的研究。因此，自20世纪70年代初开始，关于太阳能利用的研究开发等在世界范围内展开[5]，美国授权专利出现在20世纪70年代也与这些政策的发布密不可分。

3 中国技术发展期(2004年至今)

2004年以后，国内关于太阳能光热发电授权的专利逐年增长，并且在2014年以后超过了国外申请量的增长。根据CNABS的统计，2004年以后，与太阳能光热发电相关的授权发明专利一共有829件，对这829件的授权专利进行分析和研究发现，在这些授权专利中，涉及太阳能系统改进的发明共211件，图6所示为这些授权专利涉及的主题范围。

从图6可以看出涉及光热与其他能源混合发电模式主题的授权发明专利最多，占总量的41%。由于单纯依靠太阳能进行发电的设备能源利用效率比较低，而且大部分原创专利都掌握在外国人手里，2007年以后，我国有关太阳能光热发电技术的研究慢慢转向提升能源的综合利用效率上来，也出现了太阳能与其他能源相结合的专利，其中太阳能与化石燃料(例如燃煤、燃气等)相结合进行发电的发明专利占到了14%，这也与我国传统能源中煤炭占比比较大有很大关系；另外，涉及太阳能光热与热电冷等联供系统的结合、太阳能与风能、地热等结合进行发电的专利也占了一定的比例。随着研究的不断发展，近几年出现了不少多能源互补发电以及分布式太阳能发电的专利，将至少3种能源融合到1个系统中，发挥不同能源的优势，提升整体系统的效能。对这些不同能源组合方式进行研究，优化了我国的能源结构，也提高了能源利用效率。

图6 2004年以后涉及光热系统授权专利的主题统计Fig.6 Statistics on topics related to patents granted for CSP systems after 2004

下文针对图6中列出的不同能源组合方式专利分类进行趋势分析，从专利发展的角度，分析太阳能光热技术发展的趋势，主要分为3类：纯太阳能光热发电、“光热+光伏”混合发电模式、“光热+其他能源”混合发电模式。由于单一模式的太阳能光热发电成本较高，太阳能利用率不太高，更多的研究开始倾向于将太阳能光热发电与其他能源进行混合发电，从专利授权数量上也印证了这一点。

另外，通过DWPI数据库对国外申请进行了技术统计，发现国外的光热发电系统更倾向于对纯光热系统的利用和改进，而由于能源结构中燃煤所占比例很小，且其他能源也跟具体的地理环境相关，对光热和其他能源混合发电的研究并不多。以下仅在纯太阳能光热发电部分，对国外专利与国内专利进行比较研究。

3.1 纯太阳能光热发电

聚光太阳能发电共有4种聚光太阳能设备类型，即抛物面槽式(PT)、线性菲涅尔式(FR)、塔式(ST)和蝶式(SD)。根据镜场和接收器的设计和配置、所用的传热流体，以及是否涉及储热，这4种设备类型有所不同，前3种设备类型主要用于集中发电。这4种太阳能光热发电的方式早在2003年前就已经出现在国外专利中。从商业应用上来说，抛物面槽式和塔式已得到验证，而线性菲涅尔式和蝶式仍处于早期商业项目、示范项目阶段[6]。上述几种类型的太阳能光热发电类型大部分涉及比较大型的太阳能集中发电系统，而中国专利中太阳能光热发电系统既有这种大型集中发电系统，也有小型家庭发电系统。据统计，涉及纯太阳能光热发电的发明专利总共有59件，这些专利涵盖了太阳能光热发电系统的主要几大部件改进，包括：聚光系统改进、吸热部件(也称为光热转换部件)改进、储热系统改进、热传递系统改进以及发电系统改进。对这些专利进行改进类型统计，结果如图7所示。

图7 中国发明专利中纯太阳能光热发电改进的类型统计 Fig.7 Statistics on the types of improvements in pure CSP in China’s invention patents

从图7可以看出：太阳能光热系统的改进中，涉及聚光系统的改进专利最多，占33%；其次是涉及吸热部件的改进，占23%；而热传递系统和发电系统的改进比较少，均为13%。在这些专利中，2012年以前的专利更多的是针对聚光系统、吸热部件以及储热系统的改进，而在2012年之后的专利中，更多的是对热传递系统和发电系统的改进。

