卤水鹅掌的做法:科学时报：太阳能光热发电关键技术亟待突破

http://www.edu.cn　2010-03-01　　科学时报 刘丹

“太阳能热发电技术是除风电以外最具有经济竞争力的可再生能源发电技术，而高温蓄热技术则是太阳能热发电的关键技术。”北京工业大学马重芳教授在接受《科学时报》专访时表示，“如果技术问题能够解决好，那么光热发电的前景无限。”
极具潜力的技术
太阳能光热利用主要表现在两个方面：一是太阳能热水器，二是光热发电。
目前，作为太阳能光热利用代表之一的太阳能热水器在我国已经初具规模，中国业已成为世界上最大的太阳能热水器生产和销售国。相比之下，太阳能光热发电技术才刚刚起步。
太阳能光热发电主要是指太阳能集热器把收集到的太阳辐射能传递至接收器，产生热空气或者热蒸汽，用传统的电力循环来产生电能。
“这项技术具有技术成熟、发电成本低、容易与化石燃料形成混合发电系统的优点。”马重芳研究团队成员之一、北京工业大学研究员吴玉庭告诉《科学时报》，“它最有可能跟风力发电、水力发电一样产生能与化石燃料经济上相竞争的大量电能。同时，风力发电、光伏发电等可再生能源发电只能采用蓄电模式，而蓄电成本非常高，在大容量电站中无法采用，因此光伏发电和风力发电产生电能随太阳能和风能波动很大，如果在电网中比例过大，会对电网产生冲击。太阳能热发电可采用大规模低成本的蓄热技术，因此可输出稳定连续的电能，克服了光伏发电和风力发电的这一缺陷，将来有可能成为人类的主力能源。”
作为太阳能光热发电的核心技术，高温蓄热成为我国发展太阳能产业的关键。
吴玉庭告诉记者，与传统化石能源利用相比，太阳能的致命弱点在于其存在“间歇”。由于太阳辐射强度时刻改变，太阳能热发电系统在早晚或者云遮间隙必须依靠储存稳定的能量才能维持系统正常运行，因此必须采取蓄热措施，这是太阳能光热发电不可缺少的部分。
“因为太阳能是不稳定的，如果没有蓄热技术，晚上系统无法发电，这样就无法使发电设备得到充分利用。另外，即使在白天太阳能强度也会因为云层的遮挡而发生变化，如果没有蓄热系统，发电设备就不能稳定运行，甚至会出现频繁启停，这样会对系统发电效率产生极大的影响，同时也会严重影响发电设备的寿命。因此蓄热技术一直也是太阳能热发电领域的研究热点。”吴玉庭说。
吴玉庭团队从2000年开始从事蓄热研究，十年钻研，他们比较看好熔盐蓄热材料。
“熔融盐蓄热技术在槽式热发电系统中被认为是一种先进的、最好的蓄热介质。”吴玉庭介绍说。美国和德国的许多专家和研究机构均把熔融盐传热蓄热作为槽式热发电提高发电效率和降低发电成本的重要技术途径。
据吴玉庭介绍，在更早的一些太阳能热电站中曾采用导热油作为蓄热介质，但由于导热油具有成本高、可燃、易挥发，并且蓄热温度低等缺点，研究人员很快把目光转向了熔融盐。
“熔融盐成本低，蓄热温度高，同时不可燃，具有很高的传热系数、热容和密度，是一种理想的蓄热介质。”吴玉庭向记者介绍说，“2001年意大利启动了ENEA聚光太阳能热发电计划，准备在意大利南部建一个28MW的太阳能槽式热发电系统，在这个系统中就是采用熔融盐作为传热蓄热介质。”
同时，意大利于2003年建成了太阳能槽式集热器熔融盐循环测试系统，该系统熔融盐罐装有熔融盐9500kg，最大的传热功率可达500kW，集热器中熔融盐出口温度可达550℃。截至目前，这套系统已经有2000多小时的运行经验。
2009年刚刚建成的西班牙10万千瓦ANDASOL1&2槽式太阳能热发电站也是采用熔融盐进行蓄热，蓄热7.5个小时，两个电站熔融盐的用量高达6万吨。
