中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：在我國(guó)太陽(yáng)能熱利用領(lǐng)域，太陽(yáng)能低溫?zé)崂卯a(chǎn)業(yè)已率先實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；?、市場(chǎng)化應(yīng)用；太陽(yáng)能光伏產(chǎn)業(yè)在國(guó)家的大力扶持下，亦實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)量與市場(chǎng)規(guī)模雙世界第一，雖然離擺脫補(bǔ)貼、實(shí)現(xiàn)完全市場(chǎng)化尚有一段距離，但已為期不遠(yuǎn)。太陽(yáng)能熱發(fā)電全球商業(yè)運(yùn)行的裝機(jī)量超過(guò)500 萬(wàn)kW，已初具規(guī)模，其在我國(guó)也開(kāi)始了多種技術(shù)方案的項(xiàng)目示范。雖然國(guó)家規(guī)劃了先進(jìn)的目標(biāo)，積極推進(jìn)，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(guó)太陽(yáng)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(qiáng)化與過(guò)程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室馬重芳教授。
馬重芳榮獲了國(guó)家太陽(yáng)能光熱聯(lián)盟頒發(fā)的“2017 年度中國(guó)太陽(yáng)能熱利用科學(xué)技術(shù)杰出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)”。他創(chuàng)建了北京工業(yè)大學(xué)傳熱強(qiáng)化與過(guò)程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和傳熱與能源利用北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)了近20 年的發(fā)展，在強(qiáng)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(jī)與熱泵系統(tǒng)、膨脹機(jī)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(jìn)。2016 年，馬重芳作為第二申請(qǐng)人以氣控鈉熱管的研究及應(yīng)用獲得了“國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)”二等獎(jiǎng)。
太陽(yáng)能熱發(fā)電：中國(guó)和世界都不會(huì)放棄
我國(guó)太陽(yáng)能熱發(fā)電路在何方？馬重芳認(rèn)為，盡管當(dāng)前我國(guó)太陽(yáng)能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展確實(shí)不盡如人意，但是中國(guó)和世界都不會(huì)放棄這個(gè)潛力無(wú)窮的綠色新能源事業(yè)。
2017 年1 月，美國(guó)能源部發(fā)布了編號(hào)為DE-AC-36-08GO28308 的《第三代太陽(yáng)能熱發(fā)電CSP示范工程路線圖》技術(shù)報(bào)告，該報(bào)告提出了應(yīng)用超臨界二氧化碳熱力循環(huán)達(dá)到700 ℃以上的工作溫度，以進(jìn)一步改善熱功轉(zhuǎn)換效率，推動(dòng)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(guó)內(nèi)外科技產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注。在國(guó)內(nèi)，浙江中控、首航光熱、中廣核等先進(jìn)企業(yè)均實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)的并網(wǎng)發(fā)電，標(biāo)志著我國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)業(yè)取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。上海電氣集團(tuán)最近中標(biāo)了迪拜總投資為253 億元、裝機(jī)達(dá)量700 MW( 包含1 個(gè)100 MW 塔式、3個(gè)200MW 槽式) 的這一世界最大的太陽(yáng)能熱發(fā)電站的工程總承包，該項(xiàng)目的上網(wǎng)電價(jià)僅為7.3 美分/kWh。上海電氣集團(tuán)的中標(biāo)證明了我國(guó)太陽(yáng)能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)具有雄厚的實(shí)力。
馬重芳認(rèn)為，太陽(yáng)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(shuō)道：“為了說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題，我們不妨從能量轉(zhuǎn)換的角度，將太陽(yáng)能熱發(fā)電同風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電進(jìn)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(jī)械能，即空氣流動(dòng)的動(dòng)能和電能；后者是太陽(yáng)光能和電能)，以及各自能源形態(tài)之間的一個(gè)能源轉(zhuǎn)換過(guò)程。但是太陽(yáng)能熱發(fā)電卻包含了4 種能源形態(tài)( 太陽(yáng)光能、熱能、機(jī)械能和電能) 和3 個(gè)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程( 光能到熱能，熱能到機(jī)械能，機(jī)械能到電能)。顯然，太陽(yáng)能熱發(fā)電的生產(chǎn)過(guò)程要比其他兩種可再生能源復(fù)雜得多。除此之外，太陽(yáng)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(yáng)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(guò)鏡場(chǎng)的聚光集熱將太陽(yáng)能的能流密度提高2～3 個(gè)數(shù)量級(jí)，這個(gè)聚能過(guò)程大幅增加了太陽(yáng)能熱發(fā)電的復(fù)雜性和建造成本。從以上兩個(gè)方面的分析，我們不難理解太陽(yáng)能熱發(fā)電成本往往成倍高于目前風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電的現(xiàn)有成本的原因。盡管太陽(yáng)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(chǔ)存能量，且儲(chǔ)能成本遠(yuǎn)低于化學(xué)蓄能，可實(shí)現(xiàn)大容量、長(zhǎng)壽命、低成本的能量?jī)?chǔ)存，解決了我們?cè)谀芰績(jī)?chǔ)存方面所遇到的巨大難題。因此，若將“太陽(yáng)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(hù)特性等方面都具有一定的優(yōu)勢(shì)，具有廣闊的發(fā)展前景。對(duì)于這樣先進(jìn)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(yàn)，但其擁有巨大的潛力和優(yōu)勢(shì)，無(wú)論是中國(guó)還是世界其他國(guó)家，都不可能放棄這個(gè)重大的技術(shù)方向?！?