图8所示为DWPI数据库中，国外光热发电系统中纯光热发电系统各部件的改进数据。

图8 国外发明专利中纯太阳能光热发电改进的类型统计Fig.8 Statistics on the types of improvements in pure CSP in foreign invention patents

从图8可以看出，国外的光热发电系统更倾向于对聚光系统的改进，这些改进专利占到了专利量的41%，对吸热部件和储热系统的改进比例也比中国专利略高，而对热传递系统和发电系统的改进则略低。

3.1.1 聚光系统改进

聚光元件是太阳能光热发电中比较重要的部件，对聚光元件的改进专利贯穿了整个太阳能光热发电技术发展的历史。在这些发明专利中，早期的中国专利集中在例如德国的西门子公司、美国的帕尔萨能源公司、威尔逊太阳能公司、阿尔斯通公司等外国公司手中，而在2012年之后，中国的研究机构以及企业后来居上，针对聚光元件展开了系列研究。

在这些发明专利中，中国专利涉及聚光系统的改进包括：对槽式、塔式或碟式聚光元件的改进，将不同聚光系统相结合的改进，在聚光元件中增设反射元件以及定日镜场的改进等等。例如CN106247638A[7]和CN105333635A[8]涉及聚光装置结构改进，在聚光装置中设置支撑结构或增设配重块，以提升结构稳定性。由于槽式和塔式聚光系统本身的缺陷，也出现了将这2种系统相结合的专利，如CN101539123A[9]提出槽塔结合的双级蓄热太阳能热发电系统，解决了槽式太阳能热发电系统集热温度不高且提升困难、单塔太阳能热发电系统光学效率受电厂规模影响、不易大型化的问题。在聚光元件中增设反射元件的专利如CN102216612A[10]中设置双表面反射器，以此避免浪费收集的太阳能。

外国专利涉及聚光系统的改进更多的是对聚光元件本身的改进，例如：US20170054408A1[11]提出在光热发电系统中使用双级抛物面聚光器，从而提高聚光效率；US20160084529A1[12]提出固定目标太阳能集热塔的设计，将多个聚光器模块安装在太阳能跟踪机构上，聚光器模块可以转动，从而更有效地将太阳光反射到塔上。

3.1.2 吸热部件改进

在太阳能光热发电系统中，吸热部件大多数是管辐射吸收器，其改进较多是对集热管的改进，如CN101821502A[13]的管辐射吸热器以及CN101893327A[14]的真空集热管。另外，吸热工质不同导致吸热部件改变，如CN105865054A[15]和CN106050586A[16]利用气体工质吸热，从而带来吸热部件的改变。塔式太阳能光热系统中常用的水和熔盐工质都有自身的缺陷，水工质没有蓄热功能，熔盐工质管路复杂，系统控制难度大，为了克服这些不足，在同一个光热发电系统中设置2种不同工质吸热器，如CN102828925A[17]的水吸热器和熔盐吸热器，充分发挥2种传热工质的优势，提高系统效率。

3.1.3 储热系统改进

在太阳能光热发电系统中，通常吸热工质就是储热工质，目前可以选择的储热方式主要有3种：显热储热、相变潜热储热和化学能储热。基于显热储热的储热系统主要有2种：双罐储热系统和单罐储热系统[18]。而相变潜热储热可以保证工质蒸发过程中与传热介质温差保持恒定，减少系统热损失，如CN101122422A[19]要求保护一种“吸热-储热”双流化床系统，在该系统中，储热材料采用固体蓄热球，蓄热球内包裹高温相变蓄热材料，而蓄热球设置在流化床蓄热器内，高温蓄热球在流化床吸热器内吸收热量后，进入流化床蓄热器中存储热量。CN106703908A[18]中，将相变储能换热器与传统的朗肯循环系统相结合，对循环工质分级加热，将相变储能换热器应用于朗肯循环回路工质的蒸发阶段，利用相变材料保持温度恒定，可有效减少系统的热损失。

