中國儲能網訊：在我國太陽能熱利用領域，太陽能低溫熱利用產業(yè)已率先實現(xiàn)了規(guī)?；⑹袌龌瘧?；太陽能光伏產業(yè)在國家的大力扶持下，亦實現(xiàn)了產量與市場規(guī)模雙世界第一，雖然離擺脫補貼、實現(xiàn)完全市場化尚有一段距離，但已為期不遠。太陽能熱發(fā)電全球商業(yè)運行的裝機量超過500 萬kW，已初具規(guī)模，其在我國也開始了多種技術方案的項目示范。雖然國家規(guī)劃了先進的目標，積極推進，但目前產業(yè)發(fā)展仍處于示范起步階段，似乎還存在一定困難。我國太陽能熱發(fā)電路在何方？為此，記者近日采訪了北京工業(yè)大學傳熱強化與過程節(jié)能教育部重點實驗室馬重芳教授。
馬重芳榮獲了國家太陽能光熱聯(lián)盟頒發(fā)的“2017 年度中國太陽能熱利用科學技術杰出貢獻獎”。他創(chuàng)建了北京工業(yè)大學傳熱強化與過程節(jié)能教育部重點實驗室和傳熱與能源利用北京市重點實驗室。重點實驗室經過了近20 年的發(fā)展，在強化傳熱的理論和應用、高溫傳熱蓄熱與節(jié)能技術、分布式能源系統(tǒng)及其應用、可再生能源的研究與應用、壓縮機與熱泵系統(tǒng)、膨脹機和ORC 系統(tǒng)、燃料電池及氫能利用等諸多領域獲得了豐碩的成果，并且正在產學研合作方向的指引下不斷推進。2016 年，馬重芳作為第二申請人以氣控鈉熱管的研究及應用獲得了“國家科學技術進步獎”二等獎。
太陽能熱發(fā)電：中國和世界都不會放棄
我國太陽能熱發(fā)電路在何方？馬重芳認為，盡管當前我國太陽能熱發(fā)電產業(yè)的發(fā)展確實不盡如人意，但是中國和世界都不會放棄這個潛力無窮的綠色新能源事業(yè)。
2017 年1 月，美國能源部發(fā)布了編號為DE-AC-36-08GO28308 的《第三代太陽能熱發(fā)電CSP示范工程路線圖》技術報告，該報告提出了應用超臨界二氧化碳熱力循環(huán)達到700 ℃以上的工作溫度，以進一步改善熱功轉換效率，推動這一新興產業(yè)的發(fā)展。這一創(chuàng)新性的技術方向，受到了國內外科技產業(yè)界的高度關注。在國內，浙江中控、首航光熱、中廣核等先進企業(yè)均實現(xiàn)了太陽能熱發(fā)電技術的并網發(fā)電，標志著我國太陽能發(fā)電產業(yè)取得了長足進展。上海電氣集團最近中標了迪拜總投資為253 億元、裝機達量700 MW( 包含1 個100 MW 塔式、3個200MW 槽式) 的這一世界最大的太陽能熱發(fā)電站的工程總承包，該項目的上網電價僅為7.3 美分/kWh。上海電氣集團的中標證明了我國太陽能熱發(fā)電產業(yè)具有雄厚的實力。
馬重芳認為，太陽能熱發(fā)電的技術復雜程度和難度往往比想象的要大得多。
他說道：“為了說明這個問題，我們不妨從能量轉換的角度，將太陽能熱發(fā)電同風力發(fā)電和光伏發(fā)電進行比較。這兩種可再生能源發(fā)電技術分別只涉及兩種能源形態(tài)( 前者是機械能，即空氣流動的動能和電能；后者是太陽光能和電能)，以及各自能源形態(tài)之間的一個能源轉換過程。但是太陽能熱發(fā)電卻包含了4 種能源形態(tài)( 太陽光能、熱能、機械能和電能) 和3 個能量轉換過程( 光能到熱能，熱能到機械能，機械能到電能)。顯然，太陽能熱發(fā)電的生產過程要比其他兩種可再生能源復雜得多。除此之外，太陽能熱發(fā)電的復雜性還體現(xiàn)在能流密度的巨大提升方面。太陽光照射到地球表面的能流密度通常低于8×102 W/㎡，為了獲得400 ℃以上的工作溫度，我們必須通過鏡場的聚光集熱將太陽能的能流密度提高2～3 個數量級，這個聚能過程大幅增加了太陽能熱發(fā)電的復雜性和建造成本。從以上兩個方面的分析，我們不難理解太陽能熱發(fā)電成本往往成倍高于目前風力發(fā)電和光伏發(fā)電的現(xiàn)有成本的原因。盡管太陽能熱發(fā)電的建造成本大幅高于光伏發(fā)電，但其可使用熔融鹽高溫蓄熱技術儲存能量，且儲能成本遠低于化學蓄能，可實現(xiàn)大容量、長壽命、低成本的能量儲存，解決了我們在能量儲存方面所遇到的巨大難題。因此，若將“太陽能熱發(fā)電+ 高溫熔融鹽蓄能”同“光伏發(fā)電+ 化學蓄能”相比，前者在建造成本、使用成本、技術成熟度和環(huán)境保護特性等方面都具有一定的優(yōu)勢，具有廣闊的發(fā)展前景。對于這樣先進的可再生能源技術，盡管我們還需積累更多的工程經驗，但其擁有巨大的潛力和優(yōu)勢，無論是中國還是世界其他國家，都不可能放棄這個重大的技術方向?！?
