太阳能发电.pdf

首先介绍一下大规模太阳能发电厂的发电方式 阳能热发电是利用集热器将太阳辐射能转换成热能并通过热力循环过程进行发电，是太阳能热利用的重要方面。8O 年代以来美、欧、澳等国相继建立起不同型式的示范装置，促进了热发电技术的发展。世界现有的太阳能热发电系统大致有三类：槽式线聚焦系统、塔式系统和碟式系统。（1）槽式线聚焦系统。该系统是利用抛物柱面槽式反射镜将阳光聚焦到管状的接收器上，并将管内传热工质加热，在换热器内产生蒸汽，推动常规汽轮机发电。Luz 公司 198O 年开始开发此类热发电系统，5 年后实现了商业化。1985 年起先后在美国加州的 Mojave 沙漠上建成 9 个发电装置，总容量 354 兆瓦，年发电总量 10.8 亿千瓦时。9 个电站都与南加州爱迪生电力公司联网。随着技术不断发展，系统效率由起初的 11.5%提高到 13.6%.建造费用由 5976 美元/千瓦降低到 3011 美元/千瓦，发电成本由 26.3 美分/千瓦时降低到 12 美分/千瓦时。（2）塔式系统。塔式太阳能热发电系统的基本型式是利用一组独立跟踪太阳的定日镜，将阳光聚集到一个固定在塔顶部的接收器上，用以产生高温。80 年代初，美国在南加州建成第一座塔式太阳发电系统装置-SolarOne.起初，太阳塔采用水一蒸汽系统，发电功率为 10 兆瓦。1992 年 SolarOne 经过改装，用于示范熔盐接收器和储热系统。由于增加了储热系统，使太阳塔输送电能的负载因子可高达 65%.熔盐在接收器内由 288加热到 565，然后用于发电。第二座太阳塔 SolarTwo 于 1996 年开始发电，计划试运行三年，然后进行评估，SolarTwo 发电的实践不仅证明熔盐技术的正确性，而且将进一步加速 3O200 兆瓦范围的塔式太阳能热发电系统的商业化。以色列 Weizmanm 科学研究所最近正在对塔式系统进行改进。利用一组独立跟踪太阳的定日镜，将阳光反射到固定在塔的顶部的初级反射镜-抛物镜上，然后由初级反射镜将阳光向下反射到位于它下面的次级反射镜-复合抛物聚光器（CPC），最后由 CPC 将阳光聚集在其底部的接收器上。通过接收器的气体被加热到 1200，推动一台汽轮发电机组，500左右的排气再用于推动另一台汽轮发电机组，从而使系统的总发电效率可达到 25%28%.由于次级反射镜接收到很强的反射辐射能，因而 CPC必须进行水冷。目前整个实验仍处于安装、调试阶段。（3）碟式系统。抛物面反射镜/斯特林系统是由许多镜子组成的抛物面反射镜组成，接收器在抛物面的焦点上，接收器内的传热工质被加热到 75O左右，驱动发动机进行发电。美国热发电计划与 Cummins 公司合作，1991 年开始开发商用的 7 千瓦碟式/斯特林发电系统，5 年投入经费 1800 万美元。1996 年 Cummins 向电力部门和工业用户交付 7 台碟式发电系统，计划 1997 年生产 25 台以上。Cummins 预计 10 年后年生产超过 1OOO 台。该种系统适用于边远地区独立电站。美国热发电计划还同时开发 25 千瓦的碟式发电系统。25 千瓦是经济规模，因此成本更加低廉，而且适用于更大规模的离网和并网应用。1996 年在电力部门进行实验，1997 年开始运行。由于碟式/斯特林系统光学效率高，启动损失小，效率高达 29%,在三类系统中位居首位。（4）三种系统性能比较。三种系统目前只有槽式线聚焦系统实现了商业化，其他两种处在示范阶段，有实现商业化的可能和前景。三种系统均可单独使用太阳能运行，也可安装成燃料混合系统 2008 年美国开始计划建造大型太阳能斯特林发电场 这是一篇 2008 年 7 月的报道 近三年前，南加利福尼亚的两家公用服务公司宣布，要向位于亚利桑那州凤凰城的斯特林能源系统公司（Stirling Energy Systems）即将建造的大型太阳能发电场购买多达 17.5 亿瓦特的电，当时引起了一番轰动。此前，斯特林能源系统公司已经研发了斯特林太阳能盘，这种太阳能盘高 38 英尺（约 11.6 米），宽 40 英尺（约 12.2 米），表面镶着镜子，看起来像反光的大型卫星接收器。