3.1.4 热传递系统改进

热传递系统的改进在2010年之后才出现。为了提高太阳能的利用效率，开始研究将不同品质的太阳能热输送到热传递的不同环节。例如，当工作流体为熔盐(60%的硝酸钠和40%的硝酸钾结合)，具有大约565 ℃的最高工作温度，该温度不足以在热交换器产生超临界蒸汽来用作涡轮机流体[20]；因此，需要改进热传递系统来获得更大的温度范围。CN103375926 A[20]具有至少2个流体流动路径，分别将第1工作流体和第2工作流体加热到不同的最高温度，从而给系统提供更大的工作温度范围，使得系统能够形成在蒸汽涡轮机中使用的超临界蒸汽。CN105240229A[21]公开了一种太阳能光热发电系统，包括1个再热部，该再热部连接第1工质泵及第2工质泵与集热器，该再热部与螺杆膨胀机连接，以吸收从集热器进热螺杆膨胀机的高温工质的热量，受热后再回流到集热器中，从而提高回热效率。

3.1.5 发电系统改进

发电系统最常用的是蒸汽轮机和燃气轮机，这些设备都由外国人原创发明。太阳能光热发电领域涉及的发电系统改进主要涉及由于气体压力温度不同而导致的系统差异。2008年西门子集中太阳能有限公司提出的专利US20100212318A1[22]中，蒸汽发电设备包括3个蒸汽涡轮机，分别在高、中、低压下工作，3个涡轮机彼此耦接，用来驱动单个发电机。太阳能光热发电领域的1个分支是太阳能低温发电，主要是利用150 ℃以下的太阳辐射热，例如CN105952596A[23]公开了一种太阳能光热低温蒸汽动力发电装置，其涡轮动力装置带动第一铷磁铁旋转产生切割感应导线的磁场，通过电磁感应效应产生感应来电流发电。

以上仅对纯光热发电系统中出现的这些部件改进专利进行了统计，并没有涵盖所有改进发明，虽然数据并不完整，但也从侧面反映了部分纯光热发电系统改进的一些趋势。随着储热介质、吸热介质的不断发展，相应的系统改进也随之不断发展。

3.2 “光热+光伏”模式

在这个阶段，光伏发电已经实现大规模的商业化，而光热发电也处于商业化的初级阶段。其中光热发电受限于技术和成本的不平衡，难以平价上网；而光伏发电由于太阳能的间歇性，导致电网消纳难度大。由于光热发电技术采用汽轮机发电技术，电网消纳难度小，兼容性好，太阳能“光热+光伏”复合发电技术成为符合商业化要求的选择之一[1]。早在20世纪70年代，有人就提出了太阳能“光电+光热”综合利用的思想，早期太阳能光伏和光电联合发电的原理是：利用分光镜先将光伏电池相匹配的光线分离到光伏吸收体上，而剩余的光线转换为高温热能用的汽轮机发电，如澳大利亚的MTSA工程[24]，但是太阳能综合发电效率不高。

从中国专利来看，在“光热+光伏”模式的9件专利中，最早的专利从2007年开始，该专利由泰国国家科技发展署提出[25]，其公开了一种“光热+光伏”集热器，该集热器上既有太阳能电池，也有液体管道，从而将太阳能转换为电能和热能。图9所示为这9篇专利的主题，其中，2007和2009年提出的2篇专利涉及的“光热+光伏”混合发电模式均利用低温热发电，属于小型光热发电系统，而到2016年的2篇关于“光热+光伏”联合发电的模式已经涉及大型发电装置。由此可见，随着技术的进步，光热发电的研究从小型化到大型化转变，从开始的在1个部件上实现光伏和光热的功能，发展到将大型的光伏和光热系统进行混合发电，充分发挥2个系统的长处，弥补各自的短处，实现不同技术的深度融合。

图9 “光热+光伏”发电发明专利涉及的主题Fig.9 Topics covered by CSP+PV invention patents

3.3 “光热+其他能源”混合发电模式

能源高效利用与环境相容发展的要求日益迫切，但单一能源输入和输出的常规利用方式无法满足多元化的能源发展需求。综合考虑不同能源资源的独特属性，基于能量综合梯级利用原理，通过多能互补的利用方式能够充分发挥各自的优势，扬长避短，从而提高能源利用效率和降低污染物排放[26]。通过创新发展太阳能光热混合发电模式，可以发挥多能源互补优势，探索新能源替代传统能源的最优方案。多能源互补模式至少有以下几种：“光热+化石能源”混合发电模式、“光热+其他清洁能源”混合发电模式、太阳能热化学利用技术、太阳能热电联产以及混合有太阳能的分布式能源发电模式。以下对这些混合发电模式进行专利分析。

