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太阳神赫利俄斯的门徒从天而降啦

时间:2015年06月20日      作者      点击

不久前,21世纪经济报道的一篇《上海神秘新能源技术有望改写整个产业格》引发了人们无限的遐想。这篇奇文中的神秘海归简直像是太阳神赫利俄斯派来的门徒,声称其太阳能热发电的效率可以达到80%

  

 

 

图一:大规模的太阳能电池

赫利俄斯的馈赠

太阳能是地球生物接触到的重要能量形式,当赫利俄斯每日驾驭着四匹火马所拉的太阳车在天空中驰骋而过的时候,给大地带来了巨大的能量。据粗略估算,地球1h内从太阳获得的能量要比全球人口1年所消耗的能量还多。

那么我们该如何利用这些能量呢?

赫利俄斯赐予我们的是光和热。光可以通过对光伏电池充电的方法获取电能。光伏发电技术最先源于20世纪50年代美国贝尔实验室首次研制成功的单晶硅电池。这种依靠光伏效应产生电能的家伙很像是一个充电电池。太阳光照在光伏板上,会导致材料中的PN结发生光电效应,电子重新排列,在光伏板上表现为P极为正,N极为负。当太阳光对电池充电完成后,将PN极接到用户上,即可获取电能。

  

 

图二:太阳能电池原理示意图

热则可以作为太阳能热进行发电。这种发电技术相对简单,反射镜将光线聚焦到集热器上,尽可能的吸收太阳光的热能。这些热能通过热机推动发电机输出能量。是不是很像升级版的太阳能热水器?从21世纪经济报道的报道来看,海归带回来的是太阳能热发电系统。虽然新闻中将这一发电技术渲染为这位海归带回的赫利俄斯神器,但实际上太阳能热发电系统并不是什么新鲜玩意儿。美国加州的槽式抛物面太阳能热发电系统总容量已达354MW。十余年间,已向电网供应了50亿度电。因为其太阳跟踪能力差,且需要管道和泵的支持,各种阻力和热量损失导致系统的效率只有15%左右。但由于其技术成熟,仍是眼下美国太阳能热发电的主体。北京延庆也在计划建造这样的塔式太阳能热发电站。100面定日镜用以收集太阳光,反射到100米高的太阳能吸热塔的吸热器里,收集的热能加热水,产生水蒸气,从而作为动力发电。

  

 

图三:塔式太阳能热发电站示意图

赫利俄斯的神谕

报道中的海归声称其太阳能热发电的转化效率可以达到80%,较之目前的太阳能热发电效率跨越了几个时代。那么他从赫利俄斯那儿带回的的神谕是什么样子的呢?让我们来看一下哪些方法可以提高太阳能发电效率吧

1、更高效率的太阳能接收器

对于太阳能光伏发电而言,太阳能接收器为光伏电池。由于电池中PN结纯度(即充电电池的正负极分布)等因素的影响,一般的光电转化效率只有15%~20%。目前,一些实验室特制的砷化镓光电池可以达到35%左右。但光伏电池产生的是直流电,要输送至电网,还需要经过逆变器逆变为交流电。这个逆变过程也会导致一定的能量损耗,使转换效率下降5%10%。为此,我们亦需要更高效率的逆变器。使太阳能光伏发电效率能提升至30%

对于太阳能热发电来说,接受太阳能的是集热器。聚集后的太阳光直接照射到集热器的表面(即每根换热管的表面),换热管内工作介质高速流过,吸收了太阳辐射的能量,达到较高的温度和压力,从而推动热机运转。这方面我们可以选取热量吸收性能较好、利于热循环的工质,比如塔式太阳能热发电利用的是高温熔融盐;碟式太阳能热发电利用的是氢或氦。

另外,集热器收集的热能转换为电能还需要配以高效的热机。这种热机的效率极限与传统能源的热机类似。区别在于常规汽轮机的蒸汽供应是由锅炉供给,蒸汽温度和压力可以达到很高,这使得目前汽轮机最高热电转化效率可以达到35%左右。而太阳能热发电的温度还无法达到锅炉燃烧的热度量值,故配备常规汽轮机后的效率极限远低于35%

  

 

图四:集热器

目前我们谈论太阳能热发电时,常常会提及斯特林热机(stirling engine),它对蒸汽要求没有常规汽轮机那么高,更适合太阳能热发电。在凡尔纳的科幻小说《海底两万里》里,那艘著名的潜艇诺第留斯号就是用斯特林机作为发动机。

