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寻求太阳能热发电技术的最优解(组图)大赢家官方

日期:2021-07-27 10:48

  太阳能热发电是一种古老的技术,1767年瑞士科学家就造出世界上第一个太阳能集热器,1912年世界上第一个太阳能热发电厂在埃及建成时,其设备的外形与基本原理和今天的同类设备相差无几。太阳能热发电又是当今的前沿技术,.迄今为止,科学家们仍在从不同方向对此技术进行研究,各种方案互相竞争,又各有优劣,尚未找到一个可以超越所有其他解决方案的最优解。日前在天津举行的太阳能热发电前沿技术国际研讨会上,各国专家学者与业界代表济济一堂,记者从中了解到太阳能热发电技术的最新进展,以及未来最有可能的发展方向。

  随着全球能源需求的持续增长,可再生能源在能源结构中的占比将大幅提升。全球人口2007年是65亿,能源需求折合成装机是15TW;到2050年全世界人口预计将达100亿,能源需求折合成装机将是40-60TW,届时将主要靠可再生能源来解决能源需求。

  而在可再生能源中,太阳能热发电将会占据越来越重要的位置。欧洲联合研究中心JRC(European Commissions Joint Research Centre)曾预测:2040年可再生能源占总能耗50%以上,太阳能发电将占总电力的20%以上;到21世纪末可再生能源在能源结构中占到80%以上,太阳能发电将占到60%以上。

  意大利国家新技术、能源与环境署前主席,1984年诺贝尔物理学奖获得者卡洛·鲁比亚(Carlo Rubbia)说:“太阳辐射是资源最丰富的能源,而带储热装置的太阳能热发电技术则是收集这种能源最经济的方式。”

  太阳能资源丰富到什么程度?以我国为例,每年到达地表的太阳能资源总量达17000亿吨标煤,等效发电量达5700亿千瓦时。而2010年我国发电装机9.62亿千瓦,发电41413亿千瓦时,其中低碳装机(水电、核电、风电)比例仅26.5%,低碳发电比例仅18.8%。太阳能发电在我国有极为巨大的发展空间。

  “地理位置和大气状况是影响太阳能资源的两个主要因素。”中国气象局风能太阳能资源评估中心副主任申彦波说,我国内蒙古西部、青海中部、西藏西南部是直接辐射资源最丰富地区,年辐照量都在1800kWh/m2以上,最适合太阳能热发电;西部北部其他地区的直射资源较丰富,年辐照量在1400-1800kWh/m2之间,也比较适合太阳能热发电。以上两类地区占我国国土面积一半以上。而我国东部南部地区的总辐射资源与欧洲相当甚至更高,较适宜于进行分散式的光伏发电。

  太阳能发电分光伏发电和光热发电两种,光伏发电在我国已发展得很强劲,为何还要寄望于光热发电?

  “光伏发电只能白天发电,光热发电却可以利用储热装置24小时发电。稳定供电的特点使光热发电很容易并入传统电网。”中国华电工程(集团)公司总工程师、国家“973”计划太阳能热发电项目首席科学家黄湘说。

  不仅如此,光热发电设备寿命也较光伏发电长,大赢家官方网站可稳定运行30年以上,且拆卸方便。光热发电中的储热-发电转换效率高,热损可控制在10%以内,与之相比,水电的势能-电转换效率仅为75%。光热发电设备还可供热、供暖,可集中发电,也可分布式发电,适用于更多不同的市场。

  虽然太阳能热发电有这么多优点,但至今在我国电网中的装机和发电比例都几乎可以忽略不计。这是因为它有两个最大的瓶颈:一是成本高,二是占地多。

  与我国的发电主力以煤为能源的火电电价相比,太阳能热发电成本要高得多,如果没有政策补贴,根本无法入网。国务院参事、中国可再生能源学会理事长石定环说:“我国的清洁能源发电有一半未入网,这是清洁能源进一步发展的障碍。”

  事实上,寻找更廉价的解决方案,正是该领域的科学家们多年以来一直在努力的方向。

  集热是用大量镜片收集太阳光的热能,根据集热方式的不同,可分为槽式、塔式、碟式、菲涅尔透镜式(Fresnel Lens)等类型。

  槽式太阳能热发电系统已进入商业化阶段,塔式系统、碟式系统均处于中试和示范阶段,但其商业化前景看好。中国科学技术发展战略研究院科技预测与评价研究所副研究员韦东远说,从经济性角度看,点聚焦的碟式系统适合边远山区离网分布式供电,发电成本为0.19-0.26欧元/kWh;线聚焦的槽式发电系统和点聚焦的塔式发电系统,发电成本为0.076-0.09欧元/kWh,其发电成本依赖于工程规模即电站装机容量;菲涅尔透镜式系统也属于线聚焦,结构简单、成本较低,可较大规模中温利用,是正在研究中的新式系统。

