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中科院电工所张剑寒作客央视《透视新科技》,科普太阳能热发电

作者:admin     发布日期: 2020-07-07     二维码分享

7月5日19:30,中央电视台科教频道播出了《透视新科技》——解密新能源,中国科学院电工研究所张剑寒博士与节目主持人胜春、北京交通大学陈征老师一起为观众科普太阳能热发电知识。



视频文字转录如下:

太阳每天都释放出巨大的能量,据研究表明:太阳每照射到地球上一秒钟释放的能源,相当于上百万吨煤燃烧后释放能量。所以科学界一直在研究如何更好的利用太阳能。今天的节目我们先通过一段短片来进入我们要探讨的内容。

在甘肃敦煌荒凉的戈壁滩之上,有一片由1万多面镜子组成的壮观镜子群,在阳光的照耀下闪闪发光,在他们的环绕之下,一座高塔巍然屹立其中,这是亚洲.大光热电站,也是中国..百兆瓦级的国家太阳能热发电示范电站。2018年落地建成,被人们形象地称为超级镜子,在给千家万户提供便利的同时,其新奇的造型也吸引着无数游客前来驻足游览,激起了人们无限的好奇。


 



图:首航高科敦煌100MW熔盐塔式光热电站


这么一大片镜子是怎么发电的?这样的发电站又有什么独特之处呢?

好,短片过后,欢迎回到我们的演播室当中,首先我们给大家介绍一下我们今天请来的两位嘉宾,在我左手边的这位是中科院电工所张剑寒,中国延庆太阳能热发电项目参与者;另外一位是北京交通大学的陈征老师。



剑寒:


首先我们介绍一下什么是光热发电。我们可以看到这座电站中国首座太阳能热发电站,我是项目参与者,左边由多台定日镜组成的定日镜场,中间是一个118米高的塔,右边各种厂房和构件组成,左、中、右三个部分合起来。我们的光热电站它有一个正式名字,熔盐塔式太阳能热发电站,该电站的规模比较小,所以我们只做了一个扇形布置。


敦煌电站规模比较大,所以我们从上面看,它是一个环形的布置。太阳能热发电和光伏发电都是依靠太阳能来进行发电的一种技术。


过去大家熟知的是光伏发电,超级镜子(太阳能光热)跟光伏发电比较起来,区别是什么呢?

要区别是能量的转换过程不一样,光伏发电是由光能直接转变成电能,即太阳光照到光伏板上以后,然后直接产生电流,我们把这个过程叫光生伏打效应或者光电效应。光热发电实际上是由先把光能转化成热能,再从热能转变成电能这样的一个过程;我们看到的(熔盐塔式光热)电站实际上也是这样,千千万万个的定日镜把所有的太阳光都反射到(吸热)塔上的一个点上,那个点上我们放置一个吸热器,这时吸热器的表面的温度就非常的高,一般来讲是要到几百度以上,就是光到热的一个过程。

如果我们把热能传下来以后,然后水冲进去,就能把水加热成高温高压的水蒸汽,推动汽轮机发电,这就是一个热到电的过程。


人:
陈征先生你怎么理解这个超级镜子呢?
征:
刚才张老师已经介绍了,这个超级镜子是用来聚光,然后利用太阳光的热去驱动发电的。其实我们小的时候,我相信至少绝大多数男同学都干过这样的事,拿个小镜子反太阳光,然后有人还被老师罚站,这样的事情我们都玩过。我们要用太阳光发电,当然就要把很多的太阳光都利用起来,可是太阳光每平方米上就那么多。所以我们需要把大量的太阳光收集起来的时候,就需要铺到处都是镜子,组成像一个整齐的方阵一样,然后通过这种若干个小镜子相互配合;就像我们全班同学一人拿一个小镜子,然后站在操场上,把太阳光反向同一个点。

张剑寒:

这时太阳光聚集得非常的强在一个点上。我们可以想象一下,在一平米地面上,太阳从天上照下来,我们管它叫一个太阳;如果我们用镜子反射太阳光以后和太阳光同样强,这时候我们就叫两个太阳,再用镜子反光,还反光到同样的地方,这时候我们就叫三个太阳;那成千上万枚镜子同时反光到一个地方以后,就好像几千或者几万个太阳同时照到我们这个地方一样,我们把它称之为太阳数,延庆太阳能热发电站设计的就是400个太阳,如果在吸热器上采用这种熔盐吸热器,我们的温度就达到了500℃以上;如果我们采用空气吸热器,温度就达到了1000℃以上。


持人:
我再问一下张先生,这个镜子跟我们普通家用的镜子,从肉眼上看有区别吗?