熔融鹽傳熱蓄熱大有可為
太陽能熱發(fā)電的能源利用率隨工作溫度的升高而增加。目前，先進太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的傳熱和蓄熱溫度已經超過了500 ℃以上，并且還在不斷增長。在如此高的工作溫度之下，傳熱蓄熱工質的選擇對于系統(tǒng)的可靠性、安全性、建造和使用成本，以及能源利用率具有重大的意義。對于高溫蓄熱，以熔融鹽作為蓄熱介質已成為學術界和產業(yè)界的共識，以硝酸鹽為主要成分的混合熔融鹽已經得到普遍的應用。為了適應更高的工作溫度，在超過600℃的情況下，碳酸鹽和氯化鹽等高溫熔融鹽正在研發(fā)和使用。除此之外，高溫固體蓄熱也得到了相當的重視。
馬重芳談到，在太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中，高溫傳熱過程的工作介質可能有多種不同的選擇，這取決于集熱器的結構和設計，水、空氣、氦氣、氣固兩相流、導熱油、硅油和熔鹽都是可能選擇的傳熱介質。正確選擇合理的傳熱介質對于太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的可靠性、壽命、效率和成本往往有決定性的影響。對于塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)而言，國內外都曾經普遍采用水作為傳熱介質。在美國和西班牙，以水傳熱的塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)都經得到比較廣泛的示范和應用；我國第一批投入工程應用的塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)也普遍采用了水作為傳熱介質。國內外這些水工質塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)雖然也都獲得了一定的成功，但其可靠性、成本和工作效率都不能完全盡如人意，因此，國內外的塔式熱發(fā)電系統(tǒng)都無一例外的轉向以熔融鹽替代水作為傳熱介質的發(fā)展趨勢。熔融鹽塔式太陽能熱發(fā)電技術似乎已成為太陽能熱發(fā)電的主流技術，這種傳熱介質和傳熱技術的轉換、替代和發(fā)展，為太陽能熱發(fā)電產業(yè)帶來了發(fā)展的動力和期望，也推動了熔融鹽傳熱技術和熔融鹽應用基礎研究的發(fā)展，這可能是近年來太陽能熱發(fā)電領域最引人矚目的技術進步。
在太陽能熱發(fā)電領域，槽式系統(tǒng)仍然是市場占有率最高的主流技術，其所使用的傳熱介質是導熱油，而導熱油在工作溫度、使用壽命和生產成本等方面都有很大的局限性，這也大幅限制了槽式系統(tǒng)的發(fā)展和應用。
馬重芳表示，為了替代導熱油的應用，水和硅油傳熱介質的應用也在研究和探索，而人們對熔融鹽替代導熱油則抱有更大的期望，低凝固點與低成本先進熔融鹽的研發(fā)和應用有可能為槽式系統(tǒng)的發(fā)展帶來新的前景。雖然線性菲涅爾式和碟式系統(tǒng)目前還不是太陽能熱發(fā)電的主流技術，但是也受到了人們的很大關注，在這兩種技術系統(tǒng)中使用熔融鹽作為傳熱介質，也有可能帶來嶄新的發(fā)展前景，或可能成為技術創(chuàng)新的重要方向。
守得云開見月明
馬重芳出示給筆者兩篇美國能源部愛達荷國家實驗室(Idaho National Laboratory) 于2010 年發(fā)布的科技報告，題目分別是《液態(tài)熔融鹽熱物理和熱化學性質的工程數據庫》和《熔融鹽受迫對流傳熱實驗回路的概念設計》。
他接著說道：“這兩篇科技報告都論述了液態(tài)熔融鹽在管路中受迫對流傳熱的計算方法和計算公式，因為這是熔融鹽傳熱蓄熱工程計算和設計的基礎科學問題?！?
