從國際發展現狀與世界動向展望CSP的未來前景

(1.神宇國際機電研發中心，中國臺灣 臺北 11083;2.佛山科學技術學院粵臺人工智能學院，廣東 佛山 528225)

1 概述

綠能環?？蓽p少資源耗損、降低污染排放，且有利于資源回收再生，是國際化石能源價格不穩、空氣污染所造成氣候變暖與氣候異常、降低二氧化碳排放量等問題的極好解決方案，而太陽能是一種最好的綠能，其供應源源不斷，又不會引起污染，更不會耗盡自然資源或導致全球溫室效應，何況只要是日照充沛的地方，就具有足夠的潛力來發展太陽能。

美國綠色科技市場調查公司Clean Edge曾估算，2020年全球太陽能產值高達1136億美元，2023年將高達1584億美元[1-2]。 Research And Markets.com與Yahoo!finance則以2018年全球太陽能產值525億美元為基礎，預估2026年產值將高達2233億美元，亦即從2019年到2026年的年復合增長率為20.5%[3-4]。因此，發展太陽能可作為未來極優的選項。

太陽能的利用目前有兩大類型，一類是人們熟知的太陽光電(photovoltaic，PV)，直接將光能借著光電板轉換為電能，這是直接發電；另一類則是聚光光熱發電(Concentrated Solar Power/Concentrating Solar Power，CSP)，為熱能形式的太陽能，是間接發電的方式。CSP為聚光太陽熱電之簡稱，其原理是利用鏡子或透鏡將大面積的太陽光聚焦于一個接收器，接著將光轉為熱(利用太陽輻射來加熱液體物質，然后將其用于驅動熱力發動機和發電機)驅動一個渦輪引擎，帶動發電機發電或推動熱化學反應。CSP是比PV發展晚的較新穎技術，所用概念雖簡單，但實際上許多應用技術細節內容卻不是那么容易，舉凡干燥冷卻、先進塔式接收器設計、在拋物線槽式CSP儲能使用熔鹽或其他液體儲能、定日鏡設計改進、超臨界二氧化碳功率循環、無線場通信與控制等新技術，皆亟待研究發展，以增進整體效益、降低成本[5]。

PV首發量產是在2000年[6]，至2019年底，其全球安裝量已達589GW(2018年全球安裝量494.3GW,2019年全球安裝增量94.7GW)[7-8]；而與PV相比，CSP技術的發展起步就晚得多，2019年底CSP全球安裝量6451MW[9]，僅約為PV的1%。且依據Wikipedia的信息[6]，全球應用CSP電廠的國家極少，主要是西班牙和美國，其中西班牙2304MW，約占全球的36%[10]，美國1815MW，約占全球的28%[11]，其余較多的是中東、南非和中國，尚有極大發展空間，也有很多亟待開發的新技術。

2 CSP的國際發展現狀

首先，目前美國共約有1815MW裝機容量的CSP電廠在運營，加州有Ivanpah Solar Electric Generating System (ISEGS)、Genesis Solar Energy Project、Kimberlina Solar Thermal Power Plant (Kimberlina)、Mojave Solar Project、Sierra SunTower (Sierra)、Solar Electric Generating Station I (SEGS I)、Solar Electric Generating Station II (SEGS II)、Solar Electric Generating Station III (SEGS III)、Solar Electric Generating Station IV (SEGS IV)、Solar Electric Generating Station IX (SEGS IX)、Solar Electric Generating Station V (SEGS V)、Solar Electric Generating Station VI (SEGS VI)、Solar Electric Generating Station VII (SEGS VII)、Solar Electric Generating Station VIII (SEGS VIII)和Colorado等15個執行中的CSP Projects；亞利桑那州有Maricopa Solar Project、Saguaro Power Plant、Solana Generating Station等3個執行中的CSP計劃；科羅拉多州有Colorado Integrated Solar Project (Cameo)計劃在執行；佛羅里達州有Martin Next Generation Solar Energy Center (MNGSEC)計劃在執行；夏威夷有Holaniku at Keahole Point計劃；內華達州有Crescent Dunes Solar Energy Project (Tonopah)、Nevada Solar One (NSO)和Stillwater GeoSolar Hybrid Plant等3個執行中的計劃；猶他州有Tooele Army Depot在執行中。依此可判斷，若CSP無發展前途，美國不可能投入這么多資源[12-13]。

