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太阳能真正进入生活,还要等多久?

2002年10月4日

可持续发展的重要内容之一,是能源结构的转换,更多地利用可再生能源。其中,取之不尽、用之不竭的太阳能,最受青睐。除了利用太阳能电池板,直接将日光能,转换成电能以外,先将光能,转换成热能,再以热能生成的水蒸汽,带动蒸汽涡轮机发电的方式,也是非常有效的。德国在这一领域的研究,也属世界前列。

能源,阳光和风图像来源: AP

现在,德国越来越多的屋顶上,都安装了太阳能电池板。远远看去,它们大部分都闪着莹莹的蓝光。德国已安装运行的光电设备发电量,目前合计为190兆瓦左右。这个相当令人自豪的结果,主要归功于德国的电力输入法。该法律规定了一系列的鼓励措施,以促进可再生能源的发展。这样一来,至少对太阳能发电设备的拥有者来说,是划算的,尽管利用太阳能,以光电转换的方式发电的成本费用,达到每千瓦小时0.5欧元,远远高于常规发电的费用。从商业角度而言更为成熟的技术,是光热转换的发电技术,也就是把太阳能,先转换成热能,再以热能生成的水蒸汽,带动蒸汽涡轮机发电的方式。但是这种技术,在德国这样的纬度地区,几乎得不到什么应用,因为它和光电转换技术不同,需要很长、也很强烈的日照时间,才可能有经济效益。

早在上个世纪80年代中期,人们就开始在美国加州的沙漠地带,建造了9座所谓的太阳能沟槽发电站,其合计发电能力,达到可观的354兆瓦。但是在此之后,尽管曾经有过不少计划,但国际上却再没有建造过一座光热发电站。人们对光热技术的兴趣减弱的原因,主要在于常规能源载体的市场价格,降低了很多,而不是在于光热技术本身,因为这种技术相对而言,非常简单。几百个跟随太阳转动的抛物镜,把接收到的阳光,集中到位于聚焦线上的一个真空隔热吸收管上,把吸收管里的特种高温油,加热到400摄氏度。高温油再通过热交换器,把热量传送给水,生成水蒸汽。后者再带动蒸汽涡轮机,生成电能。

近年来,科研工作人员又进一步优化了沟槽发电站的技术方案。在西班牙靠近地中海海岸的一个地方,人们同时试验了两种方法。一种是放弃使用高温油,直接让水蒸发。这样一来,不仅可以省掉本身又会消耗许多电力的油泵,而且还可以省掉昂贵的热交换器。这种方法,也被简称为DISS法,英文为“直接太阳能蒸汽”的意思。它的另一个优势是,可以达到更高的发电效率,因为直接生成的水蒸汽的温度,可高达550摄氏度,也就是和常规发电站里需要的蒸汽温度相同,而至今使用的高温油所能承受的最高温度,却只有400摄氏度。

人们在西班牙试验的另一种方法,是轻式沟槽,为的是降低重量和成本。由于人们同时也把平行沟槽的分段长度,提高了50米,也就是达到现在的150米,而镜子本身又高达5米,所以,整个装置的自身重量不轻,以至于支撑架的构造,也必须重新予以设计和计算。这一工作,由德国斯图加特市的贝格曼工程事务所承担。他们决定使用一种网状构架。它的特点之一,是抗扭转性能很好。之所以要求抗扭转,是因为一台马达,要同时控制多条沟槽,时刻面向太阳。远离马达的镜子,也必须能够马上跟着转动。

德国爱尔兰根的“太阳千禧年股份公司”很早就动手开发的一个50兆瓦沟槽发电项目,利用的就是第二个原理。这个项目,将于不久的将来,在西班牙南部予以实施。最近,在西班牙建造这类发电站的机会大涨,因为不久前,西班牙政府终于决定,给利用太阳能生成的电力,每千瓦小时补助12分,以促进太阳能电站的发展。

鉴于多年来的实际应用,可以说,太阳能的沟槽发电技术,今天已经是一个成熟的技术。因此,世界银行目前在为印度的一项光热发电项目的招标书中,就明确要求使用沟槽技术。但是,这种状况,不久可能将会改变。比利时安特卫普一家名为“太阳蒙多”的公司,开发出一种相当巧妙的发电技术。为了不用再和镜面弯曲、笨重的大型镜子打交道,太阳蒙多的技术人员使用细长的平面镜条,取而代之。这些镜条宽为半米,都装在同一个平面上,可以沿着自己的纵向轴转动。48条这样的镜条组装在一起,便构成一个聚光镜,其构造原理,类似于光学中的环带透镜。镜条的转动,依靠电动马达。通过蜗杆传力装置,一台马达可以同时带动4排镜子。

因为可以单独控制每一个镜条,所以,接收到的日光,便可以随时聚焦到吸收管上。在此,太阳蒙多也想出一个即简单、又便宜的办法。这个吸收管,就是一根长长的、简单的钢管。它上面遮盖着一个镀膜的半圆型二次反射板。这样一来,没有准确聚到吸收管上的一次反射日光,又可以得到第二次的聚焦机会,而不至于白白浪费。二次反射板上方,还安装着一个玻璃遮板,可以防止一旦获取的热能,不再流失。

现在,太阳蒙多公司在比利时列日的一个工业厂区,建造了一台大规模样机,也可供人参观。这是一个长100米、宽24米的环带透镜式聚光镜。开发人员虽然可以在这里测试所有的机械性能,但是却无法全面测试这台设备是否可以有效地利用太阳能,生产电能,因为这一带的日光不足。因此,在这一点上,科研人员只能依靠模拟计算。具体的计算工作,是由德国弗莱堡的福劳恩霍夫太阳能系统研究所负责的。这一工作并不简单,因为太阳蒙多公司的聚光镜,利用的是直接蒸发原理。吸收管里流动的,是水或者蒸汽。一台普通的给水泵,在聚光镜的冷端,往吸收管中送水。冷水一边流动,一边加热,到达聚光镜中部时,渐渐进入蒸发状态。特别是这一部分的模拟计算,难度很大,因为水和蒸汽的热容量,相差很大,吸收热能的方式,也很不一样。为了防止吸收管本身受到损坏,就必须严格避免钢管温度过高。除了450摄氏度左右的工作温度以外,钢管中的压力,也可高达100个巴,因此,对其控制要求,也就非常地高。所有这一切,都是通过单个控制镜条,予以实现的。而一个较大的光热发电站,需要几十排镜条。

何时可以实际安装第一台环带透镜式聚光镜发电设备,目前还完全没有眉目。科研人员的下一步计划,是测试一个500米长的镜条,是否具备实用性能。为此,他们准备把它和一台常规发电设备“结合”在一起,使它生产的太阳能蒸汽,可以有用武之地。至于一台独立的环带透镜式发电设备,何时可以真正投入运行,还很难说,还需要很多年的研究开发。届时,就是所有的实验测试都很成功,也并不意味着可以马上投入实际使用。在此,能源政策问题,扮演着不可忽略的角色。

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