熔融鹽傳熱蓄熱大有可為
太陽(yáng)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(jìn)太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的傳熱和蓄熱溫度已經(jīng)超過(guò)了500 ℃以上，并且還在不斷增長(zhǎng)。在如此高的工作溫度之下，傳熱蓄熱工質(zhì)的選擇對(duì)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(duì)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(shí)，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(guò)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(dāng)?shù)闹匾暋?
馬重芳談到，在太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中，高溫傳熱過(guò)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(jì)，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(duì)于太陽(yáng)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(duì)于塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)而言，國(guó)內(nèi)外都曾經(jīng)普遍采用水作為傳熱介質(zhì)。在美國(guó)和西班牙，以水傳熱的塔式太陽(yáng)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(guó)第一批投入工程應(yīng)用的塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)也普遍采用了水作為傳熱介質(zhì)。國(guó)內(nèi)外這些水工質(zhì)塔式太陽(yáng)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(guó)內(nèi)外的塔式熱發(fā)電系統(tǒng)都無(wú)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(shì)。熔融鹽塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)似乎已成為太陽(yáng)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(yáng)能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)帶來(lái)了發(fā)展的動(dòng)力和期望，也推動(dòng)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(lái)太陽(yáng)能熱發(fā)電領(lǐng)域最引人矚目的技術(shù)進(jìn)步。
在太陽(yáng)能熱發(fā)電領(lǐng)域，槽式系統(tǒng)仍然是市場(chǎng)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(duì)熔融鹽替代導(dǎo)熱油則抱有更大的期望，低凝固點(diǎn)與低成本先進(jìn)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(lái)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(yáng)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(lái)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(kāi)見(jiàn)月明
馬重芳出示給筆者兩篇美國(guó)能源部愛(ài)達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Idaho National Laboratory) 于2010 年發(fā)布的科技報(bào)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(kù)》和《熔融鹽受迫對(duì)流傳熱實(shí)驗(yàn)回路的概念設(shè)計(jì)》。
他接著說(shuō)道：“這兩篇科技報(bào)告都論述了液態(tài)熔融鹽在管路中受迫對(duì)流傳熱的計(jì)算方法和計(jì)算公式，因?yàn)檫@是熔融鹽傳熱蓄熱工程計(jì)算和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題?！?
馬重芳指出，這兩篇報(bào)告對(duì)不同流態(tài)下的熔融鹽傳熱給出了6 個(gè)計(jì)算公式，而這6 個(gè)公式全都來(lái)自北京工業(yè)大學(xué)馬重芳團(tuán)隊(duì)在國(guó)際雜志上發(fā)表的兩篇英文科技論文；愛(ài)達(dá)荷國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的這兩篇科技報(bào)告還大量引用了馬重芳團(tuán)隊(duì)發(fā)表的兩篇英文論文中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及擬合曲線。2017 年美國(guó)能源部發(fā)布的《第三代太陽(yáng)能熱發(fā)電示范工程路線圖》的科技報(bào)告也引用了北京工業(yè)大學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室關(guān)于混合碳酸熔融鹽配制的兩篇英文論文，認(rèn)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(qiáng)化與過(guò)程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有在讀碩士生116 名，博士及博士后36 名；實(shí)驗(yàn)室擁有價(jià)值逾5000 萬(wàn)元的科學(xué)儀器設(shè)備，其中用于熔融鹽研究的儀器價(jià)值在千萬(wàn)元以上，重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室僅在熔融鹽基礎(chǔ)研究方面就獲得了國(guó)家逾3000 萬(wàn)元的科研經(jīng)費(fèi)支持；在國(guó)家的大力支持下，重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室對(duì)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(jìn)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(yùn)用提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。