熔融盐在塔式太阳能电站中也被广泛应用。
据介绍，1983年，Themis电站在法国南部的Targasonne建成，该电站采用Hitec熔融盐作为传热和蓄热介质。1997年美国建成的Solar Two 试验电站，传热蓄热介质采用3000吨熔融盐，经过两年的运行证明了熔融盐传热蓄热的可行性。目前正在建设的西班牙17MW的GEMOSOLAR 塔式商业化运行电站就采用熔融盐传热蓄热介质，目前几个计划建设的塔式太阳能电站也准备采用熔融盐作为传热蓄热介质。
“不管是槽式太阳能热发电还是塔式热发电，熔融盐传热蓄热技术都是一种先进的传热蓄热技术。它对于提高系统发电效率，提高系统发电稳定性和可靠性具有重要意义。”吴玉庭说，“而且熔融盐传热蓄热技术已在西班牙ANDASOL1&2、太阳能2号和意大利ENEA工程中得到成功应用。因此熔融盐传热蓄热技术是一种很有前途的太阳能高温热发电关键技术。”
研究亟待突破
“熔融盐传热蓄热是最有前途的一种太阳能高温热发电关键技术，已经在欧美国家得到应用。而我国到目前为止只对空间太阳能热发电系统中的高温相变储热器有过实验研究，对熔融盐传热蓄热还未进行深入研究，缺乏经验。”马重芳对《科学时报》表示，“这方面的研究亟待加强。”
吴玉庭告诉记者，熔融盐换热器和蓄热系统的设计迫切要求能够掌握熔融盐对流传热的规律和预测方法。但由于熔融盐具有高温、熔点高和腐蚀性等特点，进行熔融盐对流传热的试验研究难度很大，因此虽然熔融盐传热蓄热技术在化工和太阳能热发电中得到了规模化应用，但国际上关于熔融盐对流传热的试验研究很少。
“纵观一百多年发表的相关对流传热试验文献，不难看到大多数对流传热试验是在环境温度附近的试验条件下得到的，缺少高温下的对流传热试验数据。”吴玉庭说，“尽管这些经典关系式适用的普朗特数、雷诺数范围也覆盖了熔融盐，但从未用几百摄氏度的高温熔融盐验证过这些经典公式的适用性。”
而这正成为马重芳研究团队近年来的重大研究方向之一。
2003年以来，北京工业大学传热强化与过程节能重点实验室开展了熔融盐热流体科学的研究。他们的目标是，希望通过实验进行熔融盐无相变管内对流换热特性的系统研究，得到熔融盐管内强迫对流换热的第一手数据，并通过和经典传热关系型的比较来验证适用于熔融盐传热的关系型，为熔融盐的科研和工程应用等方面提供基础数据和设计依据。
记者在他们的实验室里看到，目前他们已经成功搭建了熔融盐受迫对流传热试验台，解决了熔融盐高温、腐蚀等带来的技术难题，掌握了熔融盐系统管道和阀门的防凝固、管路预热保温、高温熔融盐的填充和卸出等技术方法，首次实现了高温熔融盐的传热蓄热循环，并安全工作了1000小时以上，获得了大量宝贵的实际操作工程经验。
吴玉庭告诉记者，目前为了进一步提高太阳能热发电的效率，需要发展超临界等高参数太阳能热发电技术，而国外广泛采用的混合硝酸盐只能用于550℃以下，无法满足太阳能热发电技术发展的需求，因此迫切要求发展使用温度更高，而熔点又不能太高的混合熔融盐。记者了解到，实验室近年来除跟踪国外配置了混合硝酸盐外，还进行了混合碳酸盐、混合氯化盐等更高温度熔融盐的配制，并初步建立起了混合熔融盐热物性测试平台，测得了这些混合熔融盐的熔点、熔解潜热、热重曲线、比热等一大批热物性实验数据，同时对混合氯化盐和混合碳酸盐的腐蚀性进行了分析和研究。
“我们的研究才刚刚起步，这项技术的突破，对中国太阳能光热发电产业至关重要。”马重芳说。