中國儲能網(wǎng)訊：在我國太陽能熱利用領(lǐng)域，太陽能低溫熱利用產(chǎn)業(yè)已率先實現(xiàn)了規(guī)模化、市場化應(yīng)用；太陽能光伏產(chǎn)業(yè)在國家的大力扶持下，亦實現(xiàn)了產(chǎn)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(shù)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(chǎn)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(xué)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(xué)技術(shù)杰出貢獻獎”。他創(chuàng)建了北京工業(yè)大學(xué)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(jīng)過了近20 年的發(fā)展，在強化傳熱的理論和應(yīng)用、高溫傳熱蓄熱與節(jié)能技術(shù)、分布式能源系統(tǒng)及其應(yīng)用、可再生能源的研究與應(yīng)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(lǐng)域獲得了豐碩的成果，并且正在產(chǎn)學(xué)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(yīng)用獲得了“國家科學(xué)技術(shù)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(chǎn)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(shù)報告，該報告提出了應(yīng)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(zhuǎn)換效率，推動這一新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。這一創(chuàng)新性的技術(shù)方向，受到了國內(nèi)外科技產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注。在國內(nèi)，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(shù)的并網(wǎng)發(fā)電，標志著我國太陽能發(fā)電產(chǎn)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(wǎng)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(chǎn)業(yè)具有雄厚的實力。
馬重芳認為，太陽能熱發(fā)電的技術(shù)復(fù)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(zhuǎn)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(shù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(chǎn)過程要比其他兩種可再生能源復(fù)雜得多。除此之外，太陽能熱發(fā)電的復(fù)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(shù)量級，這個聚能過程大幅增加了太陽能熱發(fā)電的復(fù)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(shù)儲存能量，且儲能成本遠低于化學(xué)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(xué)蓄能”相比，前者在建造成本、使用成本、技術(shù)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(shù)，盡管我們還需積累更多的工程經(jīng)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(shù)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(jīng)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(zhì)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(zhì)已成為學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的共識，以硝酸鹽為主要成分的混合熔融鹽已經(jīng)得到普遍的應(yīng)用。為了適應(yīng)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?shù)闹匾暋?
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(zhì)可能有多種不同的選擇，這取決于集熱器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計，水、空氣、氦氣、氣固兩相流、導(dǎo)熱油、硅油和熔鹽都是可能選擇的傳熱介質(zhì)。正確選擇合理的傳熱介質(zhì)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(nèi)外都曾經(jīng)普遍采用水作為傳熱介質(zhì)。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(jīng)得到比較廣泛的示范和應(yīng)用；我國第一批投入工程應(yīng)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(zhì)。國內(nèi)外這些水工質(zhì)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(nèi)外的塔式熱發(fā)電系統(tǒng)都無一例外的轉(zhuǎn)向以熔融鹽替代水作為傳熱介質(zhì)的發(fā)展趨勢。熔融鹽塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)似乎已成為太陽能熱發(fā)電的主流技術(shù)，這種傳熱介質(zhì)和傳熱技術(shù)的轉(zhuǎn)換、替代和發(fā)展，為太陽能熱發(fā)電產(chǎn)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(shù)和熔融鹽應(yīng)用基礎(chǔ)研究的發(fā)展，這可能是近年來太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域最引人矚目的技術(shù)進步。
在太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域，槽式系統(tǒng)仍然是市場占有率最高的主流技術(shù)，其所使用的傳熱介質(zhì)是導(dǎo)熱油，而導(dǎo)熱油在工作溫度、使用壽命和生產(chǎn)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(yīng)用。
馬重芳表示，為了替代導(dǎo)熱油的應(yīng)用，水和硅油傳熱介質(zhì)的應(yīng)用也在研究和探索，而人們對熔融鹽替代導(dǎo)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(yīng)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(shù)，但是也受到了人們的很大關(guān)注，在這兩種技術(shù)系統(tǒng)中使用熔融鹽作為傳熱介質(zhì)，也有可能帶來嶄新的發(fā)展前景，或可能成為技術(shù)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(xué)性質(zhì)的工程數(shù)據(jù)庫》和《熔融鹽受迫對流傳熱實驗回路的概念設(shè)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(shè)計的基礎(chǔ)科學(xué)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(xué)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(shù)據(jù)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(xué)重點實驗室關(guān)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(xué)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(xué)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(xué)儀器設(shè)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(chǔ)研究方面就獲得了國家逾3000 萬元的科研經(jīng)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(xué)性質(zhì)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(shù)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(xué)中兩個引人關(guān)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(lǐng)導(dǎo)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(xué)習(xí)，不斷取得新的研究成果?？茖W(xué)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(xué)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(xué)及格拉斯哥大學(xué)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(guān)
太陽能熱發(fā)電涵蓋了光、熱、功、電4 種能量形態(tài)之間復(fù)雜的多重轉(zhuǎn)換過程，這種能量轉(zhuǎn)換特性導(dǎo)致了電力生產(chǎn)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(shù)的競爭優(yōu)勢。但也正是因為這種多重復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)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(chǎn)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(shù)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(shù)有可能正是應(yīng)對這一挑戰(zhàn)的合理解決方案，且該技術(shù)對于我國經(jīng)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(shù)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(xué)馬重芳團隊同河北冀中能源井陘礦業(yè)集團開展了產(chǎn)學(xué)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(nóng)光互補+ 智慧能源”特色小鎮(zhèn)項目順利開工。該項目技術(shù)支持單位為北京工業(yè)大學(xué)，將采用北京工業(yè)大學(xué)低熔點熔融鹽傳熱儲熱技術(shù)、線性菲涅爾太陽能集熱與谷電互補的清潔能源供能技術(shù)。據(jù)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(nóng)業(yè)1400 畝，蒸汽供應(yīng)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(nóng)光互補”模式，上面布置集熱鏡場，下面進行農(nóng)業(yè)經(jīng)營，以期實現(xiàn)清潔能源與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的融合，充分契合了當?shù)乜稍偕茉词痉秴^(qū)與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)示范區(qū)的發(fā)展理念，在兼顧經(jīng)濟效益的同時，可解決當?shù)鼐用窆I(yè)供熱等民生問題。
另外，北京工業(yè)大學(xué)還在同企業(yè)及兄弟院校合作，倡導(dǎo)將熔融鹽的蓄熱與火力發(fā)電相結(jié)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(guān)。
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(lǐng)域如數(shù)家珍，趣味盎然，足見其對科學(xué)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(guān)、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(xué)技術(shù)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(chǎn)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(diào)，在科研中嚴謹，在實踐中活力無限！他建立一個實驗室，引領(lǐng)一支隊伍，研發(fā)熔融鹽蓄熱技術(shù)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(shù)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(xué)精神廣為傳承。
