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        科普與教育

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        同樣是太陽能發電,為什么光熱發電一直“默默無聞”?

        發布日前: 2020-12-10 瀏覽次數:5292

        出品:科普中國

        制作:陳勁濤、陳琳

        監制:中國科學院計算機網絡信息中心


        在已知的清潔能源中,太陽能無疑是目前地球上可以開發的、儲量最多的可再生能源。提起太陽能利用,大家首先會想到的是光伏發電,畢竟,太陽能汽車、太陽能充電寶等我們在平常生活中就可以看到。其實,太陽能還有另一種利用方式,太陽能光熱發電。

         

        了解光熱,記住光熱

        光伏發電、光熱發電,都是利用太陽能發電,差別在于,利用的原理不同。

        光生伏特效應是太陽能光伏發電的基本原理,而太陽能電池是完成太陽能到電能轉換的載體。太陽能電池是一種含有P-N結的半導體材料,P-N結可以吸收太陽光,并在內部建立電場,當在電場兩側接入一定的負載時,負載上就會產生電流,整個過程就是太陽能光伏發電的基本原理。

        而太陽能光熱發電的原理是,通過反射鏡將太陽光匯聚到太陽能收集裝置,利用太陽能加熱收集裝置內的傳熱介質(液體或氣體),再加熱水形成蒸汽帶動或者直接帶動發電機發電。

        簡要來說,太陽能光熱發電分為三個環節,集熱環節、利用太陽能加熱導熱介質、最后通過導熱介質帶動發動機發電。而相應的針對各個環節,都有不同的方法進行科學的不斷嘗試來形成最優設計,如:集熱環節主要有槽式、塔式、碟式、涅菲爾式等4種;導熱工質一般采用水、 礦物油或者熔鹽;最后可通過水蒸汽朗肯循環、CO2布雷頓循環或者斯特林發動機等發電。

        那么太陽能光熱發電究竟是怎么運行的呢?我們將用一個已經投入運作的示范項目進行詳細說明。

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        圖片來源:參考資料1


        首先,這種太陽能電廠由定日鏡組成。定日鏡受電腦的控制,跟隨太陽轉動,可以將一天的日光都反射到中心點。定日鏡占地面積小,可以被單獨放置,并且無需深固的地基就可以適應地形。發電廠包括成百上千的定日鏡,它們可以通過WIFI互相連接以提高效率,將陽光反射聚集到塔頂上一個叫做接收器的大型熱交換器上。

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        圖片來源:參考資料1


        在接收器內,熔鹽流體可通過管道的外壁吸收聚集在此處的陽光中的熱量。在此項技術中,熔鹽能從500華氏度被加熱到1000華氏度以上。因為熔鹽在熔融態下可保持較寬的工作溫度范圍,允許系統在低壓工況下,出色、安全地實現能量的吸收和存儲,所以它是一種理想的吸熱介質。

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        圖片來源:參考資料1


        經過吸熱器后,熔鹽沿著塔內的管道向下流動,然后進入儲熱罐。

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        圖片來源:參考資料1


        之后,能量以高溫熔鹽的形式被存儲下來以備不時之需。該技術的優點液態熔鹽可以收集能量,還可以將能量收集與發電分離。

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        圖片來源:參考資料1


        當白天或晚上需要用電時,水箱中的水和高溫熔鹽分別流入蒸汽發生器,從而產生蒸汽。

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        圖片來源:參考資料1


        一旦熔鹽用于產生蒸汽后,冷卻的熔鹽經管道回冷儲罐,然后再次流回吸熱器,隨著過程的繼續重新被加熱。

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        圖片來源:參考資料1


        蒸汽在驅動汽輪機之后,會被冷凝回水,然后返回儲水箱,必要時它將流回蒸汽發生器。

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        圖片來源:參考資料1


        這樣高質量的過熱蒸汽驅動汽輪機以最高效率運行,以便在用電需求高峰時段產生可靠持續的電力。蒸汽產生的過程與常規火電或核電廠中的過程相似,不同點是完全可再生的且廢料和有害排放為零。即使天黑了,電廠仍可按需從可再生的太陽能中提供可靠的電力。

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        圖片來源:參考資料1


        以上就是一組太陽能光熱發電系統整個的運作過程,不知道大家有沒有對光熱發電有更深入的了解呢?

        那么,同樣是太陽能發電,為什么光熱發電一直“默默無聞”?光熱發電明明在科學界中具有一定的探索價值,為什么在人類的日常生活中卻沒有得到廣泛的應用呢?

         

        光熱發電vs光伏發電,二者孰優孰劣?

        同一種能源的利用,卻產生了不一樣的親民性,這是與光熱發電和光伏發電各自的優劣勢是分不開的。

        從集熱環節思考,光熱發電對于應用地域的要求是高于光伏發電的。光熱發電顧名思義就是以熱度為標準,需要高溫度的輻照,而光伏發電對熱度一般沒有那么高的要求。我們所適應居住的地點,太陽能輻射強度不足以用于建設光熱電站。因此在日常生活中,我們對于光熱發電并不熟悉。

        從導熱介質環節思考,光熱發電所使用的熔鹽等物質,成本低、價值高、可持續利用,優于高成本、低壽命的光伏電池。因此,光熱發電的能量儲存能力遠高于光伏發電。同時,光熱發電由于儲能效果好,在接入電網時,受到天氣環境因素的影響就會小,對電網負荷波動的響應會低。因此,在發電的可調度性上,光熱發電更優于光伏發電。

        從導熱介質帶動發動機發電環節思考,光伏發電只需要進行光電轉化,而光熱發電是經過光電轉化后還要進行光熱的轉化,可見光熱的發電步驟更復雜。

        不過,光熱發電多出的一個環節可應用于其他方面。例如光熱發電產生的熱度可以降低海水鹽度,淡化海水,同時也可以應用于工業生產中。這說明光熱發電比光伏發電的應用領域更廣。

        但同時,多經歷一個環節,對科學技術掌握的要求也就更高,運用到實際工程領域的難度也就越大。光熱發電難度高于光伏發電,且我國的光熱發電研發起步也晚于光伏發電,因此,光熱發電的技術仍然在不斷健全和完善中。

        正所謂原理產生差異,因此各有優劣。那就更需要相互努力,光熱發電和光伏發電還有很長的路要走。

         

        道阻且長,未來仍需努力

        對于當前能源、資源和環境等問題來說,太陽能源是一種十分有效的解決途徑。自太陽能被發現利用以來,能源短缺的現象得到了一定程度的緩解,太陽能的各種優點特性使其在眾多能源領域中具有無可替代的地位。

        作為兩種主要的太陽能利用方式,太陽能光熱發電技術與太陽能光伏發電技術優勢不同,應用領域也不同,有各自的優勢和發展前景。在太陽能發電發展比較好的地方,應該既有光熱發電系統,又有光伏發電系統。長期來看,兩者是互補關系。

        雖然光熱發電技術由于某些原因的限制不被大家所熟知,但是在成本、能源的消耗、應用范圍、存儲狀況這些方面,光熱發電都是相對較優選擇。我們有理由相信,總有一天,無論是太陽能光伏發電技術還是太陽能光熱發電技術都將會成為人類科技持續、協調,穩定發展的支柱。

         

        參考資料:

        1、https://v.qq.com/x/page/u0516v5d3mi.html

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