3.3.1 “光热+化石燃料”混合发电模式

国内外“光热+化石能源”混合的主要模式有“光热+燃气”混合模式或者“光热+煤电”混合模式等。这些模式的特点是可以降低系统运营成本，降低天然气或者煤的消耗量，并且能够减少污染排放。由于中国一直以燃煤发电作为主要发电模式，从专利数量上也能看出，我国在光热与化石燃料混合发电模式的研究上投入较多。在这些授权专利中，光热与化石燃料混合发电的专利有31件，为占比最多的模式之一。图10所示为按年代分布的专利量。

图10 “光热+化石燃料”混合发电模式发明专利年代统计Fig.10 The statistics on the years of invention patents for CSP-fossil fuel hybrid mode

由图10可以看出，2012—2015年是这一技术的研究高峰期，2017年以后，专利数量逐渐回落，这与中国为了保护环境而减少化石燃料燃烧发电的政策有关。

早在2010年之前专利就出现了“光热+燃煤”混合发电的模式，例如：华北电力大学设计的一种抛物面槽式太阳能集热器辅助燃煤锅炉的混合热发电系统CN101260815A[27]。按照太阳能集热系统连接方式不同，“光热+化石燃料”互补混合发电的形式大致有集热系统与回热系统并联、集热系统与锅炉受热面并联、集热系统与回热系统和锅炉受热面并联以及太阳能加热再热蒸汽等。这些互补方式的共同特点是循环工质所需热源一部分来自于太阳热能，其余由燃煤或者燃气锅炉提供[28]。根据笔者统计：2014年以前与“光热+化石燃料”混合发电相关的大部分专利采用太阳能集热器加热锅炉给水或者凝结水，加热后产生的过热蒸汽与锅炉产生的过热蒸汽一起驱动汽轮机发电，例如CN103375369A[29]、CN103089558A[30]和CN105332865A[31]等。2015年之后的混合发电专利开始出现模式的一些新变化，例如CN104819020A[32]中，将锅炉屏式过热器后的抽汽引入塔式太阳能集热器，然后连接太阳能蒸汽管道，产生的过热蒸汽送至汽轮机发电；CN109139400A[33]在太阳能辐射强度较低时，将太阳能热集成位置从余热锅炉的高压蒸发器改变到第二级高压省煤器。2018年的申请中开始出现不同级别能量的梯级利用，例如CN109185085A[34]提出，在塔槽结合的富氧燃煤机组中，将塔式太阳能集热器与富氧燃煤锅炉耦合，槽式太阳能集热器与高压加热器并联；CN109519347A[35]中，点聚焦太阳能集热场(通常为塔式集热器)与高压加热器系统连通，线聚焦太阳能集热场(通常为槽式集热器)与中压缸排汽连通，加热蒸汽后送入低压加热器系统。

从专利的发展来看，“光热+燃煤”混合发电模式改进不断向前发展，系统也变得复杂，从开始的太阳能集热器与锅炉的简单连接，到不同品位能量的梯级利用，从单一的太阳能集热器与锅炉的混合，到多种不同种类太阳能集热器与锅炉不同阶段的互补耦合，都体现了技术在不断的进步，能源的利用方式在向精细化和更高效发展；不过随着中国不断减少对化石燃料的利用，针对“光热+化石燃料”燃烧混合发电模式的研究也在逐渐减少。

3.3.2 “光热+其他清洁能源”混合发电模式

除太阳能之外，风能、地热能、生物质能以及核能等都属于清洁能源，由于太阳能具有间歇性且发热效率不太高，开始有人研究将太阳能与其他清洁能源进行混合发电，以提高能源的综合利用效率。从专利统计数据来看，将太阳能与其他清洁能源相结合，开发混合发电模式，这是太阳能发电研究的热点。图11统计了光热与其他主要的清洁能源混合发电模式的专利数量。从图11中可以看出，我国主要开展了光热发电与风能、地热能和生物质能混合进行发电的研究。