张剑寒:


肉眼上看是有区别的。你认真地看玻璃的断面,我们日常用镜子是绿色的,因为它反射率比较低的,我们叫绿玻璃;(太阳能热发电)镜子断面的时候是白的,我们叫超白玻璃。从材料上来讲的话,反射率不一样,(太阳能热发电)玻璃反射率93%,或者94%以上;我们日常用的玻璃镜都是百分之八十几的反射镜。

陈征:
我们一般家里的镜子能看清楚自己就行了,没有那么高的要求。但是现在我们是要靠反射太阳光,聚集太阳光的能量,就对其反射率要求就很高了。
张剑寒:


第二个区别是太阳能热发电用镜子要随着天上的太阳转来转去,要跟着太阳跑。就是说(太阳能热发电)镜子依据时间地理位置的不同,需要计算一下太阳在天空的位置具体在哪里?然后我们再计算镜子的扭转的角度,这样保证所有的镜子都汇聚到一点,让镜子自动工作。每天早上起来就跟着太阳走,晚上就归到原来的位置上。

第三个就是我们日常用的镜子是平面镜;我们现在使用的(太阳能热发电)镜子是一个曲面镜(包括球面镜)主要是为了聚光。



陈征:


你看太阳好像只有这么大,但事实上太阳比地球大好多,太阳光照在地面上的时候,你以为它是这么平着过来的,其实不是。太阳光照在地面,实际上是以这样一个吸收的锥角照过来的。如果拿一个平面镜反射,你看这样锥角一反射就变成了发散光,能量不集中了。怎么办?我就得把这个镜子做成一个薄面,像在上世纪八九十年代其实还蛮流行的太阳灶或者太阳能热水器,我们小学的时候好像做过这个实验,中间做热水。一个像卫星天线一样的,然后表面贴上反光的材料,中间交点的地方放一个水壶就可以烧水。

咱们超级镜子进入电站的前半部分,其实你可以把它想象成一个太阳灶,我们原来用的太阳灶就比较小;可是当我们要在几百平米几千平米的范围里边收集阳光的时候,做一个那么大的镜场在技术上是一件很困难的事情;我们就把这一个的面给它拆开,做成若干个小面,然后把阳光聚焦在一点,也就是说光热电站的前半部,你就可以把它想象成一个太阳照或者太阳能热水器基本原理差不多,聚焦太阳光;后半段和我们的火电站又很像,火电站是用煤烧水,然后把水加热成高温高压的水蒸气去推动蒸汽喷机。太阳能光热电站是用光聚焦太阳光直接烧水,所以你可以想象用一个太阳照取代了一般火电站的锅炉那一部分,后面是相同的,简单说是这样一个过程。

张剑寒:
咱们超级镜子进入电站的前半部分,其实你可以把它想象成一个太阳灶,我们原来用的太阳灶就比较小;可是当我们要在几百平米几千平米的范围里边收集阳光的时候,做一个那么大的镜场在技术上是一件很困难的事情;我们就把这一个的面给它拆开,做成若干个小面,然后把阳光聚焦在一点,也就是说光热电站的前半部,你就可以把它想象成一个太阳照或者太阳能热水器基本原理差不多,聚焦太阳光;后半段和我们的火电站又很像,火电站是用煤烧水,然后把水加热成高温高压的水蒸气去推动蒸汽喷机。太阳能光热电站是用光聚焦太阳光直接烧水,所以你可以想象用一个太阳照取代了一般火电站的锅炉那一部分,后面是相同的,简单说是这样一个过程。
持人:
好,说到这儿可能我们的观众已经理解了,刚才说的超级大镜子,这种发电站就是光热发电站,我们前面的看到这个新闻短片当中看到事件,在敦煌的一个光热电站的建设对于地域性的要求很高吗?

