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什么是“聚光储热”?

什么是“聚光储热?“聚光储热是由“聚光” 与“储热”两部分组成。简单说来“聚光”就是将太阳光聚焦,用以加热介质,取得高温热能;而“储热”就是将高温热能储存起来,等需要时候取出使用。

 “聚光”装置有三个作用:(一)跟踪太阳,(二)聚焦(形成焦线或焦点),(三)吸光输热。太阳一天从东向西不停运动,抛物面要保持正向太阳,不得不跟着太阳旋转,这就是所谓的跟踪。抛物面有所谓的法线方向(沿抛物面底点到焦点的方向),太阳光线需要与法线平行才会聚焦,形成明显焦点。除了跟踪之外,聚光装备还得有吸光与输热设置。吸光是将焦点的光能转为热能,然后由流动介质(导热油、熔盐、水等)将热能输出。在输热与储热使用同一介质(就像熔盐)的情况下,高温介质可以直接进入储热库储存。储热库的体积决定储量,面积决定热损失,所以体积/面积之比越大储热效率才会越高。储热库体积大,自然聚光场的面积也得跟着增大,才能生产足够的能量用于储存。这是说“聚光储热” 需要有一定规模才能有效储热。

 “聚光储热” 设置种类是由聚光方式决定,分有焦线与焦点二种。焦线分有槽式(Parabolic Trough)与菲涅尔式(LinearFresnel)、聚光比在50-80、可达热能温度大约500℃ 上下。焦点分有塔式(Central Receiver)与碟式(Dish)、聚光比在600-3500、热能温度可以> 1000℃。如下图所示(引自DLR光热报告)

 

 什么是“熔盐储热”? 

简单介绍储热所用熔盐。熔盐低于250℃就会凝固,高过 600℃就会分解,所以一般工作温度是在 290 - 565℃ 范围内。一般使用高温熔盐,熔盐腐蚀性是个令人担心的问题。这种用于储热硝酸熔盐腐蚀性不強,材料选择上没有太大困难。 

硝酸盐混合物:硝酸钠(NaNO3):60% w,硝酸钾(KNO3):40% w,如下图: 

这种储热熔盐被农业大量用作肥料,带硝酸基的氮肥。熔盐没有毒性、合乎环保要求、可以安心使用,在输热与储热上都有良好的热工性质。还有比较好稳定性:

大于500°C开始有分解反应(700°C以上情况严重)

NaNO3->NaNO2 +0.5O2

KNO3->KNO2 +0.5O2

大于700°C开始有分解反应

2NaNO2-> Na2O +3/2O2 +N2

2KNO2->K2O +3/2O2 + N2

 美国塔式 Solar Two兴建的主要目的就是为了实验熔盐储热。结果、实验证明了聚光所得热能可以十分有效地(储热效率>98%)以高温熔盐(约600℃)储存起来。储热库分冷热两库。熔盐从冷库流経塔式顶端吸光器加热后送进热库储存。等需要热能时,热库熔盐流経換热后回到冷库。換热生产过热蒸气,用以带动涡轮机组发电。Solar Two为熔盐应用奠下了基确,开创了“聚光储热”新纪元。

西班牙Andasol 槽式发电站。Andasol 是槽式中最先使用非直接熔盐储热的设置。非直接是说输热与储热所使用不是同一介质,所用输热介质是导热油,而储热介质是熔盐。运作温度为导热油所限 < 400℃,未能达到熔盐工作上限600℃。图中两大红色园桶建筑就是兴建中的储热库。 

Andasol 熔盐储热库内部。储热分有热库(< 400℃)与冷库(> 290℃)。储热库直径36m、高14m。熔盐从冷库流出,経由聚光场输热而来的导热油加热后流进热库储存。需要热能时,熔盐自热库流回冷库,中间経过換热释放热能给用于发电的过热蒸气。热库可用热能储量为 1.2GWht,可供以50MWe功率发电 7.5 小时。

 

 总之,“聚光储热”大致可由五个部分所组成

1)  跟踪——使得大型反射镜在收集直射太阳光能时、正对太阳;

2)  聚焦—— 抛物面反射镜将直射太阳光聚焦,增加光能密度;

3)  吸光输能——焦点或焦线上经由吸光器将高密度光能转为高温热能,由高温介质将热能输出;

4)  储热—— 高温介质将热能送入大规模储热库储存;

5)  换热—— 储热库高温介质外流,经换热将热能释放作应用。


 “聚光储热”工作步骤 :跟踪、聚焦、吸光输热、储热与換热。高温热能可以发电上电网,余热上中温热网。高温热能也可以直接上高温热网以供热工业。

 

“聚光储热”可以“替换化石能源”,我们可以问为什么会有如此力量?说来就是“聚光储热”有“聚”与“储”两个作用。 “聚”提升了能量密度,使得太阳能得以生产高温热能,弥补了太阳能能量密度过低缺点。 “储”是借储热来弥补太阳能的波动与间歇性。其实、波动是因为大气层的变化、而间歇与季节是由于地球以斜轴自转之故,毛病出自地球本身,有些竟冤枉了太阳。不管怎样说,“聚光储热”弥补了太阳能在应用上二大缺点。当然、“聚光储热”也远远不够完美,其弱处在成本高、规模大,应用不方便,好比热能不能输远,必须将就太阳热源所在。下图为煤碳、光伏与“聚光储热”在应用特性上之对比:

 

“聚光储热”弥补了太阳能两大缺点,在庞大的太阳能支持下,加上本身就是高温热源,才能挤身成为主力能源。主力能源必须要像化石能源一样既供电也供热。因为主要应用像工业能耗,在需求里有四分之三是热能,所以供热比供电重要。“聚光储热”是热电兼顾,还能储能。我们注意“聚光储热”也与核电不同,核电祗供电而不供热,因此核能只能算是主流电源,而不是主力能源。