海南三亚南山海滨,一座占地95亩的“太阳能小城”,轮廓日渐清晰——2000多朵发电“向日葵”竞相追逐着太阳,“手拉手”组成一座1兆瓦的太阳能光热示范电厂,年底即将正式发电。
从上海世博会中国馆走出的发电“向日葵”,每朵由300块边长10厘米的正方形镜片拼成一个碟子。发明人、益科博能源科技(上海)有限公司董事长项晓东博士,为碟子和每块镜片分别编排了不同的“行走路线”,让它们努力追着太阳而动,捕捉尽可能多的阳光;当阳光被反射到镜面上方的集热器,光旋即转换成热;再通过类似传统电厂的热电转换,便产出了电。发电“向日葵”之所以引人注目,是因为它以很低的成本实现了全球最高的太阳能利用率。
建示范电厂,益科博又创了纪录:常规电厂从设计到发电,通常得花两三年;太阳能光热电厂国内从没建过,连标准都还没有,“托世博的福”,它一年就建成了。
从30朵到2000多朵
为了验证“向日葵”的光热转换率,两年前,益科博在张江集电港的空地上,建起了一套由30朵“向日葵”组成的太阳能光热发电子系统。去年11月,三亚的示范电厂正式开工,系统规模从30朵放大到2000多朵,此时设计和施工人员发现,系统集成可不是简单的“1+1”。
在太阳的照射下,系统工作时的温度接近400℃,倘若用水来充当传热介质,系统内的压力将高达300个大气压,这对零部件提出了极高的耐压要求。国际常用的办法是用一种合成油代替水来传热,临近400℃时,系统内压力不到10个大气压。
用油传热虽然卸下了系统的抗压负担,却给控温技术提出了极其严苛的要求——温度低了,汽轮机无法正常工作;高了,导热油就会炭化,2000多个“向日葵”上的集热器就要报废。为此,国外光热电厂的集热管上密布着无数温度计,时刻监控油温。只是,一旦油温过热再作调节,可能为时已晚。益科博琢磨着,测油温不如测太阳,根据阳光输入的实时能量,调节集热管中流动的油量,就能主动掌控温度。
庞大的系统中,任何一个细节问题都可能造成整体卡壳。为了争取时间,益科博本想与相关的系统集成商合作。一圈打探下来,光热太阳能电厂国内没人会做,国际上也只有一两家公司能做。想买现成技术,价格太贵不说,而且要买,必须买下整座电厂。项晓东明白,买来的不过是只黑盒子,自己永远都不会知道怎么做。
“不得已,现实逼着我们自己做。”项晓东说,建示范电厂走了不少弯路,但都是创新路上必须支付的“学费”。
收获了许多意外惊喜
自己做示范电厂虽难,却收获了许多意外惊喜。
理论上说,“向日葵”矩阵输送给汽轮机的温度越高,发电效率越高。可随之而来的问题是,温度越高,散热越多,传输中的热损失越大,最终的热电转换率越低。
减少热损失,唯一的办法是降温。可推动汽轮机运转发电的,必须是355℃的过热干蒸汽。难道每朵“向日葵”都得把导热油烧得那么烫吗?仔细思量,益科博发现,从220℃的饱和湿蒸汽加热到355℃的过热干蒸汽,只需多吸收约10%的热量。这意味着,90%的“向日葵”只需保持能产生220℃饱和湿蒸汽的相对低温,冲刺355℃的重任交给剩下的10%即可。
降温犹如多米诺骨牌的第一张,推倒了它,便有连锁效应:调低温度,系统内的压力一下子小了,导热油流动的阻力随之减小,油泵亦可松点劲,能耗由此下降不少。
项晓东说,能如此一举多得,是因为“向日葵”的模块化设计,设计的妙处是他们之前没想到的。国际上已有的太阳能热电厂,无论是槽式、碟式,还是塔式,都是“铁板一块”;唯有益科博的设计是模块化的,一朵“向日葵”即是一个标准模块,可相互组合、任意拆分,更能分别控制,这让不同子系统间的能量匹配灵活、精确。
得益于能量、热量的合理分配,尽管单朵“向日葵”的光热转换率在最高温度下只有约50%,整个系统的光热转换率却高达75%;同时,由于50兆瓦以上功率的汽轮机的热电转换率可达40%,因此,示范电厂光电转换率达到30%——这是目前世界上太阳能利用的最高效率。
发电成本控制在1元/千瓦时
除导热油外,整座示范电厂都是“中国创造”。明年,一座专门组装发电“向日葵”的标杆工厂将在张江东区投产。眼下,即将投入运行的示范电厂已经获得了上网许可,预计年发电量为150万千瓦时。此前,业界普遍认为太阳能光热发电的电价约为1.8元/千瓦时,但据益科博测算,示范电厂的发电成本已接近目前1元/千瓦时的光伏电价,未来还有下降的空间。
近来,陆续有能源企业愿与益科博合作建设国内首座太阳能光热商业电厂,目前他们正在海南、内蒙古等太阳能资源丰富的地区积极考察。在“向日葵”示范电厂二期,益科博将引入相变储热技术,使白天采集的阳光在夜晚也能发电;在同一片“向日葵”地里,还将见缝插针竖起一台台风机,通过风光互补技术,保持并网电流的稳定。此外,利用发电余热带动空调制冷、进行海水淡化等项目也都在计划之中。
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