馬重芳指出，這兩篇報告對不同流態(tài)下的熔融鹽傳熱給出了6 個計算公式，而這6 個公式全都來自北京工業(yè)大學馬重芳團隊在國際雜志上發(fā)表的兩篇英文科技論文；愛達荷國家實驗室的這兩篇科技報告還大量引用了馬重芳團隊發(fā)表的兩篇英文論文中的實驗數據及擬合曲線。2017 年美國能源部發(fā)布的《第三代太陽能熱發(fā)電示范工程路線圖》的科技報告也引用了北京工業(yè)大學重點實驗室關于混合碳酸熔融鹽配制的兩篇英文論文，認為北京工業(yè)大學配制的混合碳酸熔融鹽配方的鋰鹽含量低、成本低，具有可接受的熱物性。
北京工業(yè)大學傳熱強化與過程節(jié)能教育部重點實驗室現(xiàn)有在讀碩士生116 名，博士及博士后36 名；實驗室擁有價值逾5000 萬元的科學儀器設備，其中用于熔融鹽研究的儀器價值在千萬元以上，重點實驗室僅在熔融鹽基礎研究方面就獲得了國家逾3000 萬元的科研經費支持；在國家的大力支持下，重點實驗室對上百種混合熔融鹽的傳熱蓄熱性能和熱物理熱化學性質進行了深入系統(tǒng)的研究，發(fā)表了50 余篇英文論文，為工程運用提供了強有力的技術支撐。低成本、大容量、長壽命的能量儲存和高溫高熱流的熱能傳遞是能源科學中兩個引人關注的重大科技問題，熔融鹽的蓄熱和傳熱有可能為這兩大科技問題的解決提供較為合理的方案。重點實驗室在吳玉庭主任的領導下堅持和深化熔融鹽傳熱蓄熱的研究方向，努力工作、虛心學習，不斷取得新的研究成果。科學研究是國際性的現(xiàn)象，國際合作必不可少，重點實驗室在國家自然科學基金委員會和國家科技部的支持下，分別與英國伯明翰大學及格拉斯哥大學進行了科技合作，并且取得了良好的科研成果。
協(xié)同創(chuàng)新，合力攻關
太陽能熱發(fā)電涵蓋了光、熱、功、電4 種能量形態(tài)之間復雜的多重轉換過程，這種能量轉換特性導致了電力生產成本的提升，降低了太陽能熱發(fā)電同其他可再生能源發(fā)電技術的競爭優(yōu)勢。但也正是因為這種多重復雜的能量轉換特性，使太陽能熱發(fā)電具備了熱電聯(lián)供和低成本蓄能的雙重優(yōu)勢。為了解決霧霾問題，我國面臨使用清潔能源為建筑物供暖和為工業(yè)生產供熱的巨大挑戰(zhàn)，同時也面臨由于缺乏大容量、低成本的蓄能技術而不得不放棄風力發(fā)電和光伏發(fā)電的不合理現(xiàn)象，一方面造成了清潔能源的浪費，另一方面又不得不接受缺失清潔能源供熱的巨大壓力。而具備低成本蓄能和熱電聯(lián)供能力的太陽能熱發(fā)電技術有可能正是應對這一挑戰(zhàn)的合理解決方案，且該技術對于我國經濟發(fā)達和人口密集的地區(qū)可能更有實用價值。若實現(xiàn)了這個創(chuàng)新性的技術目標，我們不但可降低太陽能熱發(fā)電的成，提高競爭能力，還可推動霧霾問題的解決。