低成本、大容量、長(zhǎng)壽命的能量?jī)?chǔ)存和高溫高熱流的熱能傳遞是能源科學(xué)中兩個(gè)引人關(guān)注的重大科技問(wèn)題，熔融鹽的蓄熱和傳熱有可能為這兩大科技問(wèn)題的解決提供較為合理的方案。重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在吳玉庭主任的領(lǐng)導(dǎo)下堅(jiān)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。科學(xué)研究是國(guó)際性的現(xiàn)象，國(guó)際合作必不可少，重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)和國(guó)家科技部的支持下，分別與英國(guó)伯明翰大學(xué)及格拉斯哥大學(xué)進(jìn)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(yáng)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(guò)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(yáng)能熱發(fā)電同其他可再生能源發(fā)電技術(shù)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。但也正是因?yàn)檫@種多重復(fù)雜的能量轉(zhuǎn)換特性，使太陽(yáng)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(shì)。為了解決霧霾問(wèn)題，我國(guó)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(shí)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(fēng)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(fèi)，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(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)有可能正是應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)的合理解決方案，且該技術(shù)對(duì)于我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)和人口密集的地區(qū)可能更有實(shí)用價(jià)值。若實(shí)現(xiàn)了這個(gè)創(chuàng)新性的技術(shù)目標(biāo)，我們不但可降低太陽(yáng)能熱發(fā)電的成，提高競(jìng)爭(zhēng)能力，還可推動(dòng)霧霾問(wèn)題的解決。
北京工業(yè)大學(xué)馬重芳團(tuán)隊(duì)同河北冀中能源井陘礦業(yè)集團(tuán)開(kāi)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(tuán)一期投資3.6 億元的塞北管理區(qū)“農(nóng)光互補(bǔ)+ 智慧能源”特色小鎮(zhèn)項(xiàng)目順利開(kāi)工。該項(xiàng)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(diǎn)熔融鹽傳熱儲(chǔ)熱技術(shù)、線性菲涅爾太陽(yáng)能集熱與谷電互補(bǔ)的清潔能源供能技術(shù)。據(jù)悉，本項(xiàng)目供暖建筑面積達(dá)30萬(wàn)㎡，鏡場(chǎng)面積為16.8 萬(wàn)㎡，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(xiàng)目二期將擴(kuò)大二次聚焦線性菲涅爾鏡場(chǎng)，建成太陽(yáng)能熱電聯(lián)供系統(tǒng)，當(dāng)然這是有難度的。項(xiàng)目采用“農(nóng)光互補(bǔ)”模式，上面布置集熱鏡場(chǎng)，下面進(jìn)行農(nóng)業(yè)經(jīng)營(yíng)，以期實(shí)現(xiàn)清潔能源與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的融合，充分契合了當(dāng)?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(jì)效益的同時(shí)，可解決當(dāng)?shù)鼐用窆I(yè)供熱等民生問(wèn)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(shí)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(wú)論哪種方案，都要立足因地制宜、多能互補(bǔ)的原則。無(wú)論是科研院所還是高等院校，無(wú)論是國(guó)有企業(yè)還是民營(yíng)企業(yè)，都要協(xié)同創(chuàng)新，合力攻關(guān)。
不忘初心，堅(jiān)守夢(mèng)想
在兩個(gè)多小時(shí)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(jiàn)其對(duì)科學(xué)研究熾愛(ài)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(yáng)能熱發(fā)電路在何方”之際，他表現(xiàn)出“繼續(xù)攻關(guān)、堅(jiān)守夢(mèng)想、不言放棄”的堅(jiān)定決心。正如“2017年度中國(guó)太陽(yáng)能熱利用科學(xué)技術(shù)杰出貢獻(xiàn)獎(jiǎng)”頒獎(jiǎng)詞中所說(shuō)的那樣：
“幾千年來(lái)的紅輪之火，帶給大千世界的萬(wàn)物之源和眼睛。不管云遮霧掩，不論雨驟風(fēng)狂，即便夕陽(yáng)西下，仍奉獻(xiàn)給黑夜以光亮，寒冷以溫暖，產(chǎn)業(yè)以動(dòng)力。人們對(duì)這光明和能量的來(lái)源，敬仰、追逐，從未停息。人，擁有一個(gè)夢(mèng)想不難，難的是能一生堅(jiān)守對(duì)夢(mèng)想的實(shí)踐。他在生活中低調(diào)，在科研中嚴(yán)謹(jǐn)，在實(shí)踐中活力無(wú)限！他建立一個(gè)實(shí)驗(yàn)室，引領(lǐng)一支隊(duì)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(zhǎng)壽命、無(wú)污染’的熔融鹽蓄熱技術(shù)走向民生，開(kāi)啟了綠色‘儲(chǔ)能春天’！”
我們祝愿他更多的研究成果能夠惠及全球太陽(yáng)能熱利用事業(yè)，也祝愿他的科學(xué)精神廣為傳承。