太阳能盘把太阳光聚集在斯特林发电机上，太阳光能加热氢气，推动活塞从而发电。要实现此计划，就需要 7 万个这样的太阳能盘覆盖沙漠地区。两家购电的公司分别是南加州爱迪生公司（Southern California Edison）和圣地亚哥燃气与电力公司（San Diego Gas&Electric）。根据加利福尼亚州的规定，这两家公司都要在 2010 年前把可再生能源在电力使用中的比例上调到 20。对于它们而言，这个购电计划无疑是场赌博。一年又一年过去了，斯特林还在对技术进行修修补补，可是像 Ausra,BrightSource Energy 和 Solel 这些竞争对手都已经纷纷崭露头角，抢尽风头。这几家公司都与太平洋燃气和电力公司（PG&E）签订了合同，还向加利福尼亚州的监管机构申请建造太阳能发电厂。2007 年 3 月，我走访了斯特林公司位于新墨西哥州的测试场地。当时业内人士告诉我（当然只是私下评论）：斯特林注定失败，它的太阳能盘太复杂太昂贵了，拼不过更为传统的太阳能技术。这样的说法也许对，也许不对，但是斯特林公司最近的行动已经让唱反调的人哑口无言。斯特林已经向加利福尼亚能源委员会申请许可证，计划建造它的第一个，也是世界最大的一个太阳能发电厂。建成后工厂将拥有 30,000 个太阳能盘以及 750 兆瓦的发电功率，发电厂将建在圣地亚哥以东 100 英里（约 161 公里）的地方，这片联邦所属的土地由美国土地管理局控制，占地6,100 英亩（约 24.69 平方公里）。（向能源委员会提出的申请是一份非常详细也非常昂贵的文件，人们把这份文件看成是一个项目有必要资金的标志；斯特林公司的申请书长达 2,600 页。）斯特林公司的太阳能二号项目第一阶段将利用 12,000 个太阳能盘，为圣地亚哥燃气与电力公司提供 300 兆瓦的电能。比起其他太阳能热利用技术（技术原理是利用镜子加热液体，从而产生蒸汽，推动标准的发电涡轮机），以及屋顶上常见的太阳能光伏板，斯特林太阳能盘相对更为复杂，所包含的可动零件也更多，但是这种太阳能盘也有些明显的优势。首先，这是最高效的太阳能热利用技术，阳光到电力的转化率高达 31.25。每一个 25 千瓦的太阳能盘其实就是一个自成体系的小型发电厂，一旦安装完毕，就能马上发电赚钱。斯特林公司将分组建造太阳能盘，每组 60 个盘，功率 1.5 兆瓦，每组并网发电后马上能为自己赚回成本。而传统的太阳能热利用发电厂就必须等到建设完工后才能开始发电，这往往要等上一两年，工厂越大，时间越长。另外，比起其他太阳能热利用发电厂，功率为 750 兆瓦的斯特林项目所消耗的水量也更少，而水在沙漠里可不是小问题。据斯特林公司称，太阳能二号项目将消耗 33 英亩英尺（约 40,705.5 立方米）的水，用来清洗太阳能盘上的镜子，这样的水量相当于南加州 33 户人家每年的用水量。相比之下，根据公司申请表的数据显示，BrightSource Energy 公司建造的太阳能发电厂只有斯特林发电厂的一半规模，每年却需要 100 英亩英尺（约 123,350 立方米）的用水量；Ausra 公司的发电厂功率为 177 兆瓦，却需要 22 英亩英尺（约 27,137 立方米）的水。然而，斯特林还要克服一些巨大的障碍。尽管它在 4 月份已经成功得到爱尔兰可再生能源公司 NTR 高达 1 亿美元的投资，可是要完成太阳能二号项目，公司仍然需要数十亿美元的资金。项目第二阶段将实现 450 兆瓦的功率，但前提是圣地亚哥燃气与电力公司能完成备受争议的新输电线的建造，这条输电线穿越沙漠，名为“日出电线”（Sunrise Powerlink）。工程还没被批准，估计最早要等到 2009 年才能动工，将耗时三年多。另外一个重大的未知数是环保方面的压力。在离斯特林太阳能二号工程选址不到 10 英里（约 16 公里）的地方，还有人提出在土地管理局控制下的另外 51,457 英亩（约 208 平方公里）土地上建造太阳能发电厂。