目前CSP也是美國能源部重新安排的研究重點之一，美國能源部官方認為以長遠的觀點看，CSP技術可提高電網穩定性[14]。美國能源部的太陽能技術辦公室更支持CSP新型技術的開發，及其與電網整合的可負擔性、性能和價值。并認為與當前的技術水準相比，新型技術的開發計劃將降低成本、改進效率并提高可靠度。這些計劃為CSP探索新應用，如在集熱器、接收器、儲熱器、傳熱流體和功率循環次系統等的新設計與創新概念。尤其重要的是，CSP對顛覆人們認知的概念最感興趣，有可能突破目前性能障礙，如效率和溫度的限制[15-16]。

其次，西班牙目前擁有2.3 GW的CSP容量，幾乎是歐洲所有已安裝的CSP基地總和。強大的太陽能資源與充足的平坦土地面積，以及國內CSP專業知識都有利于西班牙CSP容量的增長。2018年，再生能源公司Yieldco Terraform Power通過收購集團Saeta Yield收購了5座50 MW CSP工廠，分別是 Extresol 1、Extresol 2、Extresol 3、Casablanca及Manchasol 2。且該公司的最新交易計劃已于2020年第一季完成，產生超過公司9%～11%目標范圍的股本回報率。此外，根據電網運營商Red Electrica發布的數據，西班牙的CSP電廠在2019年上半年的發電量達到創紀錄的2.8 TWh，比歷史平均水平高出約19.3%，占全國總發電量的2.4%，創紀錄的輸出信號亦提高了西班牙CSP工廠的營運與維護效率，還增強了投資者的信心。目前，隨著市場前景向好，CSP投資者重返西班牙，ContourGlobal平臺也因將其在Termosolar公司的250 MW CSP產品組合中的49%股權出售給瑞士信貸，而獲得6500萬歐元的利潤?！缎履茉磩討B》調查結果顯示，新的關稅法規、成熟的工廠性能以及對儲存的需求不斷增長，增加了投資者對西班牙CSP所有權的信心。因此，行業組織Protermo Solar評論西班牙的CSP工廠，“可以繼續運行而不會出現退化跡象，并結合可以提高效率的運行經驗?！倍罁贫ǖ男?0年能源計劃，西班牙預計到2025年將CSP發電能力提高一倍，達到4.8GW，到2030年則達到7.3GW的裝機容量。CSP專家則預測，成本下降可能會推動21世紀20年代歐洲的新開發活動，西班牙代表了最大的市場潛力，其他潛在市場包括葡萄牙、意大利和希臘等歐洲偏南國家[17]。

南美洲方面，隨著開發商EIG全球能源合作伙伴子公司Cerro Dominador在智利的第一家CSP工廠接近EIG全球能源合作伙伴的子公司竣工，該公司正在準備對CSP行業進行開創性的競標。2019年10月， Cerro Dominador又獲得了SolarReserve在智利北部的450 MW Likana CSP項目的權利。CSP專家說，智利的進步幫助在其他拉丁美洲國家開辟了新的部署機會，秘魯將需要南部可調度的發電能力來為其不斷發展的采礦業提供電力，阿根廷政府也表示有興趣建設其第一座CSP工廠[18]。

其余較具規模的有：南非目前有400MW的CSP裝機容量，還有建造中的200MW，及規劃中的100MW；摩洛哥目前已有380MW的CSP裝機容量，未來規劃還要在東部增加額外的400MW CSP裝機容量，摩洛哥于2019年在Midelt開始了其第二個大型CSP項目，容量為800MW，且每天有5個小時的熱能儲存量；印度目前有營運中的228.5MW的CSP裝機容量，以及建造中的299MW容量[6,19-22]。

3 各主要國家CSP的發展情況

目前全球致力于CSP的計劃，是處于方興未艾的狀況，許多大型CSP計劃正在世界各地籌劃興建。

在國際推動下，摩洛哥、中國、智利和阿聯酋的公用事業規模CSP+TES(Thermal Energy Storage technologies)現已產生6.5GW的營運經驗[23]。