  蓄热环节是用水、导热油、熔融盐等作为蓄热介质,储存收集到的太阳光热能。三者中,水/水蒸汽是最早使用的,熔融盐则是最新的研究热点。在对蓄热介质的寻找中,热容量、大赢家官方网站导热性和流动性成为三个研究重点。

  这些介质中,卡洛·鲁比亚最推崇熔融盐,他说:“熔融盐的热容量最大,热损最低,价格便宜,是最经济的储热介质。”但熔融盐的缺点在于凝固点高,所以系统需在高温下运行,这就使得整个发电系统结构较为复杂,成本也更高。

  与方案众多的集热和蓄热环节相比,发电环节显得不那么热门。不过中国科学家也在这个环节取得了显著进展。中国科学院理化技术研究所研究员戴巍说:“我们在碟式系统中采用了热声发电机。在核心发动机中没有运动部件,只有管道和高压气体,通过声波把热能转换为机械能,然后气体驱动活塞发电。”热声发电的特点是可靠性高、成本低、发电效率高、环境友好。目前已取得初步成功,正在进行改进研究。

  中国科学家对太阳能热发电技术的探索已经持续了20多年。占地多是太阳能热发电的另一大瓶颈。黄湘说:“可再生能源占地面积大,而从单位发电量的占地比看,太阳能发电还是可再生能源中占地比最高的。”

  大部分设计以牺牲小部分发电效率的代价来降低占地比,中国科学家却有独辟蹊径的想法。中国科学院电工研究所副研究员李鑫说:“我们在塔式太阳能热发电装置的设计中,考虑了塔下土地综合利用。通过对镜片遮挡率的计算,可以去尝试寻找适合塔下种植的农作物。”

  从全球范围看,目前太阳能热发电装置主要运行于西班牙、美国、印度尼西亚、新西兰、墨西哥等19个国家,且正在运行的电站中,成熟的槽式太阳能热发电技术仍占主导地位。据统计,2009年时全球运行的槽式系统占整个太阳能聚热发电(CSP)装置的88%,占在建项目的97.5%。预计到2020年,全球CSP规模将达到24GW,仍以槽式太阳能热发电为主。特别是欧盟即将在非洲建立的总投资达4000亿欧元的DII项目,也采用槽式技术。

  西班牙是太阳能热发电技术强国,政府在其中投入大量资金。西班牙马德里工业大学教授、中西可再生能源促进中心主任乔治·索沃特(Jorge Servert)说:“可再生能源的发展动力,不仅是环保的需要,更是能源安全的需要。在过去30年中,我们测试过很多不同技术,每一种技术都健康竞争,有些被证实是非常有效的。过去25年,由于上网电价稳定,我们已经建立61家太阳能电厂。”

  他说,欧洲已形成CSP技术的强大团队,在技术研发和成果转化上都有很强实力,很多欧洲太阳能企业都希望能和中国合作。“中国市场需求大,成本管理上也是世界领先,能给太阳能产业的发展带来更多光明。”

  太阳能发电示范项目已在一些发展中国家推行。泰国能源基金会秘书长吉拉德(Chira Hongladrom)说,泰国的节能基金支持了许多太阳能示范项目,并通过示范项目获得了更多经验。“现在,适应泰国民众需要的太阳能热水器、太阳能烤箱等太阳能产品已经深受欢迎,形成了一个新兴市场。”

  在我国,一些新兴的太阳能热发电企业也已进入市场,并具有一定的技术实力和市场竞争力。

  在槽式系统中,槽要随阳光转动以便集热,这离不开跟踪系统。旭孚太阳能公司技术总监朱伟说:“我们的跟踪系统成本低,只占总成本的5%。灵敏度高,太阳角度每变化0.083度,系统就会跟踪变化。百米槽和液压动力站的电机功率都是最低的,这也意味着我们的控制系统功耗全世界最低。我们还对控制系统进行了标准化和简化,把系统做成可插拔式,日常工作可用普通工人操作,无需专门技术人员。”

  科技部近两年投入10亿元在太阳能光伏发电和光热发电上,明年还将启动更多的示范项目。与以往不同的是,过去这些项目以大学、科研院所等研发机构为主导,今年起重点则放在企业,将以企业牵头结合科研院所承担更多研发任务。“这是太阳能领域中小企业的机会。”黄湘说,“项目是在科技部的网站上公开的,企业要多加关注,积极申请。”(佘惠敏)

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