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什么是“聚光儲熱”?

什么是“聚光儲熱?“聚光儲熱是由“聚光” 與“儲熱”兩部分組成。簡單說來“聚光”就是將太陽光聚焦,用以加熱介質,取得高溫熱能;而“儲熱”就是將高溫熱能儲存起來,等需要時候取出使用。

 “聚光”裝置有三個作用:(一)跟蹤太陽,(二)聚焦(形成焦線或焦點),(三)吸光輸熱。太陽一天從東向西不停運動,拋物面要保持正向太陽,不得不跟著太陽旋轉,這就是所謂的跟蹤。拋物面有所謂的法線方向(沿拋物面底點到焦點的方向),太陽光線需要與法線平行才會聚焦,形成明顯焦點。除了跟蹤之外,聚光裝備還得有吸光與輸熱設置。吸光是將焦點的光能轉為熱能,然后由流動介質(導熱油、熔鹽、水等)將熱能輸出。在輸熱與儲熱使用同一介質(就像熔鹽)的情況下,高溫介質可以直接進入儲熱庫儲存。儲熱庫的體積決定儲量,面積決定熱損失,所以體積/面積之比越大儲熱效率才會越高。儲熱庫體積大,自然聚光場的面積也得跟著增大,才能生產足夠的能量用于儲存。這是說“聚光儲熱” 需要有一定規模才能有效儲熱。

 “聚光儲熱” 設置種類是由聚光方式決定,分有焦線與焦點二種。焦線分有槽式(Parabolic Trough)與菲涅爾式(LinearFresnel)、聚光比在50-80、可達熱能溫度大約500℃ 上下。焦點分有塔式(Central Receiver)與碟式(Dish)、聚光比在600-3500、熱能溫度可以> 1000℃。如下圖所示(引自DLR光熱報告)

 

 什么是“熔鹽儲熱”? 

簡單介紹儲熱所用熔鹽。熔鹽低于250℃就會凝固,高過 600℃就會分解,所以一般工作溫度是在 290 - 565℃ 范圍內。一般使用高溫熔鹽,熔鹽腐蝕性是個令人擔心的問題。這種用于儲熱硝酸熔鹽腐蝕性不強,材料選擇上沒有太大困難。 

硝酸鹽混合物:硝酸鈉(NaNO3):60% w,硝酸鉀(KNO3):40% w,如下圖: 

這種儲熱熔鹽被農業大量用作肥料,帶硝酸基的氮肥。熔鹽沒有毒性、合乎環保要求、可以安心使用,在輸熱與儲熱上都有良好的熱工性質。還有比較好穩定性:

大于500°C開始有分解反應(700°C以上情況嚴重)

NaNO3->NaNO2 +0.5O2

KNO3->KNO2 +0.5O2

大于700°C開始有分解反應

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

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

 美國塔式 Solar Two興建的主要目的就是為了實驗熔鹽儲熱。結果、實驗證明了聚光所得熱能可以十分有效地(儲熱效率>98%)以高溫熔鹽(約600℃)儲存起來。儲熱庫分冷熱兩庫。熔鹽從冷庫流経塔式頂端吸光器加熱后送進熱庫儲存。等需要熱能時,熱庫熔鹽流経換熱后回到冷庫。換熱生產過熱蒸氣,用以帶動渦輪機組發電。Solar Two為熔鹽應用奠下了基確,開創了“聚光儲熱”新紀元。

西班牙Andasol 槽式發電站。Andasol 是槽式中最先使用非直接熔鹽儲熱的設置。非直接是說輸熱與儲熱所使用不是同一介質,所用輸熱介質是導熱油,而儲熱介質是熔鹽。運作溫度為導熱油所限 < 400℃,未能達到熔鹽工作上限600℃。圖中兩大紅色園桶建筑就是興建中的儲熱庫。 

Andasol 熔鹽儲熱庫內部。儲熱分有熱庫(< 400℃)與冷庫(> 290℃)。儲熱庫直徑36m、高14m。熔鹽從冷庫流出,経由聚光場輸熱而來的導熱油加熱后流進熱庫儲存。需要熱能時,熔鹽自熱庫流回冷庫,中間経過換熱釋放熱能給用于發電的過熱蒸氣。熱庫可用熱能儲量為 1.2GWht,可供以50MWe功率發電 7.5 小時。

 

 總之,“聚光儲熱”大致可由五個部分所組成

1)  跟蹤——使得大型反射鏡在收集直射太陽光能時、正對太陽;

2)  聚焦—— 拋物面反射鏡將直射太陽光聚焦,增加光能密度;

3)  吸光輸能——焦點或焦線上經由吸光器將高密度光能轉為高溫熱能,由高溫介質將熱能輸出;

4)  儲熱—— 高溫介質將熱能送入大規模儲熱庫儲存;

5)  換熱—— 儲熱庫高溫介質外流,經換熱將熱能釋放作應用。


 “聚光儲熱”工作步驟 :跟蹤、聚焦、吸光輸熱、儲熱與換熱。高溫熱能可以發電上電網,余熱上中溫熱網。高溫熱能也可以直接上高溫熱網以供熱工業。

 

“聚光儲熱”可以“替換化石能源”,我們可以問為什么會有如此力量?說來就是“聚光儲熱”有“聚”與“儲”兩個作用。 “聚”提升了能量密度,使得太陽能得以生產高溫熱能,彌補了太陽能能量密度過低缺點。 “儲”是借儲熱來彌補太陽能的波動與間歇性。其實、波動是因為大氣層的變化、而間歇與季節是由于地球以斜軸自轉之故,毛病出自地球本身,有些竟冤枉了太陽。不管怎樣說,“聚光儲熱”彌補了太陽能在應用上二大缺點。當然、“聚光儲熱”也遠遠不夠完美,其弱處在成本高、規模大,應用不方便,好比熱能不能輸遠,必須將就太陽熱源所在。下圖為煤碳、光伏與“聚光儲熱”在應用特性上之對比:

 

“聚光儲熱”彌補了太陽能兩大缺點,在龐大的太陽能支持下,加上本身就是高溫熱源,才能擠身成為主力能源。主力能源必須要像化石能源一樣既供電也供熱。因為主要應用像工業能耗,在需求里有四分之三是熱能,所以供熱比供電重要?!熬酃鈨帷笔菬犭娂骖?,還能儲能。我們注意“聚光儲熱”也與核電不同,核電祗供電而不供熱,因此核能只能算是主流電源,而不是主力能源。

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