图11 “光热+其他清洁能源”混合发电模式发明专利数量统计Fig.11 The statistics on the number of invention patents for CSP + other clean energy hybrid mode

风能跟太阳能一样，也属于间歇性能源，对天气的依赖程度较大，因此，将太阳能与风能相结合，能够弥补天气原因造成的不利影响，从而提高能源利用效率。目前，多数风能与太阳能混合发电的研究集中在太阳能热气流发电与风电的混合研究上，但也有少部分涉及太阳能光热发电与风电的混合。例如以色列的O尤格夫设计了利用太阳热能和风能源进行发电的混合系统，该系统包括风力发电系统、由风力发电系统供电的太阳热能发电系统和空气压缩系统以及压缩空气存储系统[36]。风电和光伏发电均会出现较大波动，而光热发电具有介质储热装置，能够弥补天气原因导致的波动，为了有效保证能源的稳定供给，降低对电网的冲击，利用光热发电与风电和光伏发电联合，是非常有效的方式。CN104807204A[37]设计了一种风电、光伏、光热和介质储热联合供能系统，风电、光伏发电设备可以在发电不太稳定的时候，将不太稳定的电力为太阳能的储热装置(熔盐电加热器)提供电力。

地热能和生物质能与太阳能光热混合发电大部分专利涉及热电冷联供的研究，地热能和生物质能通常作为太阳能集热的补充能源使用，尤其是地热能，例如：CN103062000A[38]中，利用地热水预热工质，然后利用太阳能将工质加热到过热蒸汽进行发电，实现能量的梯级利用。地热能还能为用户提供冷源，例如：CN102338051A[39]和CN103292517A[40]在发电之余，系统余热还用于制冷循环。生物质在锅炉内燃烧为太阳能光热装置提供补充热量，其补充热量的方式与燃煤锅炉补充热量的方式类似，例如：CN103670551A[41]中，将生物质燃烧炉与太阳能集热器并联，当阳光不足时，生物质燃烧炉提供补充热量，以保证系统的平稳运行。

3.3.3 太阳能热化学利用技术

太阳能热化学利用技术是利用聚光装置先将太阳光汇聚转换为热能，然后利用该热能驱动吸热的化学反应，并将太阳能储存于反应生成物中，成为化学燃料，称为“太阳能燃料”，再做进一步的太阳能热电循环、太阳能制氢等利用，这是太阳能与化石燃料高效互补的新途径，是太阳能热利用领域的国际研究热点和前沿[42]。太阳能热化学技术的主要途径有3种：太阳能高温分解水或二氧化碳、太阳能裂解/固体燃料气化、液体烃或气态烃类的重整[43-45]。

CN108507188A设计的基于太阳能集成富氧燃烧与化学链燃烧的热电联产系统及其工作方法，是将太阳能热化学过程和燃料动力循环的有机耦合，实现太阳能的阶梯利用，一方面还原后的载氧体将太阳能转化为化学能储存在载氧体蓄热器中，为化学链燃烧提供必要的热能，另一方面利用光照下微藻光合作用吸收二氧化碳释放氧气的特点，为富氧燃烧提供纯净的氧气，为空气反应器提供二次风[46]。对于液态烃或者气态烃类的重整，CN111663975A公开了一种基于甲烷重整储能的超临界二氧化碳发电系统及方法，将太阳能甲烷重整热化学储能与超临界二氧化碳发电进行有机的结合，可实现对太阳能的平稳持续利用[47]。

3.3.4 多能互补发电、太阳能热电联产以及混合有太阳能的分布式能源发电模式

我国在开展太阳能与其他能源混合发电研究的同时，也开始因地制宜地研究包括太阳能光热发电在内的多种能源综合利用，本节将多能互补发电、太阳能热电联产和分布式能源发电3种模式合并进行分析。这3种发明专利的总量为43件，从数量上来看，比太阳能与化石燃料混合发电模式的专利量还多。中国出现最早的专利是美国GMZ能源公司2008年申请的专利CN101836053A[48]，其公开了一种太阳能热电联产的系统和方法，在利用太阳能热发电以后，流体温度如果仍然高于家用或商用用途，那么将流体用于加热各种用途的热水，从而充分利用热能。可见，对太阳能与其他能源综合利用的研究也是从国外开始的。

