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“追光”的鏡子如何發電

Published / by Edith Heather

“追光”的鏡子如何發電

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導語:海子的《今夜我在德令哈》膾炙人口,同樣在“金色世界”德令哈,坐落着科幻場景般的發電基地。近年來,光伏這一最爲成熟的太陽能發電方式受到了大量的輿論關注。然而光伏並不是太陽能唯一的利用方式,它還有一個叫做“光熱發電”的兄弟。隨着大規模的建設逐漸鋪開,我國在光熱發電領域也將迎來長足的發展。

一、我國光熱發電正在全力追趕

目前,我國“太陽能熱發電”還屬於初級起步階段,爲進行技術探索與發展,正全力追趕西班牙、美國等先發國家。迄今爲止,首批示範項目中包括塔式7 座、槽式1 個、線性菲涅式1 個,共計 550 MW。

據電力規劃設計總院副院長孫銳介紹,目前我國光熱產業設備國產化率已超90%,主要產品產能正快速提升。通過相關院所和企業的自主研發,我國的大規模塔式光熱發電技術已經成熟,所採用的國產化聚光集熱系統、儲換熱系統、相關算法等核心科技也是可靠的。

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依靠過去的技術積累,在產業鏈可控的前提下,我國正掀起一股建造100兆瓦級別光熱電站的浪潮,該級別的光熱電站是目前全球主流。根據相關統計,近年來我國公佈了48個光熱電站規劃項目,總裝機量達到5.94GW,對比國外的項目約6.81GW,未來新增裝機量約佔全球的一半份額。

我國光照條件最好的地區在青藏高原,例如柴達木盆地不但是資源“寶盆”,還有成爲太陽能發電基地的潛力:年均降雨日不超過十天,年均日照時間爲3500小時以上,一年四季均可穩定地發電。與其白白浪費戈壁灘的荒地,不如將照射陽光利用起來。可以預見,西部越來越多的光熱電站將成爲“西電東輸”戰略的重要組成部分。

二、光熱與光伏有什麼區別?

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光熱發電,全名聚光太陽能熱發電。光熱依靠大量鏡面聚集太陽直射光加熱導熱介質,再經過熱交換產生高溫蒸氣,推動汽輪機發電,“燒開水”的環節與火力發電無異,因此光熱電站被戲稱爲“遠看光電站,近看火電廠”。

光熱發電比常規的光伏發電在併網方面更具優勢,光熱發電的轉換效率要遠遠高於光伏發電。

與其他風電、光伏等清潔能源相比,光熱電站通過白天將多餘熱量儲存,晚間再用儲存的熱量釋放發電可以實現連續供電,保證電流穩定,避免新能源難以解決的入網調峰問題。

相對而言,光伏產生的垃圾電(即不穩定輸入電網的電力)較多,對電網終端而言難於消納,反而會造成問題。歐洲最近一度產生的負電價正是由於荷蘭海上風力發電產生的垃圾電過多導致的。

光伏與光熱發電體現的是“小分散”、“大集中”兩種思路。光伏的單位成本與規模基本不相關。而光熱這項技術天然就需要規模效應,邊際成本較低,僅需增加和替換較便宜的鏡面即可。隨着鏡面單元的增加,其發電效率越高、成本越低。

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三、萬片定日鏡形成科幻場景通過發電原理分類,光熱電站主要分爲塔式、槽式、碟式和菲涅爾式四種,全球範圍內較大規模的光熱電站以塔式爲主,原因是其鏡面單元的維護相對簡單。

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從空中俯瞰,上萬個定日鏡單元近乎形成一個以中央塔爲圓心、直徑約兩公里的圓形,反射的光線在空中隱約構成一道等腰三角形的光幕,亮度隨着高度不斷增加,最終匯聚於中央塔頂的集熱器。

用於反射太陽光的單片鏡片面積爲20平方米,鏡面反射率約爲94%,並由無人駕駛清洗車定期清理,每一個定日鏡單位由迴轉減速器和推杆控制偏轉方向。

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以德令哈光熱電站爲例,光熱電站由2.7萬個這樣的反射單位構成。考慮到對陽光和土地的利用率,定日鏡的佈置儘量緊湊,整個定日鏡場地的直徑略小於兩公里。未來若有需求,仍能夠通過增加鏡片數量拓展發電功率。

同時爲了確保最佳的光線集束效果,控制室根據自校準算法自動控制每一臺鏡面隨日光轉向。每數秒更新一次角度,使得上萬臺鏡面均以最佳角度照向吸熱器。

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四、光熱轉化依靠吸熱器

在塔式光熱電站中,吸熱器將上萬束太陽能聚光轉化爲可儲存的高溫熱能,是整個系統的關鍵部件之一。

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吸熱器的性能直接決定了工作介質的工作溫度,進而影響到發電效率,因此吸熱器是光熱發電的核心科技。

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塔式光熱電站使用的主要是外露管式吸熱器,其結構簡單,可接收360度範圍內的太陽輻射,有利於鏡場大規模佈置,是目前應用最廣泛的吸熱器形式。

