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基金项目开拓太阳能互补发电新方向

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发表时间 2012-09-07
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太阳能以其储量无限、开发利用清洁等特性备受关注,但太阳能发电也有成本高、效率低和依赖光照条件等问题。如何解决太阳能的高效收集、转化和能量储存问题,并和其他发电方式组成互补的综合发电系统,是太阳能热发电利用发展中亟须解决的重大科学问题。

 

在国家自然科学基金重点项目、重大研究计划项目和国家杰出青年科学基金项目资助下,中科院工程热物理研究所研究员金红光团队对太阳能互补发电进行了系统研究,该团队研制的太阳能热化学互补发电系统目前已成功发电,并引领国际中低温太阳能与化石燃料互补发电的新方向。

 

“互补”的优势

 

“单纯太阳能发电对光照条件要求较高,太阳能和传统化石燃料发电互补的思路是对传统发电设备进行改造,让它在有太阳时用太阳能,阴雨天或夜晚用传统燃料发电。”金红光对《中国科学报》记者说,“这两者所用的发电设备相同,改造起来难度并不大,费用也不是问题。”

 

目前,太阳能与化石能源互补发电主要分为两大类:一是太阳能与热力循环的热互补,即通常我们说的太阳能热发电;二是太阳能与化石燃料的热化学互补,即太阳能热化学发电。

 

太阳能与热力循环的热互补是根据不同聚光形式,将不同集热温度的太阳热以热量传递的方式注入热力循环。太阳能与化石燃料的热化学互补是将太阳热与化石燃料重整、裂解等不同燃料转化反应过程结合,使太阳能转化为燃料化学能,再同热力循环集成共同实现热功转换。

 

“目前制约太阳能热发电发展的主要技术障碍是聚光成本较高,在不稳定太阳辐照下的系统光学效率和热功转换效率低,因此太阳能发电规模难以实现突破。与前者相比,热化学互补发电的聚光要求低,效率可提高一倍,因而前景更诱人。”金红光说。

 

互补发电新方向

 

国际上,高温太阳能与化石燃料热化学互补发电系统仅有20年左右的研究历程,主要着眼于摄氏900度至1200度左右的高温太阳热化学与天然气互补的转化和利用。研究也多集中在二次聚光的高温聚光镜、太阳能热化学反应器等部件性能的提高和相关催化剂的研发。一方面将太阳能转化为高密度燃料化学能;另一方面化石燃料可以从高碳组分变为低碳的太阳能二次燃料。这样,不仅可以远距离输运和长时存储太阳能,而且化石燃料转化二次燃料的燃烧只产生较少的污染物。

 

2003年,德国启动了国家能源计划,开展太阳能重整甲烷—燃气蒸汽复合热发电系统示范项目研究工作。德国宇航实验室(DLR)与以色列Weizmann研究所共同开展了300千瓦太阳能甲烷重整集热反应器的研究。瑞士在国家ETH计划和PSI研究中心资助下,开展更具广泛性的太阳能—天然气与氧化锌重整的能源环境系统研究。但这种高温太阳能热化学互补发电依赖于高聚光比(近千倍聚光)和不稳定的太阳能能流密度,难以低成本大规模应用。

 

2000年以来,在国家自然科学基金资助下,金红光团队对太阳能热发电系统中能的梯级利用问题,光辐照、集热、热力循环三者间能的品位和相互利用机制,太阳能和其他能源互补的系统集成等问题进行了研究,阐明了太阳能与化石能源互补的综合利用原理,提出以中低温太阳能驱动替代燃料的吸热反应,将其转化为高品位的太阳能燃料,进而通过燃烧和热力循环实现太阳热和替代燃料的梯级利用。

 

该研究不仅改变了化石燃料直接燃烧的做法,还革新了太阳能简单光热发电的方式。相关论文发表后,获得国际学术会议最佳论文奖。ASME Solar Energy杂志前主编、瑞士苏黎世工学院教授Aldo Steinfeld评价说:“该研究原创性地建立了评价太阳能中低温利用过程的理论框架,精辟地应用了热力学。”

 

“国际上相关的研究主要集中在高温太阳能热化学互补发电领域,就中低温太阳能热化学发电方面,我们的研究是原创的,是一个新方向。”金红光说。

 

商业化的黎明

 

“我们在通州建的热化学互补发电设备已经能够发电,从技术上来说只要对原来大型电厂的设备进行些改造即可实现互补发电,现在完全可以商业化。”金红光说,“但和传统热力发电相比成本略高,目前缺乏相关产业政策的鼓励扶持,太阳能互补发电正处于商业化的黎明。”

 

为了加速和推进高效、低成本太阳能热互补发电技术的发展,该团队提出利用廉价、成熟的槽式聚光镜聚集摄氏200度至300度太阳热,不仅对降低太阳能互补发电投资成本具有巨大潜力,而且太阳能净发电峰值效率能达到35%,比德国宇航实验室提出的高温太阳能与天然气重整发电系统高5个百分点,比传统太阳能单独热发电系统效率高15~20个百分点。

 

中科院工程热物理所分布式供能与可再生能源实验室研究团队通过研制国际首套中低温太阳能吸收—反应器(5千瓦),试验验证了中低温太阳能品位提升方法与机理,建立了10千瓦太阳能热化学发电装置,并初步完成了国际首套100千瓦热化学发电系统设计。并发明了中低温太阳能与化石燃料热互补的发电系统和冷热电分布式供能系统。该研究引领了国际上太阳能中低温热化学与化石燃料互补研究的新方向,为发展我国具有自主知识产权的太阳能先进能源系统技术、推动能源可持续发展与节能减排提供了新途径。

 

近5年,该团队以科学基金为牵引,又承担了国家“863”、“973”等项目,开展了太阳能热发电关键技术攻关,对我国近中期实施低成本、规模化的高效太阳能与化石能源互补发电工程建设提供了重要科学依据。

 

“不同类型的项目有不同的作用,科学基金更关注基础问题和机理研究,在该领域基础理论支撑上,发挥了不可替代的作用。”金红光说。
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