张剑寒:


地域性要求还是蛮高的。它主要有以下几个方面,..个是太阳光资源。太阳能光热电站一定要求太阳光比较好,影响太阳光的因素有以下几个方面,一个是地理位置,纬度越低呢,太阳就经常在我们头顶上;第二个大气的质量,如果我们大气质量很好,光资源照进来就会很好;第三个就是云层少。云少、地面平坦,比如说青藏高原,敦煌地区,敦煌的地区干旱少雨,太阳资源好。江南地区就不行了,总是一天下雨。

第二个是土地成本,因为太阳能热发电站每建一个电站都是按平方公里来计算的,建成这一个电站,这个区域里就不会再有工厂或者其他民用建筑;像北京上海这样的地方,没法建光热电站;我们只能选择这种西北或者青藏高原这样的地区,人员稀少,土地价格比较便宜。

第三个是水资源。实际上太阳能热发电站还是要消耗一定的水资源的,这主要是因为我们镜子,因为它会落灰,你落灰以后太阳光反射的能力就不足了,所以我们要清洗镜子;另外一个汽轮机要冷凝,需要补水,这也要消耗一定的水资源。所以像青藏高原的海西州地区,有高山雪水融化,它有水,太阳光又特别的好,就特别适合于建设太阳能热发电站。

目前我国光热发电站有没有投入使用?如果投入使用的话,效果是怎样的?
张剑寒:
我国真正投入使用这种大规模的光热电站是在2018年以后。我们前面举的例子就是首航敦煌的熔盐塔式光热电站,它的装机容量100兆瓦,如果按照设计值一年就能发出4亿度电,甚至高于4亿度电。相对于燃煤电站来讲,其优势就是降低排放。
我们知道燃煤中排放的二氧化碳是温室气体,硫化物,氮氧化物会造成酸雨,粉尘是PM2.5的重要来源。而太阳能热发电站因为收集太阳光没有污染。建一个100兆瓦的太阳能热发电站,一年能节省13万吨标准煤,减少二氧化碳减排30万吨,硫化物9000吨,氮氧化物4500吨的排放,带来巨大的环境效益。
 
画外音:
煤炭作为我国.主要的电力来源,在为我们提供大量电的同时,伴随而来的滚滚黑烟,也给我们的环境带来了雾霾、酸雨、气候变暖等多重危机。于是人类逐渐开发了像太阳能风能这样取之不尽、环保减排的新能源。
 
持人:
如今风力发电和太阳能光伏板已随处可见,与他们相比,同样利用太阳能的后起之秀,光热发电技术除了环保之外,又会展露出什么独特的优势呢?既然已经有了光伏发电,那就是从太阳能直接转成电能,为什么还要研究这种光热发电?由太阳转成热能再转为电能要多这么一个步骤呢?

张剑寒:
光伏发电是由光直接到电这样一个过程,光是不能存储的,储电的成本又很高;有太阳光时光伏就能发电,没有太阳光就发不了电太阳光,阳光好的时候发电多,阴天下雨的时候电就没有了。这个过程实际上是对我们这种可再生能源制约它发展的一个很重要的一个技术性因素。光伏、风电都是一样,生产的电力是不稳定的。像现在我们看电视要用电,要烧热水,我要用电,但晚上没有太阳了怎么办呢?这就需要太阳能热发电了。太阳能热发电是光到热,热再到电这样一个过程,那么我们中间热的过程优势就是把热储存起来,它并不会增加发电的成本,而且这部分热还可以保证24小时不间断的发电。




图:中科院电工所延庆1MW塔式光热电站

陈征:
我想起一个网络上一个特别有意思的小段子,我有一个特别伟大发明,发明了一个太阳能手电筒,有太阳光照的时候我的手电筒就亮,没有太阳光照的时候我的手电筒就不亮。晚上没有太阳手电筒也不亮。这就是光伏本身它的一个局限性,有光的时候他发电,没光的时候就没有。


