從上海世博會中國館走出的發電“向日葵”,每朵由300塊邊長10厘米的正方形鏡片拼成一個碟子。發明人、益科博能源科技(上海)有限公司董事長項曉東博士,為碟子和每塊鏡片分別編排了不同的“行走路線”,讓它們努力追著太陽而動,捕捉盡可能多的陽光;當陽光被反射到鏡面上方的集熱器,光旋即轉換成熱;再通過類似傳統電廠的熱電轉換,便產出了電。發電“向日葵”之所以引人注目,是因為它以很低的成本實現了全球最高的太陽能利用率。
建示范電廠,益科博又創了紀錄:常規電廠從設計到發電,通常得花兩三年;太陽能光熱電廠國內從沒建過,連標準都還沒有,“托世博的福”,它一年就建成了。
從30朵到2000多朵
為了驗證“向日葵”的光熱轉換率,2009年,益科博在張江集電港的空地上,建起了一套由30朵“向日葵”組成的太陽能光熱發電子系統。2010年11月,三亞的示范電廠正式開工,系統規模從30朵放大到2000多朵,此時設計和施工人員發現,系統集成可不是簡單的“1+1”。
在太陽的照射下,系統工作時的溫度接近400℃,倘若用水來充當傳熱介質,系統內的壓力將高達300個大氣壓,這對零部件提出了極高的耐壓要求。國際常用的辦法是用一種合成油代替水來傳熱,臨近400℃時,系統內壓力不到10個大氣壓。
用油傳熱雖然卸下了系統的抗壓負擔,卻給控溫技術提出了極其嚴苛的要求——溫度低了,汽輪機無法正常工作;高了,導熱油就會炭化,2000多個“向日葵”上的集熱器就要報廢。為此,國外光熱電廠的集熱管上密布著無數溫度計,時刻監控油溫。只是,一旦油溫過熱再作調節,可能為時已晚。益科博琢磨著,測油溫不如測太陽,根據陽光輸入的實時能量,調節集熱管中流動的油量,就能主動掌控溫度。
龐大的系統中,任何一個細節問題都可能造成整體卡殼。為了爭取時間,益科博本想與相關的系統集成商合作。一圈打探下來,光熱太陽能電廠國內沒人會做,國際上也只有一兩家公司能做。想買現成技術,價格太貴不說,而且要買,必須買下整座電廠。項曉東明白,買來的不過是只黑盒子,自己永遠都不會知道怎么做。
“不得已,現實逼著我們自己做。”項曉東說,建示范電廠走了不少彎路,但都是創新路上必須支付的“學費”。
收獲了許多意外驚喜
自己做示范電廠雖難,卻收獲了許多意外驚喜。
理論上說,“向日葵”矩陣輸送給汽輪機的溫度越高,發電效率越高。可隨之而來的問題是,溫度越高,散熱越多,傳輸中的熱損失越大,最終的熱電轉換率越低。
減少熱損失,唯一的辦法是降溫。可推動汽輪機運轉發電的,必須是355℃的過熱干蒸汽。難道每朵“向日葵”都得把導熱油燒得那么燙嗎?仔細思量,益科博發現,從220℃的飽和濕蒸汽加熱到355℃的過熱干蒸汽,只需多吸收約10%的熱量。這意味著,90%的“向日葵”只需保持能產生220℃飽和濕蒸汽的相對低溫,沖刺355℃的重任交給剩下的10%即可。
降溫猶如多米諾骨牌的第一張,推倒了它,便有連鎖效應:調低溫度,系統內的壓力一下子小了,導熱油流動的阻力隨之減小,油泵亦可松點勁,能耗由此下降不少。
項曉東說,能如此一舉多得,是因為“向日葵”的模塊化設計,設計的妙處是他們之前沒想到的。國際上已有的太陽能熱電廠,無論是槽式、碟式,還是塔式,都是“鐵板一塊”;唯有益科博的設計是模塊化的,一朵“向日葵”即是一個標準模塊,可相互組合、任意拆分,更能分別控制,這讓不同子系統間的能量匹配靈活、精確。
得益于能量、熱量的合理分配,盡管單朵“向日葵”的光熱轉換率在最高溫度下只有約50%,整個系統的光熱轉換率卻高達75%;同時,由于50兆瓦以上功率的汽輪機的熱電轉換率可達40%,因此,示范電廠光電轉換率達到30%——這是目前世界上太陽能利用的最高效率。
發電成本控制在1元/千瓦時
除導熱油外,整座示范電廠都是“中國創造”。2012年,一座專門組裝發電“向日葵”的標桿工廠將在張江東區投產。眼下,即將投入運行的示范電廠已經獲得了上網許可,預計年發電量為150萬千瓦時。此前,業界普遍認為太陽能光熱發電的電價約為1.8元/千瓦時,但據益科博測算,示范電廠的發電成本已接近目前1元/千瓦時的光伏電價,未來還有下降的空間。
近來,陸續有能源企業愿與益科博合作建設國內首座太陽能光熱商業電廠,目前他們正在海南、內蒙古等太陽能資源豐富的地區積極考察。在“向日葵”示范電廠二期,益科博將引入相變儲熱技術,使白天采集的陽光在夜晚也能發電;在同一片“向日葵”地里,還將見縫插針豎起一臺臺風機,通過風光互補技術,保持并網電流的穩定。此外,利用發電余熱帶動空調制冷、進行海水淡化等項目也都在計劃之中。