北京工業(yè)大學馬重芳團隊同河北冀中能源井陘礦業(yè)集團開展了產學研合作。2018 年9 月5日，河北冀中能源井陘礦業(yè)集團一期投資3.6 億元的塞北管理區(qū)“農光互補+ 智慧能源”特色小鎮(zhèn)項目順利開工。該項目技術支持單位為北京工業(yè)大學，將采用北京工業(yè)大學低熔點熔融鹽傳熱儲熱技術、線性菲涅爾太陽能集熱與谷電互補的清潔能源供能技術。據悉，本項目供暖建筑面積達30萬㎡，鏡場面積為16.8 萬㎡，熔融鹽用量為3900 t，蓄熱容量為300 MWh，覆蓋現(xiàn)代農業(yè)1400 畝，蒸汽供應能力為23 t/h。項目二期將擴大二次聚焦線性菲涅爾鏡場，建成太陽能熱電聯(lián)供系統(tǒng)，當然這是有難度的。項目采用“農光互補”模式，上面布置集熱鏡場，下面進行農業(yè)經營，以期實現(xiàn)清潔能源與現(xiàn)代農業(yè)的融合，充分契合了當地可再生能源示范區(qū)與現(xiàn)代農業(yè)示范區(qū)的發(fā)展理念，在兼顧經濟效益的同時，可解決當地居民工業(yè)供熱等民生問題。
另外，北京工業(yè)大學還在同企業(yè)及兄弟院校合作，倡導將熔融鹽的蓄熱與火力發(fā)電相結合，使火力發(fā)電站變成蓄能電站，有助于實現(xiàn)火力發(fā)電削峰填谷，這是除抽水蓄能以外的另一種蓄能解決方案。
總之，無論哪種方案，都要立足因地制宜、多能互補的原則。無論是科研院所還是高等院校，無論是國有企業(yè)還是民營企業(yè)，都要協(xié)同創(chuàng)新，合力攻關。
不忘初心，堅守夢想
在兩個多小時的采訪中，雖然年近八旬，但馬重芳談起他諸多研究的領域如數家珍，趣味盎然，足見其對科學研究熾愛有加。訪談中，他給筆者留下深刻印象的是，在大家迷茫于“太陽能熱發(fā)電路在何方”之際，他表現(xiàn)出“繼續(xù)攻關、堅守夢想、不言放棄”的堅定決心。正如“2017年度中國太陽能熱利用科學技術杰出貢獻獎”頒獎詞中所說的那樣：
“幾千年來的紅輪之火，帶給大千世界的萬物之源和眼睛。不管云遮霧掩，不論雨驟風狂，即便夕陽西下，仍奉獻給黑夜以光亮，寒冷以溫暖，產業(yè)以動力。人們對這光明和能量的來源，敬仰、追逐，從未停息。人，擁有一個夢想不難，難的是能一生堅守對夢想的實踐。他在生活中低調，在科研中嚴謹，在實踐中活力無限！他建立一個實驗室，引領一支隊伍，研發(fā)熔融鹽蓄熱技術以解決能量連續(xù)的難題。他的成就代表著‘大容量、低成本、長壽命、無污染’的熔融鹽蓄熱技術走向民生，開啟了綠色‘儲能春天’！”
我們祝愿他更多的研究成果能夠惠及全球太陽能熱利用事業(yè)，也祝愿他的科學精神廣為傳承。