迪拜宣布將成為全世界最大的CSP項目所在地，其耗資約40億美元的Noor Energy 1太陽熱能計劃在2020年1月已完成世界最高的CSP電塔建造[24]。

由于CSP系統可以在白天產生多余的能量，并將其儲存起來供夜間或將來使用，不僅可以改善財務績效，還可以提高太陽能的可調度性和電網的靈活性，因此美國國家可再生能源實驗室的最新研究，也建議具有熱能儲存功能的CSP可以用作補充解決方案，以克服PV的間歇性問題[25]。

2019年9月，歐盟已授予四年計劃Horizon 2020資金1060萬歐元，以擴大由瑞士新創公司Insolight開發concentrating solar modules的生產，該計劃主要是致力建立有別于傳統的PV或CPV，能在多云條件下收集太陽能的concentrating領航數組組件，以期將現有的18%～20%轉換效率提升到30%[26]。這其實也是趨向精巧型模塊化CSP的設計理念。

2020年，迪拜啟動總投資38.7億美元的“2050年迪拜清潔能源戰略”的第二階段，表達支持該計劃的最終目標：使杜拜成為全球最大規模的CSP發電廠所在地，預計完成后將產生1000MW的清潔能源[27]。

阿曼預期將成為擁有蓄熱能力的600MW CSP的國家，且首批500MW將于2021年即投入營運[28]。

為了加速應對全球氣候變化，并實現2030年歐盟新的可再生能源占27%之目標，歐洲需要迅速擴大所有可再生能源的使用，因而要求開發進一步的新解決方案，特別是能解決能量儲存關鍵問題的技術。Next-CSP計劃就是針對這一需求的響應，并解決與CSP相關的重大改進，包括可用于直接熱能儲存的傳熱流體、太陽能場、允許新周期的管狀太陽能高溫接收器。該計劃提出了一種使用于太陽能塔頂的流態化的管中顆粒(fluidized particle-in-tube)概念，這是一項突破性的創新，為開發新一代允許高效率新周期(高于50%)的CSP電廠開辟了途徑，CSP電廠的效率將提高20%[29]。

2017年9月，美國能源部考慮CSP在穩定性、彈性和儲能是最適合未來嚴峻考驗的選項，并投入6200萬美元用于CSP項目，推動解決PV嚴重缺陷的技術，這充分表達美國政府支持，要從已經達到市場成熟度的PV技術轉向不那么成熟的CSP技術[14]。

美國國家再生能源實驗室目前有與CSP相關的三大研究計劃正在進行中[30]。計劃一是在生產成本模型中仿真利用熱能儲存的聚光太陽能的價值，計劃二是集中太陽能發電在美國實現可再生能源情景中的潛在作用，計劃三是通過將CSP與熱能儲存一起使用，實現太陽能的更大滲透。

美國能源部太陽能技術辦公室資助CSP技術領域及系統整合的早期研究與開發，旨在提高CSP技術在電網上的可負擔性、性能與價值[16]。

西班牙的CAPSUN Technologies和GHENOVA Engineering公司共同開發了SPIRE & BLUESOLAR計劃，該計劃融合了PV和CSP的最佳功能，是一項突破性技術[31]。

位于倫敦的歐洲著名再生能源全球投資商Cubico Sustainable investments，除在西班牙投資擁有約150 MW的 CSP電站外，也考慮在非歐洲市場進行CSP投資[32]。

4 CSP的發展前景

綜合CSP的國際發展現狀與世界發展趨勢可知，CSP不僅仍受美國、西班牙、南非、摩洛哥和印度諸國重視和持續投入發展，而且更擴充推廣到歐盟、中東及南美洲，以及跨國合作、先進技術等系統整合。因此歸納推論CSP未來可能往以下幾個方向發展。

4.1 應用新技術降低成本

由于全球的PV安裝量目前占太陽能發電的最大宗，因此，在成本的考慮上，經常會有人將CSP拿來與PV比較。依據Kerry Thoubboron 2019年資料，從安裝成本和能源平均成本(LCOE)來看，PV是較便宜的技術，而這是由于許多因素造成的，包括安裝簡便性和硬件要求；CSP則是一種較新的技術，需要更專業的技術和安裝方法，從而增加了成本。盡管安裝的普及使PV的價格下降了，然而隨著技術的進步，CSP的成本將來也有望進一步下降[33]。