另外，还要考虑野生动物的问题。在斯特林的选址上，已经发现了好几种被加州列为“特别关注物种”的动物，包括穴鸮、扁尾角蜥，还有加州角百灵。无论怎样，这对斯特林来说是很大的进步。加利福尼亚州州长阿诺德施瓦辛格（Arnold Schwarzenegger）曾公开表示，“这是一个前所未有的太阳能项目，是加州可再生清洁能源生产的典范，只要再接再厉，加州一定能实现长期的能源目标和应对气候变化的目标。”和核电的比较 太阳能斯特林发动机，保证中国能源独立性 作者：冯忠华博士、中文翻译：林光前 二十四年前，本人在中国上海召开的第二次斯特林发动机国际会议上发表主题 演讲，题为【斯特林发动机在中国未来发展的美好前景】。当时我的身份是美国 斯特林发动机研发伙伴有限公司的主要负责人和中国科学院热物理研究所的访问 顾问。我在演说中宣布，由美国斯特林发动机研发伙伴有限公司负责安排，美国 机械科技股份有限公司的斯特林发动机技术将转让给中国。请参考附上的本人在 斯特林发动机国际会议的讲话稿的封面、上海船用柴油机研究所和美国斯特林发 动机研发伙伴有限公司签订的技术转让协议书。过去的 20 多年，全球工程界在斯特林发动机的应用上已经取得长足的进步，产生了各种新的名称，或被称为热气机或外燃机。后者目的是区别著名的内燃机。现在，无论深海、地球表面及太空都可看到斯特林发动机的工作踪迹。因为该发 动机从外部加热产生机械动力，使用的燃料，形式或来源几乎无限。可用太阳能、化石燃料、核燃料，废热和就地取材的各种形式的热能，引起人们的特别兴趣。总有一天我们会发现，植入人体的人工心脏，用核同位素斯特林发动机搏动，不 需加油或充电。推动斯特林发动机的最佳外热源，毫无疑问是太阳能。相对传统的内燃机，以 太阳能作为斯特林发动机的动力，其运作原理十分简单，从生态和可再生的角度，他们是最佳组合。与内燃机相比，斯特林发动机在应用方面可尽量小型化，没有 阀门，不用气化和点火系统，成本最低。工作气体被密封在斯特林发动机里，发 动机汽缸从外部加热。太阳能斯特林发动机绝对不需要传统内燃机的进气和排气 阀门。因此，尽管斯特林发动机机械效率很高，却很简单。最重要的是，由于其 高热能集聚能力，相较太阳能光伏发电板，它更适合大型电力事业。本文撰写之日，两个最大的太阳能斯特林发动机电力厂仍在建设中。太阳能发 电一厂由美国南加州爱迪生公司在加州莫哈韦沙漠兴建，太阳能发电二厂则由圣 地牙哥燃气和电力公司在南加州皇县兴建。两个项目的功率和设计发电量说明如 下：一厂规模：50 万千瓦（足 30 万家庭用电），将扩大到 85 万千瓦。使用 2 万3.4 万个碟型斯特林系统 购电合同：20 年 厂址在加州巴石头以东的莫哈韦沙漠 二厂规模：30 万千瓦，将扩大到 90 万千瓦。使用 1.2 万3.6 万个碟型斯特林系统 购电合同：20 年 厂址在南加州皇县 一厂的第一阶段 50 万千瓦项目，计划 2009 年底建成投产。投产后，将成为 世界上最大的太阳能公用事业发电厂。问题是，大型太阳能斯特林发电技术如何 及能否好得足以取代现有可再生能源和常规燃料发电厂的技术？“确实好得很！”答案是响亮的。否则，作为经验丰富的公用事业发电厂的业主，南加州爱迪生 公司和圣地亚哥燃气和电力公司不会急于埋头这两个庞大的项目。在今天原油价 格徘徊于每桶 150 美元的形势下，两个项目已经没有内幕，而是更轻易地成为他 们的选择。本人在此就他们可能采取的理性推理，试作解释如下。首先，两个太阳能斯特林发动机项目所采用的称为阳光接收器的技术，光电转 换率达 31.25，保持着太阳能发电技术的最高效世界纪录，是一种高度集聚利用 太阳能的技术，远远超过任何竞争对手。阳光接收器每个高 38 英尺，宽 40 英尺，能产生 25 千瓦的电力，意味着它发出的每度电所需空间要比光伏发电少得多。太 阳能光伏发电板占地大、电价高、效率比太阳能斯特林发动机低 10，在竞争大 型公用事业供电技术时被取消资格。上述公用事业供电计划小组审查过一个最大 的太阳能光伏发电计划，发现这个 8 万千瓦能为五万家庭供电的太阳能光伏电厂，其设计发电量只有上述一厂或二厂发电规模的十分之一。