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中国馆展出"模块定日阵" 实现全球最高太阳能利用率

发布时间:2010年07月07日 18:50 | 进入复兴论坛 | 来源:新华社

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专题:全景世博会

    300块闪亮的镜片错落有致地嵌在一个倾斜的八角盘上,它们组成的“等效凹面镜”将阳光反射到同一点汇聚。在上海世博会中国馆33米层的“低碳行动”展区,一口别致的“太阳能灶”吸引着好奇的目光。它的特别之处不单单在外形,稍作观察,观众便能发觉其“魔力”——犹如一朵向日葵,它的盘面自东向西匀速转动,每分每秒都在追逐太阳。

    它的大名叫“模块定日阵”。当成百上千个这样的“向日葵”排列成一个集热、传热、储热矩阵,以超过300℃的高温驱动传统的热电设备,一座全新意义的太阳能电厂即可全天候高效发电。因为始终对准太阳,这套具有中国自主知识产权的太阳能光热系统以很低的成本实现了全球最高的太阳能利用率——30%的光电转化率是目前太阳能光伏电厂并网发电效率的3倍。

  “破碎的碟子”跟着太阳走

    当越来越多的屋顶、墙面被太阳能电池板覆盖,一种古老而简单的太阳能利用方式——太阳能聚焦光热技术,似已被人淡忘。就像在不少农村使用过的太阳灶,只需用镜子把太阳光反射聚焦于锅底,产生的热量足以烧水、煮饭。

    向日葵“魔镜”的设计灵感正是来自太阳灶,但它聪明,懂得如何最大限度地捕捉阳光。理论上说,效率最高的太阳能光热系统应当是一只巨大的镜面碟子,而“魔镜”发明人、益科博能源科技(上海)有限公司董事长项晓东博士想,若要不浪费地利用阳光,镜子必须学会“太阳走,我也走”。

    让几十米甚至百米直径的大碟子跟着太阳走,谈何容易!“要知道,太阳行进并非是简单的线性运动,紧跟它走,意味着要将碟子抡起来,像陀螺一样旋转。”项晓东说,20多年的研究证明,碟式系统的光热转化效率虽高,但风阻大、占地多,不可行。

    有没有简单易行的办法?冥思苦想中,项晓东灵机一动:切碎碟子,让碟子与碎片各转各的,以两个方向的独立运动实现对太阳的“跟踪”。于是,300块边长10厘米的正方形镜片拼起了一只“破碎的碟子”。通过计算,他为每块镜片设计了互不相同的初始角度,巧妙地将平行反射的“平底盘”变成了聚光反射的“凹面碟”。

    碟子的“蹒跚学步”从分解动作开始。“地球上某一点看到的太阳方向(即太阳位置),随季节、时间和当地纬度的变化而变化,碟子也应如此,因为只有这样,才能时刻与太阳保持步调一致。”据此,项晓东为碟子和组成碟子的镜片编排了不同的“走法”:碟子自东向西每小时转动15度,以适应太阳每天的东升西落;镜片以行为单位,沿南北方向追随太阳的季节运动,每天微调不超过0.1度;而碟子的托底,八角盘也有重任在肩,它与地面的倾角正好是当地的地理纬度。

    30朵“向日葵”逐级加热至300℃

    自打2007年从硅谷回国创业,项晓东满脑子想的都是如何提高太阳能光热系统的效率。效仿太阳“走路”,尽量多地捕捉阳光,仅仅是第一步。当“凹面碟”将阳光反射到镜面上方的集热器时,光旋即转化成了热。在实际应用中,每个模块收集的热量必须通过管道输送给热电厂,途中的热损失难以避免。

    “理论上说,每个集热器的输出温度越高越好,可随之而来的问题是,温度越高,传输中的热损失越大。”为攻克这一矛盾,项晓东想出个绝招:将30朵“向日葵”串联起来,用阳光逐级加热,确保终端集热器上的温度超过300℃。“虽说前29朵‘向日葵’在集热温度上或多或少作出了‘牺牲’,但只要最后一朵保持高温,发电设备所获得的动力就不受影响。对整个集热矩阵而言,这样做的热损失最小。”项晓东告诉记者,这套串联矩阵的光热转化率高达70%以上,与公认的理想模型——碟式系统相当。同时,由于热能转化成电能的效率最高约为40%,因此,“模块定日阵”的光电转化率最高可达30%,这是目前世界上太阳能利用所能实现的最高效率。

    尽管国内光伏产业持续“高烧”,但在项晓东看来,光热比光伏可能更有发展前景。首先,光热技术可有效利用现有热电厂的全套装备,无需再次投资。其次,储热的成本仅仅是储电成本的1%-10%,这意味着光热路线更容易解决太阳能电厂的并网难题。第三,光热发电在热电转化过程中损失的60%废热可被有效回收,用于制冷、供热或海水淡化。

    三亚南山开建1兆瓦光热电厂

    张江集电港的一块空地上,由30朵“向日葵”组成的太阳能光热发电子系统已于去年底建成,并通过了院士、专家的权威论证。作为发明人,项晓东想尽快将子系统升级为一座示范电厂。目前,这一愿望已进入倒计时。明年初,去海南度假的游客即可在三亚南山的海滨,眺望到一座占地100亩的太阳能小城。

    按照规划,百亩试验场中将布设上千个“模块定日阵”,平均每个模块仅占地10平方米,总发电规模可达1兆瓦。有意思的是,“定日阵”的立足之地并非专门辟出的整片空地,而与当地的生产生活环境融为一体。“它们或被架设在路面上,一边发电,一边遮荫;或站立在河道中央,减少水分蒸发。”项晓东透露,如果可能,向日葵“魔镜”还将矗立在厂房上,既不影响光照,也不会产生光污染,“我们甚至想把集热阵列搬到种兰花的花棚顶上,综合展示太阳能光热系统的各种应用可能。”

    基于设计上的优化,一套“模块定日阵”的成本约为几千元,并网电价有望控制在0.7元/千瓦时,与现行的调峰电价相当。与之相比,国内光伏发电的并网电价要高得多,约为1.5-1.8元/千瓦时。

    最近,公司派人陆续赴海南、陕西、云南、新疆、内蒙古、西藏等太阳能资源丰富的地区考察,积极筹划国内首座太阳能光热商业电厂。项晓东说,如果一切顺利,这样的电厂有望明年底并网发电。(任荃)

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