因而，對于與PV相比等于剛起步的創新技術而言，CSP可因電廠操作所得經驗幫助降低成本，未來亦可因下述進行中的新技術開發成功增進效率而大幅降低成本[34-36]：

①改進使用干燥冷卻，大量減少用水，降低成本。

②先進塔式接收器設計可在760～816℃高溫運行，提升效率而降低成本。

③與目前400℃情況相比，新型硅基傳熱流體可以在425℃運行，形成更少的低沸點和氣態化合物，預期可降低5% CSP成本。

④在拋物線槽式CSP儲能使用熔鹽，處理溫度達550℃，有可能降低成本多達33%。

⑤定日鏡設計改進，可實現更有效的光捕獲、更高的反射鏡精度、更好的驅動器和無線技術，將可預期降低成本30%～40%。

⑥超臨界二氧化碳功率循環借著具體改良高溫太陽能轉換成電力的效率，亦有降低CSP成本的潛力。

⑦無線場通信與控制(wireless field communication and control)應用于CSP行業是另一項創新，可將CSP的布線減少85%，從而加快施工進度并降低成本。

事實上，目前CSP的成本并未過高，并能隨著相關新技術的推出而不斷降低成本。例如2017年5～10月，CSP成本就從9.4美分/kWh，降到低于5美分/kWh，其整體競標價格在短短半年就降低約50 %，因此盡管目前CSP的成本比PV高，但已顯示出快速降低的巨大潛力，而未來新技術、投資機制、政府支持、積極競爭、數據網絡接口資源等因素都可能影響最終成本，亦表明未來CSP將可借由改善上述因素進一步降低成本[37]。當然，公司也必須盡一切努力，進一步降低CSP能源成本價格，從而在激烈的競爭中保住市場份額。Turner認為，“總成本系統研究證明，對于某一國家的總發電成本，使用CSP將比不使用CSP電廠的總成本更低，因為PV電廠的實價(若政府對應減少必要的經濟激勵)將更高”[38]。

4.2 利用熱能儲存技術優化發電效率

在發電效率方面，依據Kerry Thoubboron 2019年6月的數據[33]，CSP系統的太陽能發電效率取決于許多因素，包括CSP系統的類型、接收器和引擎。事實上，目前大多數CSP技術的效率在7%～25% ，與PV的solar cells轉換效率其實相當(目前市場上大多數太陽能板的效率是在14%～23%)。此外，CSP系統可通過使用蓄熱并根據需求提供太陽能，從而幫助解決與太陽能可變性相關的電網集成難題，且即使日落后亦可保持儲存的熱量至需要用電時。CSP可生產對電網友好的可調度電力，其電力不僅可以調度，無論晴雨，都可以每天24小時調度，在夜間運行亦無需外部備用燃料，這是PV難望其項背的。PV過于依賴陽光，無法產生恒定、平穩的加班時間，尤其是在陰天期間更曝其短。此外，當太陽下山時，用電需求增加到很高的水平，但PV輸出卻下降，從而導致著名的加利福尼亞鴨形曲線(California Duck Curve)現象(白天太陽能充足，總負載線低，其形狀像鴨腹；晚上無太陽能，總負載線高，其形狀則似鴨脖)。PV還需要逆變器將直流電轉換成交流電，但逆變器效率不高、容易引發故障，且價格昂貴，而CSP可直接產生交流電無此顧慮，未來儲能的競爭加劇將更能凸顯CSP的優勢。

通過使用熱能儲存技術(Thermal Energy Storage technologies,TES)來存儲能量，有助于克服太陽能發電的不規則性問題，而使太陽能熱技術在發電行業的滲透率有所提高，從而使CSP系統成為大規模發電更具吸引力的選擇。而儲備CSP系統產生的多余能量，則可幫助改善財務績效，以及太陽能的共享能力和電網的靈活性[39]。

未來全球CSP容量與發電能力將進一步增加，且會利用互聯網將物聯網(Internet of Things,IoT)①納入CSP用途，活躍的互聯網連接可幫助CSP更有效地滿足客戶需求，解決相關資產管理的挑戰，并保持公用電網上的均衡負載，因而可能降低任何風險[40]。