值得一提的是,即使在科幻小说中出尽风头,实际上自斯特林发明斯特林热机这170年以来,斯特林机基本没有什么发展,这有点类似于当年爱迪生对特斯拉交流电的无情打压。在常规汽轮机逐渐成熟的时代里,具有非凡意义的斯特林机遭到了既有技术的压制。如今新兴的太阳能热发电给了斯特林机新的机会,我们不妨期待它在传达赫利俄斯神谕的路途上发挥更大的作用。

2、让阳光来得更猛烈些吧

更猛烈的太阳光对于光伏发电和热发电的发电效率都有非常积极的意义。就光伏发电而言,更强烈的太阳光可以使光电效应更明显,提高光电转化率;而对于太阳能热发电而言,太阳光的猛烈程度亦直接关系到集热器的温度,集热器的温度越高,产生的蒸汽工质饱和度越高,更多的蒸汽可以参与推动涡轮机做功,效率自然也得到了提升。

然而由于太阳神每天不知疲惫地从东跑到西,并且极具博爱精神,不遗余力的到处挥洒他的能量,这给太阳能科学家造成了很大的困扰。为了提高太阳能利用率,缩小太阳能发电装置的体积,一方面,我们必须让太阳能反射镜能跟踪太阳的运转,时刻能捕捉到大束的太阳光并将其聚集。为此,科学家发明了定日镜,它能自动跟踪太阳的运转,调整反射镜的方向,便于单元体积的光电或光热转换设备能尽可能多得获取太阳能。另一方面,为了增强对太阳光的聚光效果,我们要提高反射镜的聚光比。目前具备定日功能的高聚光比的反射镜造价非常高,使得定日镜的成本仍占一个太阳能电站建造成本的40%以上。这使得带定日镜的太阳能电价一直维持在0.5美元/度以上的高位。高效率与发电成本仍然是太阳能发电需要调和的矛盾。

目前太阳能发电的效率前景

目前在太阳能光伏发电中,主要还是方位固定的大面积平板式光电转化模式。这种模式的技术较成熟,但转化效率不高。科学家们正在研究高聚光性能的光伏电池。在定日镜的配合下,这种电池时刻处于大束太阳光的焦点上,单元面积内可以吸收更多的太阳光,所以光伏转化效率有所提高,能达到30%左右。不过,光伏电池也因此吸收了更多的热量,必须配备散热装置来降低电池的温度,以保证这些电池的工作寿命。附加的散热系统需要消耗能量,这就又降低了发电的效率。再加上前文提到的直流变交流过程中逆变器的损耗,太阳能光伏发电的效率仍然在30%以下徘徊。物美价廉的定日镜+高转化率聚光电池+高效率的散热体系+低损耗的逆变器是目前太阳能光伏发电的主要研究方向。

在太阳能热发电中,光热转化效率最高的是碟式太阳能热发电。由于这种碟片式分布的反射镜聚光比可以达到3000以上,一方面使得接收器的吸热面积可以很小,从而实现较小的能量损失(接收器吸收的热量散失程度较低),光热转换比最高可达80%左右;另一方面这样高的聚光比可使接收器的接收温度达800 ℃以上,产生的蒸汽推动高效率的斯特林热机,实现由等容加热- 等温膨胀- 等容冷却- 等温压缩 4 个过程组成的热力循环,这个循环很接近于卡诺循环模型。根据热力学第二定律,在相同的高、低温热源温度T1T2之间工作的一切循环中,以卡诺循环的热效率为最高。理想状态下,斯特林热机的热力使用效率几乎等于理论最大效率。

  

 

图五:碟式太阳能热发电

然而受限于热机的设计、工质选择、流体流动特性、传热特性、辐射换热等因素,目前美国SIM公司生产的STM4-120型新一代斯特林发动机效率仅为29.6%[7]欧美一些科研机构声称在实验室条件下可实现斯特林热机效率达到40%左右。[8]要特别注意的是,斯特林热机40%的效率是现有制造工艺下,最接近于理想卡诺循环下的转化效率,蒸汽推动热机做功几乎不可能再高于此值。

如此算来,太阳能热发电的光能机械能最高转化效率可以达到40%*80%=32%。热机再推动发电机运转,最终总的光电转化效率可以达到30%左右。目前中国科学电工研究所在进行的10KW碟式/斯特林系统的示范工程系统总的设计效率为17.96%

 

 

注:本文转自http://www.guokr.com

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