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太陽能聚焦處的最高溫度可達到1000攝氏度以上,在吸熱器內部,熔鹽流體通過可耐超高溫的管道外壁,吸收不斷反射的高強度聚光,同時需要根據熱量控制熔鹽流體的流速。通過吸熱器,熔鹽能從290攝氏度被加熱到570攝氏度以上。在這個過程中,吸熱器起到了爲整套系統輸入熱能的作用。

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外露管式吸熱器雖然更匹配大型光熱電站的建設,但也存在不足之處,尤其是在開放環境中反射、輻射及對流散熱造成的能量損失較大,熱效率相對較低。我國科學家正通過不斷提升材料性能嘗試解決該問題。

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五、熔鹽儲能發電技術世界領先

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熔鹽具有工作溫度高且範圍廣、傳熱能力強、成本較低、化學性質穩定等優點,目前已成爲光熱電站儲能發電的“血液”,就連最先進的第四代核反應熔鹽堆也將熔鹽作爲工作介質。

光熱電站的儲熱系統約有一萬噸吸熱熔鹽,工作介質經過吸熱器後沿着管道流動進入儲熱罐。通過這個過程,整套系統以吸熱器爲能量來源,在白天不斷地循環往復儲備熱量。

儲熱罐的作用不但是收集熱量,更能將能量收集與發電環節分離,做到發電節奏可控。罐中上萬噸的熔鹽可以持續對蒸汽發生器放熱,其作用相當於火力發電的鍋爐,利用熱交換產生500攝氏度左右的蒸汽,全天候地依靠“燒開水” 發電。

一旦熔鹽用於產生蒸汽發電後,被帶走熱量的熔鹽經管道回冷儲罐,最終會在白天被吸熱器再次加熱進入儲熱罐,永久循環往復。整套系統構成光-熱-電的能量轉化循環,它的原理與空調類似,即通過工作介質的流動將外界輸入能量轉化爲其他形式。

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作爲電網的基礎負荷,儲熱罐中的熔鹽能夠在外界停止輸入熱能的前提下保證持續發電超過48小時,基本能應對所有天氣狀況。在極端情況下,也可通過西部地區同樣豐富的天然氣補燃方式來保障電力供給。

六、光熱發電也有瓶頸

根據國家能源局的規劃,我國光熱發電有潛力達到600GW 的規模,目前僅完成了千分之一,是絕對的藍海市場。然而,當前我國的光熱發電技術距離完全的市場化還存在着一定的門檻和障礙。目前的問題是光熱發電的成本還很高,需要全行業一起通過做大規模降低成本。

通過企業調研,當前新建光熱發電度電成本約0.9元/千瓦時~1.0元/千瓦時,仍遠高於陸上風電和光伏發電。聚光、吸熱、儲換熱系統佔據初始投資的主要部分,約佔整個電站成本的77%左右,是決定光熱發電站造價高低最重要的因素。聚光鏡、集熱管、追蹤器、熔鹽等關鍵設備和材料的生產成本居高不下。

其次,是光熱發電的部分設備尚依賴進口。如熔鹽泵、熔鹽閥、熔鹽流量計、旋轉接頭等產品,在光熱電站中需求量有限,成本中佔比低,但其工況環境嚴苛,技術參數要求高,國內產品質量相對國外不高,還以進口爲主,國內廠商解決這些問題需要一定時間。

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此外,通過使用溫度更高、成本更低的吸熱和儲熱介質,採用超臨界二氧化碳透平技術等實現更高效率的發電技術方面,仍還有較長的路要走。

結語:

作爲一項新興技術,光熱發電可儲可調、能保證穩定的電能輸出,在進一步降本增效後,將與風電、光伏形成優勢互補,一同服務於我國的“西電東輸”整體戰略。此外,我國的光熱稟賦在全球並不在頂尖之列,優秀的太陽能技術將隨着我國“一帶一路”戰略一同走向世界的“陽光地帶”。

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參考文獻:

[1] 人民日報. 德令哈光熱發電產業推動進入光熱能源時代

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[2] 中國工程熱物理學會. 同樣是太陽能發電,爲什麼光熱發電一直“默默無聞”?

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[3] 青海日報. 我國首個太陽能光熱示範電站在德令哈正式投運

[4] 中央電視臺. 新疆哈密伊吾縣“超級鏡子發電站”

[5] 經濟日報. 光熱發電迎來規模化良機

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十餘年研發失敗後 日本再次挑戰製造國產客機

財聯社3月28日電,日本三菱重工業公司去年宣告該國首款國產噴氣式支線客機研發失敗後,日本政府當地時間27日宣佈重啓國產客機研發,計劃在2035年後推出以新能源爲動力的國產窄體客機。日本經濟產業省27日召開由政府官員、專家和商界人士參加的航空產業專家會議,制定產業發展新戰略。這是日本政府2014年以來首次修改相關戰略。根據這一戰略,日本擬研發的國產客機將不再使用傳統燃油,而是基於去碳化需求採用“新環保技術”,以氫能或其他能源爲動力。日本政府和多家民間企業計劃在未來10年爲這一項目共同投資約5萬億日元(約合330億美元)。經濟產業省和相關企業預計最早在2025年啓動實證項目。

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