4.3 開發新的解決方案

由于CSP是通過使用各種反射鏡配置，將太陽的能量轉換為高溫熱量來產生電力。這些特殊技術的工作方式，使太陽能通過各種反射器聚集，然后將這些聚集的能量用于驅動熱力發動機和發電機。該技術包括兩個關鍵：一是收集太陽能并將其轉換為熱能，二是將熱能轉換為電，這兩項關鍵技術的突破可以提升CSP工作績效，值得期待。

例如，美國加州的CSP技術初創公司Heliogen于2019年11月19日宣布，通過改善CSP塔式數組的反射率，達到更高的反射鏡精度，使聚焦溫超過了1000℃。該公司使用攝像頭和先進的計算機視覺軟件，使定日鏡更精確地對準，以提高太陽能效率。在比爾·蓋茨(Bill Gates)的支持下，證明了其高溫CSP技術可以代替化石燃料工廠進行工業生產。其最終目標則是達到1500℃溫度，使能分解二氧化碳和水，以生產氫或合成瓦斯(syngas)②等燃料[41]。

又如，德國宇航中心(DLR)正在開發一種離心式CSP接收器，以提高CSP設備的溫度極限，增加系統效率，該接收器目前出口處的顆粒溫度已達到965℃[41]。

其他，如開發干燥冷卻、先進塔式接收器、新型硅基傳熱流體、熔鹽儲能、改進定日鏡設計、運用超臨界二氧化碳功率循環、應用無線場通信與控制等新的解決方案，也將是CSP未來發展的必然趨勢[34-36]。

4.4 全球CSP的使用將更普及

隨著開發商Cerro Dominador在智利的第一家CSP工廠的竣工，該公司正在準備對CSP行業進行開創性的競標。2019年，Cerro Dominador獲得了SolarReserve在智利北部450MW Likana CSP項目的權利，并準備將Likana項目競標到2020年6月智利的下一次電力拍賣中(交付期是2026年)，這次競標沒有技術類別，將使CSP不得不與其他發電類型，例如聯合循環燃氣輪機(CCGT)競爭，這也暗示著開發商堅信未來CSP的使用將比現在更普及[42]。

借助最新的CSP技術設備，企業可以在許多方面獲得競爭優勢，尤其是在成本管理、削減成本和降低價格方面。為了在市場上獲得更好業績，全球各地將制定CSP發電保持環境安全清潔、小區免受污染、有益后代等方向的實施目標，增加全球CSP使用，創造更多就業機會[43]。

4.5 發展精巧型模塊化CSP

2020年2月17日，《Future Power Technology》刊載Julian Turner的最近研究建議：較小規模的設計可能有助于振興對CSP領域的興趣，因為許多大型CSP電廠的效率較低，是由于反射光在接收器和定日鏡場之間較大距離傳播時散開。研究指出，解決方案應該“使中央接收器模塊化、更高效和可擴展”，而每組約30 MW將是首選解決方案，效率將可提升近25%[38]。

美國國家可再生能源實驗室(NREL)和科羅拉多礦業學院(CSM)亦曾提出過一種不同于傳統CSP設計的新方法，他們的想法是將典型的CSP規?？s小1000倍，從100 MW降低到100 kW，并使用廉價的材料和被動傳熱機制來降低成本。據估計，這樣可以將光學效率從66%提高至84%，且發電成本低于12美元/kWh[44]。

在這方面，針對大樓或小型小區型發電，可完全避開國際間大型CSP電廠專利，構想設置每單位面積約100m2左右，模塊設計以4～6片鏡面鍍膜金屬反射板組成集光鏡，將太陽光反射到鍍膜聚光板，經二次聚焦后產生的能量使管路間液體沸騰，再通過特制高效無葉片式渦輪與小型高功率、低噪音的軸向磁通永磁發電機，可直接產生定量的交/直流電力，且無需逆變器，可以獨立或串并聯使用，以提供商業建筑、住宅小區無污染的輔助性電源。若再配合主要電力的智能型電網，以各地設置分散發電的方式，則必可緩解高峰時段的用電壓力。

