走进“太阳王国”——光热发电技术如何点亮西班牙?
发布者:lzx | 来源:文明杂志 | 0评论 | 781查看 | 2020-04-02 15:18:28    

PS10太阳能发电厂利用塔式太阳能热发电技术,倾斜的“定日镜”可将阳光收集汇聚并反射到发电塔顶部的接收器上。“太阳王国”西班牙的塞维利亚在灿烂阳光的眷顾下,积极发展太阳能产业,变自然的恩赐为能源,点亮了西班牙,也带动了21世纪全世界对于太阳能这种绿色环保新能源的开发热潮。


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提到“太阳王国”西班牙南部的塞维利亚(Sevilla),你第一时间会想到什么?是享誉世界的雪利酒,还是健康美味的橄榄油?是热情洋溢的弗拉门戈舞蹈还是那部不朽名作《塞维利亚理发师》?抑或是西班牙的旅游胜地“太阳海岸”……


然而,在21世纪的今天,或许有越来越多的人因着绿色环保新能源的迅捷发展将目光投向这里,并记住了这个名字。“虽然我们不能输出阳光,但却能输出阳光产生的能源,点亮整个西班牙。”西班牙大桑卢卡尔市市长胡安·吕卢曾这样自豪地说道。


塞维利亚是西班牙安达鲁西亚自治区和塞维利亚省的首府,位于伊比利亚半岛的南部、瓜达尔基维尔河下游谷地,这里不仅是欧洲大陆最热、日照最强烈的地区,还拥有肥沃的冲积土。得天独厚的日照资源和广阔的闲置土地,加上西班牙政府对太阳能产业的高额补贴,使得西班牙日益成为全球最热衷于开发太阳能的国家之一,并使其成为世界最大的太阳能市场。太阳能产业在这里风生水起。


蓝色向日葵


在西班牙塞维利亚西部25公里处的大桑卢卡尔市(SanlucarlaMayor)比邻矗立着两座太阳能发电塔—PS10和PS20。在宽广的郊外,这座“双子塔”显得格外醒目。


PS10太阳能发电塔(PS10 solar tower plant)是欧洲第一座商业性的太阳能发电厂,由西班牙阿文戈亚能源公司(Abengoa)旗下的索鲁卡尔公司(Solucar)耗资3500万欧元兴建,自2001年7月开始,历时4年完工。2007年3月30日,PS10正式启用。


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图:汇聚的阳光热量使得PS10发电塔内的液态水转变为气态水,推动涡轮运转并发电,整个过程清洁无污染。


PS10发电厂是根据塔式太阳能热发电技术来实现大容量发电的。这座PS10太阳能发电塔高115米,大约有40层楼那么高,在它的周围共有624个日光反射装置—巨大的可移动镜片即“定日镜”(heliostats)。每面定日镜面积120平方米,倾斜的它们可以将阳光收集汇聚并反射到PS10发电塔顶部的一个接收器上,这些在太阳光反射下不断泛着蓝色光芒的“定日镜”,就好像一朵朵蓝色的向日葵。


而阳光汇聚产生的热量使得塔内的水循环系统随即升温,将液态水转变为气态水。这时电塔底部的巨型涡轮被水蒸气推动运转,可以产生11兆瓦(MW)的电力。水蒸气冷却后变回液态,会再次进入循环系统,因此这种发电方式并不会产生二氧化碳,相当绿色环保。


虽然相较于传统的方式,这种发电方式的成本高出近三倍,但如同风力发电一般,可以预见,未来它会随着技术进步获得成本降低的空间。


目前PS10电厂拥有的11兆瓦的发电量,可提供约6000个家庭的用电所需,而索鲁卡尔公司的最终目标是提供一整座像塞维利亚这样大的城市所需的电力。


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图:西班牙日照示意图。


作为“双子塔”另一部分的PS20太阳能发电塔(PS 20 solar tower plant)则是当今欧洲最大的太阳能发电厂。PS20相比于“前辈”PS10,这种新型的PS20太阳能塔有诸多技术改良:拥有一个更高效率的接收器,强化后的控制操作系统和新设计的热能储存装置。顾名思义,PS20发电塔拥有20兆瓦的发电力,能量来源则全部依靠定日追踪反射镜反射的阳光热能,约有92%的太阳热量能够直接被转变成电能。生态能源倡导者称,可以利用它从水里分解氢气,为生态动力车提供燃料。


