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熔盐光热电厂——能源可持续发展瓶颈的突破者
来源:数字通信世界   作者:赵法彬   添加时间:2019-05-07 21:47
近日,全球最大的科技人员组织IEEE(电气与电子工程师协会)邀请工业自动化专家董琪先生,分享了对于能源可持续发展瓶颈突破者——熔盐光热发电的洞察。作为新能源发电领域的后起之秀,光热电站是一项具备成为基础负荷电源潜力的新兴能源应用技术,将为生态文
(IEEE会员 董琪)电力是目前全球工业生产与民众生活最重要的能源,也是目前碳排放等可持续发展最大的瓶颈与制约之一。据国家能源局数据显示,截至2018年底,我国可再生能源发电装机达到7.28亿千瓦,占全部电力装机的38.3%,可再生能源的清洁能源替代作用日益突显。作为新能源发电领域的后起之秀,光热电站是一项具备成为基础负荷电源潜力的新兴能源应用技术,将为生态文明建设和低碳社会发展带来新的突破。
 
熔盐光热电厂突破新能源发电的困境
 
目前在中国大陆,主要有以下五种新能源发电厂:风力发电、核能发电、天然气发电、光伏发电以及生物质/垃圾发电。但与传统的火力发电相比,新能源发电存在着诸多问题:核能、垃圾发电虽然可以24小时稳定地向电网输送电力,却会带来环境污染和放射性影响;天然气发电则受储量等因素的限制,无法实现持续稳定使用;而风力发电和光伏发电,目前面临的最大的问题是无法24小时向电网持续稳定的输送电力。
 
相比之下,太阳能光热发电具有连续、稳定输出的特点,将成为解决新能源发电问题的创新突破点。光热发电与光伏发电的区别在于:光伏发电是利用半导体界面的光生伏特效应而将光能直接转变为电能,因此无法在夜间发电;熔盐光热电厂的原理是利用太阳光把盐熔化,利用盐存储热能,再利用热能转变成为电能。储能熔盐作为一种低成本、长寿命、性能好的传热储热介质,从熔化的液体变成固体需要相当长的时间,解决了光伏在夜间不能发电的问题。
 

图:被誉为“超级镜子发电站”的光热电站
 
通过聚光吸热、储能换热等环节,被誉为“超级镜子发电站”的熔盐光热电厂能够快速将太阳光转化成电能,24小时不间断地为千家万户送去清洁能源。每当太阳升起,熔盐光热电厂镜场系统就将万束阳光反射到吸热塔顶部,开始对熔盐进行加热。其中,一部分热熔盐进入蒸汽发生器系统产生过热蒸汽,驱动汽轮发电机组发电,一部分热量存储在熔盐罐中,为日落后满负荷发电积蓄能量。一般火电厂蒸汽温度在400-600摄氏度之间。熔盐电厂盐在熔化后一般工作温度在500摄氏度左右,完全可以满足汽轮机发电的运行需求。
 
熔盐光热电厂镜场系统的搭建
 
然而,任何新生事物的早期应用都是有问题和缺点的。以塔式熔盐光热电厂为例,目前其核心难题是镜场系统的控制,因为镜场系统决定了太阳光是否可以高效的进行盐的熔化。如何利用自动化技术控制镜场聚光系统,追踪太阳光并高效收集太阳能是我研究的重要课题之一。
 
根据自动化控制原理和模型,任何一个自动化控制系统都可以拆分成为三个层次——现场执行层、通讯层、信息管理层。绝大多数自动化控制系统都是由闭环及有反馈的系统组成。举个简单的例子,家长告诉小孩:现在要去写作业了。但孩子会真的乖乖写作业吗?多数情况下,家长需要隔段时间去观察一下孩子,这就是一个简单的闭环反馈自动化系统。家长每隔一段时间的观察,就是对整个系统的反馈和校正。
 
因此,任何一个镜场系统,也存在着主控和辅控两个系统,构建一整套塔式熔盐电厂的镜厂网络需要以下两步:
第一,  搭建传输命令与执行的主要控制网络。由于地球公转及自转的影响,太阳光会经常变换位置。因此主控系统的目的和作用是控制所有的镜子,在不同的时刻以合适的角度反射太阳光,让太阳光汇聚在装满盐的吸热塔顶部。
第二,  搭建辅控系统,去定期检查反射的光斑是否准确照射在吸热塔上。例如使用摄像头来进行视频的监控与反馈。
 
新技术看似层出不穷,但都是基于已有科技进行的叠加式创新,熔盐电厂的镜厂聚光系统亦然。作为IEEE电气和电子工程师协会的一员,未来我将继续关注电力能源领域的科技创新,积极探索解决人类发展难题的理想方法。
董琪先生是IEEE会员,长期从事工业以太网的研发与推广工作,并大量参与中国地铁与高铁建设,目前任职于唯栎电子科技(上海)有限公司。

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