分布式能源系统是指将能源系统以小规模、小容量、模块化、分散化的方式布置在用户端，用来双向传输冷、热、电能。由于可以提高能源利用率和供电安全性，实现按需功能以及为用户提供更多选择，分布式能源系统成为全球电力行业和能源产业的重要发展方向[49]。

从混合能源的收集来看，2010年就有CN102011716A[50]公开的太阳能、波浪能和海流能混合，采用光热发电技术，将太阳能转化为液压能，然后将液压能与波浪能和海流能发电设备输出的液压合并输出给液压马达，推动发电机发电。2014年CN104405599A[51]提出了包括风力压缩空气系统、太阳能加热系统、燃气轮机发电系统和超临界二氧化碳布雷顿循环发电的联合系统，在该系统中，将风力的压缩空气热量、太阳能集热塔收集的热量根据需求自动分配给燃汽轮机燃料或者超临界二氧化碳回热器，从而实现燃气-超临界二氧化碳联合动力循环，提升系统效率和提供稳定电源。2019年CN110748465A[52]提出氢储能太阳能燃煤耦合灵活发电系统，实现太阳能热发电与燃煤发电耦合，从能源收集部分利用氢储能来调节太阳能热量和燃煤燃烧热量不匹配的问题。

从以上3个不同时期的专利来看，早期专利聚焦在同种能源的混合，随着技术的发展，开始考虑同种能源耦合中由于品质不同而不匹配的问题。从混合能源利用来看，2008年CN101392736A[53]公开了一种太阳能低温热发电及冷热联供系统，利用能源的系统包括有机朗肯循环发电系统、吸收制冷系统、热水供给系统和暖气供给系统，这4个子系统运行独立，互不影响，可以随时根据用户的需求进行调整；2019年CN109854466A[54]公开了一种利用太阳能的冷热电联产系统，其中利用能源的系统包括卡琳娜循环子系统、制冷子系统和供热子系统，其中卡琳娜循环子系统与制冷子系统之间通过发电工质-制冷工质换热器连接，以冷凝后的低温卡琳娜循环工质为制冷系统提供冷源，可提高制冷系统效率。从这2件专利来看，能源利用由早期的单独利用开始转向将不同品质的能源进行梯级利用，可充分提高能源的利用率。

综上可以看出，为了充分利用能源以及保持系统的稳定运行，科研人员已经开始探索多于3种能源耦合发电的模式，而且随着时间的推移，耦合方式根据不同能源以及能源的不同品质日趋复杂，在能源利用层面也从简单的将能源应用到热、电、冷3个方面，逐渐发展为依据梯级能源品质的不同，进行不同结构的梯级利用选择。

4 太阳能光热发电技术发展趋势分析

本文通过专利数据统计，分析了太阳能光热发电技术在中国的总体发展现状和趋势，并且在纯光热发电技术领域，与国外技术进行对比，分析了国内外技术热点的差异。太阳能光热发电技术在中国的发展分为2个阶段：从1987年申请的第1件光热发电专利开始到2003年为技术萌芽期，在这个阶段，中国的光热发电技术几乎是空白，核心技术都掌握在外国人手里；第2个阶段是2004年至今的技术发展期，重点介绍了纯太阳能光热发电、“光热+光伏”混合发电模式以及“光热+其他能源”混合发电模式，这3种类型的技术发展几乎在中国同步开展，没有严格的时间分隔。