5 結論

發展太陽能綠能是全球未來極優的選項，而位居太陽能應用的兩大類型之一，CSP雖然發展較PV晚，目前成本也高于PV，但從國際發展現狀與世界趨勢可知，CSP因逐漸積累較多電廠操作經驗而幫助降低成本，未來會因許多目前進行中的新技術開發成功提高效率而大幅降低成本，CSP更可憑借其所獨具的儲熱功能而優化發電效率。再者，CSP是收集太陽熱能，將熱能轉換為電能，針對這兩項關鍵開發技術提升CSP工作績效是可以預期的。開發商在世界各地對CSP的投資將更普遍，發展精巧型模塊化的CSP則是可以預見的未來趨勢。雖然目前全球受新冠肺炎病毒肆虐依然持續，但若超前準備，相信未來必定能創造出人與自然和諧相處的美好前景。

CSP和PV都有各自的優缺點。在能量存儲和效率方面，CSP具有優越性，因為它可以借助TES技術儲存能量。另一方面，PV無法產生或存儲熱能，因為它們直接發電，而且說是PV成本低，其實是未考慮儲電裝置時，一旦PV與儲電裝置結合時，PV的成本優勢就會失去。目前，鋰離子電池組的成本雖已降至230美元/ kWh以下，但仍很昂貴。也很難預見電池技術和材料將取得怎樣的突破，在不久的將來成本降低與否尚不確定。另一個問題是，在PV的整個生命周期中，更換電池可能需要4～5次，因此退化仍然是一個嚴重的問題，況且成本很高。而CSP系統對于大規模發電更具吸引力，因為熱能儲存技術比電能儲存技術要高效得多。CSP系統可以在白天產生多余的能量，并將其儲存起來供夜間使用，不僅可改善電力系統的財務績效，還可提高太陽能的可調度性和電網的靈活性。根據美國國家可再生能源實驗室的最新研究，也建議具有熱能儲存功能的CSP可以用作補充解決方案，以克服PV的間歇性問題[5,45]。

盡管就節能而言，CSP顯然是效率更高一籌，但這并不意味著它是最佳選擇。兩者之間，PV便宜，因此能源投資者更傾向于使用PV。換句話說，盡管CSP具有優勢，但它并不是最受歡迎的。但是，所有這些零和辯論(僅選擇其中一種)是沒有意義的，因為它們不必相互競爭，零碳潔凈能源的“雞蛋”也不必全放在一個籃子里。實際上，如果兩者切實合作，世界將變得更加美好。我們可以期待未來出現一種新的太陽能發電技術，它將是兩者的混合體[46]。目前杜拜就剛好正在落實一個CSP與PV混合的5 GW太陽能公園計劃[47-48]，而西班牙CAPSUN Technologies和GHENOVA Engineering公司共同開發的SPIRE & BLUESOLAR計劃融合了PV和CSP的最佳功能，也堪稱另一項突破性技術[31]。

當前，受新冠肺炎疫情影響，各行各業的正常營運、生產制造等皆受影響，以致于人際互動大量減少，商業活動無法正常運行，似將陷入毀滅性的經濟衰退。其中尤其是石油價格的崩盤，更將直接影響原先綠能科技的急迫性，若這種情況持續下去，可推測所有產品的成本肯定將是重要考慮。然而危機亦是轉機，COVID-19帶給人類威脅的同時也對人類示警，須超前考慮如何避免重蹈環境傷害，進一步創造人類與地球共存的環境。因此，在受疫情影響再度恢復正常之前，對于CSP的未來發展作出客觀、科學的分析，做好充分準備是非常重要的。

注釋：

①物聯網一般為無線網，是因特網、傳統電信網等的信息承載體，讓所有能行使獨立功能的普通物體實現互聯互通的網絡。由于每個人周圍的設備可以達到1000～5000個，所以物聯網可能要包含500兆～1000兆個物體。物聯網將現實世界數字化，應用范圍十分廣泛。在物聯網上，每個人都可應用電子卷標將真實的物體上網連接，也都可以查出它們的具體位置。通過物聯網可用中心計算器對機器、設備、人員進行集中管理、控制，也可以對家庭設備、汽車進行遙控，以及搜尋位置、防止物品被盜等，類似自動化控制系統，同時通過收集這些小事物的數據，最后可以匯聚成大數據，應用于包含重新設計道路以減少車禍、都市更新、災害預測與犯罪防治、流行病控制等重大改變，以實現物與物的連接。

②合成瓦斯是一種燃料氣體混合物，主要成分是氫氣、一氧化碳和二氧化碳。