一厂和二厂全部竣工后，发电量达 175 万千瓦，相当于两个大型核电厂，能为 93 万个家庭供电。斯特林发动 机系统的发电量是相同投资规模的光伏发电的 5 倍。鉴于中国正着手发展一系列的 核电厂，让我们将核电厂和太阳能斯特林发动机发电厂作比较。由于防核辐射和泄漏的严格监管条例，所有核电厂都必须安置在强化遏制泄漏 的室内。所有的冷、热水循环系统都必须严密保护。因此，核电厂的成本实际上 高于同规模矿物燃料发电厂，建设周期也过长。尽管所有核电厂都设计了安全系 数，机械故障和人为失误仍在所难免。如美国三哩岛意外和俄罗斯的切尔诺贝利 事故就是例子，后果让人无法接受。因目前中国人均电耗不到美国的十分之一，肯定需要更多电力。有朝一日中国人均耗电量赶上美国，将是一种什么样的前景 呢？发电需要巨额能量，太阳能斯特林发动机系统在与中国和其它大国选择的核电 厂和可再生能源的优势对比中遥遥领先。加州为斯特林发动机投赞成票更让其声 名鹊起。中国不该观望。三哩岛事故三十多年来，美国一再推迟核电厂的建设，值得赞扬。有着巨大太阳能潜力的大国如美国、巴西和中国，只需很少核电厂则 可。在中国建 30 多个核电厂，实乃匪夷所思。先不说成本可怕，即使最为边远的 核电厂熔垮，也是后果不堪设想，不负责任的。我曾在田纳西谷核电厂销售时任 中国国家核能公司的代表（请见所附我和核能公司的合同）。三哩岛和切尔诺贝 利的噩梦依然困扰着我。斯特林发动机使用普通热能，生产的是可再生能源，规模可大可小，无论城市、农村、草原、山谷、平原、山地，处处皆可建，在中国的应用无限。它继续给中 国“承诺”一个最美好的未来。中国是富煤国家，是世界上煤储量最多的国家之一。但许多煤矿工人为此付出 高昂的代价。日益严重的煤矿意外，变得越来越不被会接受。提高矿工的保护 是唯一有良心的法规，但自然会增加煤炭开采成本。假设中国能够在安全和 煤炭开采、运输和其他污染问题之间取得一个和谐平衡，使用煤炭作为大型燃料 源则仍然未可厚非。现在，让我们就煤和太阳能发电作理性的评估。太阳能用于 斯特林发动机，直接、简单、干净、绝对没有污染，加上其免费和可再生等无与 伦比的优点。可以说：阳光当之无愧是“生活中最好的免费东西”。煤炭作为发电能源，有两种用法。一是在常规炉直接燃烧，在流化床燃烧更完 全些。另一种是将煤液化或气化。然则无论哪种方式，煤炭都必须先行清洁处理，洗煤的废水和废料的处置始终是个麻烦，也会增加巨额成本。说的难听一点，我 们只是让二氧化碳污染的排放推后而已。太阳能斯特林发动机的无污染和可再生是不争的事实。此外，其最大优势是，发动机维修率低，短期内回收投资。太阳能斯特林发动机不象柴油机和蒸汽轮机，无需许多额外辅件。在太阳能斯特林发动机工作的流体永久密封。引擎在设计寿 命期内不必更换或处理。相对蒸汽轮机的锅炉和柴油发动机的燃烧室，其没完没 了的保养和维修大大增加业者的经营成本。再者，不论锅炉蒸汽机还是柴油引擎，排气系统所造成的污染早已恶名昭著，毋庸赘述。归根结底，不论是国家策还是地方措施，能源越是独立，成本越低，污染越 少，环境越美。不论站在任何立场，选择使用太阳能斯特林发动机，改进能源的 独立性，都是最可行的解决方案。本建议基于本人 40 多年作为及私营企业节 能工程师的经验而提出，拳拳之心，唯天可表。中国正处于现代化建设非常关键 的阶段，科学发展观要求人与自然和谐，整个会需要与世界和谐。中国作为一个崛起复兴中的大国，正扮演一个负责任大国的角色，我们有必要 在可再生能源的策上给世人树立一个榜样。对于我们在此表述的太阳能发动机 充分明显的优点，如不将其作为中国独立能源策的主要部分纳入考虑，实在不 合情理。如蒙邀请，我们将很乐意和有关能源决策机构及省市领导讨论这一议题。一份斯特林发动机发电厂的项目建议书内容提要，函索可供。为能源的独立性，加油！世界和谐组织的绿色能源委员会 太阳能斯特林发动机伙伴公司 总召集：冯忠华博士 中文翻译：世界和谐组织理事林光前 2008 年 7 月