纯太阳能光热发电从光热发电系统的5大部件〔聚光系统、吸热部件(也称为光热转换部件)、储热系统、热传递系统以及发电系统〕进行改进，其中针对聚光系统的改进最多。由于国外已经有成熟的聚光系统，中国的聚光系统改进更多的是结构上的小改进以及不同聚光系统的联合等。吸热部件和储热系统通常是联合在一起改进的，在技术发展的后期，也出现了针对系统中出现多种工质而进行改进的储热和吸热系统。热传递系统的改进发展较晚，为了更好地利用不同品质的太阳能，也开始研究改进热传递系统。聚光系统和发电系统的改进一直是国外研究者的强项，传统聚光模式、燃气轮机以及蒸汽轮机的核心发明基本都掌握在外国人手中，因此，国外公司更倾向于研究聚光系统和发电系统的改进。虽然本文将光热发电系统按照专利的发明点分为5大部件进行改进，但是光热发电系统是一个完整的系统，任何部件的改进都可能改变整体系统的结构，储热介质、吸热介质以及热传递工质的不断发展变化，都在促进系统随之不断地进行适应性调整和更新。为了尽可能大地提高太阳光的转化率，吸热和储热新材料以及光热转换新介质的研究将成为光热发电系统研究的重点和难点，新材料、新介质的突破会给光热发电领域带来新的突破，从而促进部件和系统的改进，将二者结合起来更高效地发挥作用也是未来技术的发展方向之一。

对“光热+光伏”发电的专利进行申请时间和主题的分析，从时间分布来看，系统逐渐从简单化向复杂化发展，既包括小型发电设备，也包括大型发电设备，大型光热和光伏发电系统如何深度融合从而最大可能地发挥二者优势，是未来一段时间内发展的重点和难点。

太阳能光热发电技术最初由国外引进，而且中国的能源结构也比较复杂，因此，从2008年左右就开始出现对光热与其他能源混合发电模式的研究，尤其以光热与化石燃料混合发电以及光热与多种能源模式混合进行热电联产的专利居多，部分申请是基于已有系统增加光热发电的改造。虽然是光热发电与不同能源的混合，但都基本体现了同一个发展趋势，即系统逐渐由简单混合向能源梯级利用发展，从能源的收集到利用均体现了这一点，而如何能够在能源的梯级收集和梯级利用中最大限度地发挥各能源的长处，避免各能源的短处，也将是研究的难点之一。

随着各种新能源发电形式的发展，多源并存的能源格局日趋完善。中国是个多能源并存发展的国家，在今后一段时间里，多能源互补发电技术将会是主要的研究方向之一，随着光热发电的储能技术发展，其在各能源间进行调度协调的作用更加凸显。在计算机技术和控制技术飞速发展的时期，如何利用光热技术的优势，充分结合各能源的特点，以保障整个电力系统的安全稳定运行，降低系统的运行成本，提升系统的能源利用效率，是今后光热技术的研究重点和热点。由于不同类型能源具有其自身的特点及不同的品质，如何充分有效地发挥各自的长处，将各种不同能源有效利用，满足不同用户个性化的需求，这也将是未来研究的难点。

5 结束语

相对于光伏、风电等发电，太阳能光热发电具有出力稳定可控、易于并网、协助系统调峰、清洁污染小、寿命周期长等优点，但是光热电站的巨大投资成本和较高的并网电价仍然是我国推进光热发电发展面临的重大难题；因此，如何降低光热发电成本，提高光热转化效率是太阳能光热发电需要解决的根本性问题。通过专利数据分析可以看出，对于纯太阳能光热发电系统来说，找出低成本、高太阳能转化率的储热和光转化材料是光热发电研究的重点和难点，新材料的突破会给光热发电系统的研究带来新的突破。储热材料和光转化材料的改进，也会带来与新材料相匹配的太阳能光热系统的改进，因此，如何使得部件改进与系统整体改进结合起来更高效地发挥作用，也是未来技术的发展方向之一。另外，从专利技术的发展态势来看，光热发电与其他能源互补是很好的发展途径，对我国现阶段来说，在现有发电设备的基础上，进行不同能源的互补，可以节省改造成本，更有效地发挥不同能源的优势。从专利数据来看，大型发电站和小型分布式能源系统等都逐步向多种能源混合的方向发展，在这些多能源混合发电的综合系统中，光热发电的储能功能发挥了很大的作用，而如何充分利用各种不同能源优势，从能源采集和利用的各个方面，经济有效地进行梯级利用研究，也成为目前光热和其他能源互补发电的研究热点，这也将会在一段时间内成为我国太阳能光热发电技术的主要研究方向之一。同时，国家政策的扶持以及各科研机构、各企业的研究也必将推动太阳能光热发电的进一步发展。