像刚才张老师介绍的太阳能光热电站并不把这所有的能量一次性的都用来发电,还要把一部分热存储起来,这有点像什么?像我们上大学的时候,很多人是月光族,就是每个月月初的时候,父母把生活费寄来了,10天之内挥霍一空,这就是有太阳的时候;然后等到后半个月没钱了(没太阳)您这叫光伏消费模式。那么现在光热发电它采取的策略说我收到了1000块钱生活费,我把500块钱存下来,然后我先用这500块钱去维持我的生活,到没太阳的时候,我还有500块钱的储蓄,这样就能保证我整个月不至于月初大鱼大肉,月末就干啃馒头。


 
张剑寒:
热量的存储,我们打一个比方,左边叫热盐罐,右边叫冷盐罐。通常早上冷盐罐里是装满了熔盐的,温度是290℃,我们早上起来就把冷盐罐里的冷盐打到吸热塔上,定日镜把太阳光反射到吸热器,吸热器里的熔盐就会被加热到560℃以上。这时我们再把熔盐打到下面来了,一个回路直接去发电,另外一个回路就进入到热盐罐里;一直到把冷盐罐里所有冷盐全部转移到热盐罐,这个过程,我们叫充热过程;到了晚上没有太阳了,我们就把热盐罐里的热盐抽出来,继续去发电,发电以后热盐的温度就下降了,这个时候我们的熔盐就回到冷盐罐里,到第二天凌晨时热盐罐的热盐就没有了,这个叫放热过程;我们一天循环一次,充热放热储热放热,这样就保证我们电站一天24小时不间断发电。




持人:
但同时又有一个新的问题,既然我们可以存储热能,用热能进行发电,是否也可以把多余的热能进行的热力供应?

张剑寒:
是这样的。所以说我们有几种衍生的技术,一种技术叫太阳能热电联产,就是我们发电以后产生的余热进行供暖。在北方地区每到冬天,只要一开始燃煤取暖空气质量马上就变差了,因为粉尘是PM2.5的重要来源;而太阳能是清洁的能源。
如果我们在西北这些比较偏远的小城镇旁建设一座太阳能热发电站,那么春夏秋三季可以用来发电,冬天既可以用来发电,也可以用来采暖。

持人:
在实际应用当中,你有哪些可以值得跟我们分享的故事?

张剑寒:
中科院电工研究所延庆八达岭太阳能热发电实验园区在冬天都是用太阳能热发电收集来的热能进行采暖,不但园区的冬季采暖的电费大大的下降了,而且我们还和区周围的其他单位如园区旁边有一个村子,一个飞机场进行了沟通,我们争取把收集来的太阳能热能提供给他们进行冬季供暖。





另外还有一个技术就叫太阳能水电联产技术,这个也是用我们的余热来进行海水淡化或者苦咸水淡化。就是把海水加热到100℃以上,这时水就变成水蒸气,然后再冷凝就变成了淡水。
但实际上太阳能热发电从汽轮机出来,水的温度达不到100℃,怎么办?我们想用的办法就是抽真空。比如说我们就在青藏高原,青藏高原上水的沸点实际上是八九十度就沸腾了,大气压越低,沸点就越低,这样的话我们就可以把海水放在一个真空装置里头,它的沸腾温度符合汽轮机出水的温度,这样就可以产生淡水;东南沿海地区土地价格比较贵,没法建设太阳能热发电站。但是在新疆,如果我们找到一个有咸水湖的地区,我们在旁边建一个太阳能热发电站,我们就可以把旁边的咸水湖里的咸水,通过水电联产的方式产生淡水。这个淡水就可以用来种植大棚里的蔬菜,比如说西红柿,黄瓜等各种蔬菜和花卉,带来一个环境的效益。如果以后技术发展的更高阶段以后,实际上我们就可以把咸水湖里的水全部变成淡水,我们咸水湖周围就变成了一个沙漠中的绿洲技术。

陈征:
未来,太阳能水电联产还可以为一带一路做一些贡献,因为从刚才张老师的描述看,中东地区有海,有沙漠、有太阳,特别适合这些技术。

张剑寒:
我们还有一种技术叫光煤互补技术。即我们把收集来的太阳的热能,直接接入燃煤电站的发电系统回路里。这样给燃煤电站作为一个补充,降低燃煤的消耗。这样还有一个好处就是提高我们太阳能资源的利用率,比如说我们太阳好的时候就多用太阳能发电,太阳不好的时候就多用煤发电,我们太阳能资源就一点都不会浪费。

