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同样是太阳能发电,为什么光热发电一直“默默无闻”?

时间:2022-11-06 07:58:05 | 浏览:1457

出品:科普中国制作:陈劲涛、陈琳(中国工程热物理学会)监制:中国科学院计算机网络信息中心在已知的清洁能源中,太阳能无疑是目前地球上可以开发的、储量最多的可再生能源。提起太阳能利用,大家首先会想到的是光伏发电,毕竟,太阳能汽车、太阳能充电宝等

出品:科普中国

制作:陈劲涛、陈琳(中国工程热物理学会)

监制:中国科学院计算机网络信息中心


在已知的清洁能源中,太阳能无疑是目前地球上可以开发的、储量最多的可再生能源。提起太阳能利用,大家首先会想到的是光伏发电,毕竟,太阳能汽车、太阳能充电宝等我们在平常生活中就可以看到。其实,太阳能还有另一种利用方式,太阳能光热发电。


了解光热,记住光热

光伏发电、光热发电,都是利用太阳能发电,差别在于,利用的原理不同。

光生伏特效应是太阳能光伏发电的基本原理,而太阳能电池是完成太阳能到电能转换的载体。太阳能电池是一种含有P-N结的半导体材料,P-N结可以吸收太阳光,并在内部建立电场,当在电场两侧接入一定的负载时,负载上就会产生电流,整个过程就是太阳能光伏发电的基本原理。

而太阳能光热发电的原理是,通过反射镜将太阳光汇聚到太阳能收集装置,利用太阳能加热收集装置内的传热介质(液体或气体),再加热水形成蒸汽带动或者直接带动发电机发电。

简要来说,太阳能光热发电分为三个环节,集热环节、利用太阳能加热导热介质、最后通过导热介质带动发动机发电。而相应的针对各个环节,都有不同的方法进行科学的不断尝试来形成最优设计,如:集热环节主要有槽式、塔式、碟式、涅菲尔式等4种;导热工质一般采用水、 矿物油或者熔盐;最后可通过水蒸汽朗肯循环、CO2布雷顿循环或者斯特林发动机等发电。

那么太阳能光热发电究竟是怎么运行的呢?我们将用一个已经投入运作的示范项目进行详细说明。

△图片来源:参考资料1

首先,这种太阳能电厂由定日镜组成。定日镜受电脑的控制,跟随太阳转动,可以将一天的日光都反射到中心点。定日镜占地面积小,可以被单独放置,并且无需深固的地基就可以适应地形。发电厂包括成百上千的定日镜,它们可以通过WIFI互相连接以提高效率,将阳光反射聚集到塔顶上一个叫做接收器的大型热交换器上。

△图片来源:参考资料1

在接收器内,熔盐流体可通过管道的外壁吸收聚集在此处的阳光中的热量。在此项技术中,熔盐能从500华氏度被加热到1000华氏度以上。因为熔盐在熔融态下可保持较宽的工作温度范围,允许系统在低压工况下,出色、安全地实现能量的吸收和存储,所以它是一种理想的吸热介质。

△图片来源:参考资料1

经过吸热器后,熔盐沿着塔内的管道向下流动,然后进入储热罐。

△图片来源:参考资料1

之后,能量以高温熔盐的形式被存储下来以备不时之需。该技术的优点是液态熔盐既可以收集能量,还可以将能量收集与发电分离。

△图片来源:参考资料1

当白天或晚上需要用电时,水箱中的水和高温熔盐分别流入蒸汽发生器,从而产生蒸汽。

△图片来源:参考资料1

一旦熔盐用于产生蒸汽后,冷却的熔盐经管道回冷储罐,然后再次流回吸热器,随着过程的继续重新被加热。

△图片来源:参考资料1

蒸汽在驱动汽轮机之后,会被冷凝回水,然后返回储水箱,必要时它将流回蒸汽发生器。

△图片来源:参考资料1

这样高质量的过热蒸汽驱动汽轮机以最高效率运行,以便在用电需求高峰时段产生可靠持续的电力。蒸汽产生的过程与常规火电或核电厂中的过程相似,不同点是完全可再生的且废料和有害排放为零。即使天黑了,电厂仍可按需从可再生的太阳能中提供可靠的电力。

△图片来源:参考资料1

以上就是一组太阳能光热发电系统整个的运作过程,不知道大家有没有对光热发电有更深入的了解呢?

那么,同样是太阳能发电,为什么光热发电一直“默默无闻”?光热发电明明在科学界中具有一定的探索价值,为什么在人类的日常生活中却没有得到广泛的应用呢?


光热发电vs光伏发电,二者孰优孰劣?

同一种能源的利用,却产生了不一样的亲民性,这是与光热发电和光伏发电各自的优劣势是分不开的。

从集热环节思考,光热发电对于应用地域的要求是高于光伏发电的。光热发电顾名思义就是以热度为标准,需要高温度的辐照,而光伏发电对热度一般没有那么高的要求。我们所适应居住的地点,太阳能辐射强度不足以用于建设光热电站。因此在日常生活中,我们对于光热发电并不熟悉。

从导热介质环节思考,光热发电所使用的熔盐等物质,成本低、价值高、可持续利用,是优于高成本、低寿命的光伏电池的。因此,光热发电的能量储存能力远高于光伏发电。同时,光热发电由于储能效果好,在接入电网时,受到天气环境因素的影响就会小,对电网负荷波动的响应会低。因此,在发电的可调度性上,光热发电更优于光伏发电。

从导热介质带动发动机发电环节思考,光伏发电只需要进行光电转化,而光热发电是经过光电转化后还要进行光热的转化,可见光热的发电步骤更复杂。

不过,光热发电多出的一个环节可应用于其他方面。例如光热发电产生的热度可以降低海水盐度,淡化海水,同时也可以应用于工业生产中。这说明光热发电比光伏发电的应用领域更广。

但同时,多经历一个环节,对科学技术掌握的要求也就更高,运用到实际工程领域的难度也就越大。光热发电难度高于光伏发电,且我国的光热发电研发起步也晚于光伏发电,因此,光热发电的技术仍然在不断健全和完善中。

正所谓原理产生差异,因此各有优劣。那就更需要相互努力,光热发电和光伏发电还有很长的路要走。


道阻且长,未来仍需努力

对于当前能源、资源和环境等问题来说,太阳能源是一种十分有效的解决途径。自太阳能被发现利用以来,能源短缺的现象得到了一定程度的缓解,太阳能的各种优点特性使其在众多能源领域中具有无可替代的地位。

作为两种主要的太阳能利用方式,太阳能光热发电技术与太阳能光伏发电技术优势不同,应用领域也不同,有各自的优势和发展前景。在太阳能发电发展比较好的地方,应该既有光热发电系统,又有光伏发电系统。长期来看,两者是互补关系。

虽然光热发电技术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、应用范围、存储状况这些方面,光热发电都是相对较优选择。我们有理由相信,总有一天,无论是太阳能光伏发电技术还是太阳能光热发电技术都将会成为人类科技持续、协调,稳定发展的支柱。


参考资料:

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

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