画外音:
光热发电技术环保稳定能与多个领域连用,具有十分光明的应用前景。迄今为止,我国的光热电站在不到10年的时间里得到了迅速的发展。2011年,中科院电工所在北京延庆建成中国首座拥有国家自主知识产权的兆瓦级塔式光热电站。2013年青海德令哈建成中国首座商业化运营的光热电站,标志着光热技术从实验室走向了市场。 2018年甘肃敦煌建成中国首座百兆瓦级熔盐塔式光热电站,也是目前亚洲.大光热电站。
 
持人: 
发展如此迅猛的光热发电技术,对我国的能源发展有着什么重大的意义?未来又将会有怎样的前景呢?

张剑寒:
我国发展光热电站,从2016年以来,也就是国家能源局发改委发布了首批太阳能热发电的示范项目和标杆电价后,太阳能热发电发展速度就非常的快。
截止我们今天,国内的装机已经达到了550兆瓦;在全球范围内,中国市场名列第五。我们希望就在未来的5年内,我们能把装机容量追赶到全球..。

持人:
这确实是一件可喜的事情,我还特别希望您给我们聊一聊关于光热发电技术,我们国家研究了这么多年,还有哪些瓶颈需要我们去取得新的突破。

张剑寒:
现在太阳能热发电技术发展的一个瓶颈问题,实际上主要还是成本电价相对比较高一些,目前光伏和风电的平价上网日期已经越来越近了,那么我们太阳能热发电生产的电力还不行,我们还得需要国家补贴,补贴以后电力才能进入市场,才能有一定的竞争力。


我们现在也是希望通过技术进步,来降低太阳能热发电的一个成本的电价。此外我们还是希望国家也要出台一些相应的政策,来完善和大力推进我们这种太阳能热发电发展的各项的政策和措施。



持人:
这么好的能源,我们可以西气东输,不能西电东输吗?在西部阳光比较好的地区,我们多建议一些、光热的电站,然后、输到东部,输到祖国的四面八方不是很方便的事情吗?所以.后特别想让两位给我们预测一光热发电未来的前景。

张剑寒:
实际上,如果你现在是坐飞机去青海省的话,从天上就能看到地上密密麻麻铺的都是光伏电站,太阳能已经在逐步建设能源基地,然后再通过电网输送到东部地区。但由于以光伏电站为主的可再生能源基地的电力不稳性,太阳能热发电也就有了机会。国家政策也提到了,要保证电力系统的稳定性,光热发电可以和光伏合起来组成一个太阳能发电站,有太阳的时候光伏可以发电,没太阳的时候,我们光热可以发电。

陈征:
可再生能源在中国应用面临的困难是,太阳能资源主要分布在西部,消耗主要分在东部。那么我们建一条高速公路把它运过来不就得了,但是可再生能源又有这种一会强一会弱,一会有一会无的状态,结果是什么?我修一条高速公路,一会堵车,一会儿没车,这就是一个今天面临的问题。
在这个情况下,大体的趋势应该是这样一个发展方向。首先区域联合,光电,水电,太阳能光伏,太阳能光热,这些不同的能源的供应点之间,先相互进行匹配。在这个过程中,光热发电可以利用其储能的特点,其稳定性可以起到缓冲作用,可让不同能源形成一个比较稳定可持续的、大容量的工业园,然后通过这条高速公路送到东部售出,我觉得未来可再生能源在中国的应用,应该会逐渐走向这个方向。

张剑寒:
2014年发布一个太阳能热发电技术发展路线图报告中预测到,2050年太阳能热发电占全球电力结构就是装机容量的11%,这个指标也是我们太阳能热发电从业者一个对未来的比较好的憧憬。

持人:
今天应该说非常感谢两位来到我们演播室当中,给我们介绍这光热发电一个新的清洁能源的使用方法,所以我们希望我们科学技术不断发展的未来,能让更多的蓝天白云和绿水青山常伴在我们身边。好,感谢各位收看我们今天的透视新科技,下期节目再见。