PS20太阳能发电塔初建于2006年,由西班牙国王和王后亲自揭幕,可见这种绿色新能源在西班牙之受重视。PS20发电塔2009年9月开始运转,全部设施将于2013年完工,实现完全运营。到时候,整个电厂可以解决18万户家庭的用电,相当于每年减排60万吨的温室气体。


在PS20所在的反射区共有1255朵蓝色的“向日葵”,即1255面“定日反射镜”,每一个镜面的面积同PS10一样为120平方米。在这里所有的日光都通过这些“向日葵”反射集中到165米高的发电塔端接收器上,然后用聚集的热量产生蒸汽进而通过涡轮机转化为电力。


西班牙被誉为“全球可再生能源技术最发达的国家之一”,其可再生能源占能源总量的比重已经超过15%。接下来几年,这里还将建造更多的太阳能厂,包含更多的集热塔。目前有Solnova1、3和4三座共150兆瓦的太阳能厂正在建造,预计到2013年完工,该区会成为世界最大的太阳能园区。Ciemat公司、IDEA以及塞维利亚大学合作建造管理这座园区,总计高达300兆瓦的发电量将供应18万户家庭的用电,相当于满足整个塞维利亚城市的需要。并且每年将减少60多万吨的温室气体排放量。


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图:向日葵簇拥下的PS20太阳能发电塔。PS20是当今欧洲最大的太阳能发电厂。


白天也懂夜的黑


西班牙塞维利亚终年阳光明媚,每年这里都吸引着世界各地的游客前来,感受这座太阳城的如火热情。2011年的夏天,这个“阳光天堂”,再次吸引了世人惊艳的目光。


这简直就是一个伟大的艺术品!当我们驱车来到位于塞维利亚西部大桑卢卡尔市郊的小山岗上眺望,耀眼阳光下展现在眼前的,是一大片开阔的土地上依次整齐排列成同心圆的散发着蓝宝石般光芒的巨大装置,蔚为壮观。实际上这里就是世界上首个能夜间发电的太阳能电站—吉马太阳能光热电站(Gemasolar)。而那些熠熠闪光的,正是日光反射装置。


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图:吉马太阳能电站的技术人员正在检测安装有光线跟踪系统的“定日镜”。


太阳能作为人类最熟悉的可再生清洁能源,绿色环保。但由于地理和气候等因素的影响,长久以来依然难摆脱“靠天吃饭”的局面,夜间无法运作、电力不易存储等不可靠性一直是制约规模化太阳能发电的瓶颈。而今这座吉马太阳能电站可以整夜地运行,它能确保在没有太阳光的夜晚也能发电,以造福人类。这项太阳能发电技术的革命性突破,究竟有着怎样的奥秘?让我们一探究竟,去揭开它神秘的面纱吧。


以往的太阳能发电厂一般采用太阳能电池板,通过吸收光子的能量直接产生电流,这种发电方式又被称为光伏发电。而太阳能高塔发电厂则是利用反射的太阳光加热水来进行发电,因此这种发电方式被称为反射太阳能集热发电。和PS10和PS20那样的太阳能发电塔一样,吉马太阳能电站正是依靠反射太阳能的方式来集热发电的。


吉马太阳能电站由2650块太阳能电池板构成,覆盖面积达到185万平方米,相当于200多个足球场大。安装有光线跟踪系统的数千面“定日镜”能像向日葵一样跟随太阳移动,将95%的太阳辐射汇聚到该太阳能电站中心的巨型集热接收器上,其主体犹如一个高高的工厂烟囱—而奥秘正是源自这只“烟囱”。


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图:PS10太阳能发电塔周围共有624面巨大的日光反射装置——“定日镜”。


集热装置好似一个巨大的铁罐,里面盛放着用来吸收并可以存储热量的熔盐—硝酸盐。在白天,在太阳辐射的聚集加热下,这些铁罐中的熔盐温度可高达900摄氏度,熔盐受热融化,吸收热量,由高温产生的高压蒸汽开始驱动涡轮发电机运行,从而产生电力。


与槽式聚光技术相比,这种系统能产生更高的温度,提供更多的高压蒸汽,从而使发电效率大幅提升。不同于其他太阳能电站的关键在于,这里由阳光产生的能量更易存储。在夜间或没有阳光的情况下,温度降低,熔盐会凝固并释放大量的热量到管道中,继续加热高塔水箱中的水,产生蒸汽继续发电。


该电站储存在熔盐罐里的热量能持续发电长达15小时(是其他再生能源电能的3倍以上)。也就是说,白天晒够约9小时的太阳,吉马发电机全天24小时都可以发电。而在西班牙塞维利亚这样阳光充足的“太阳城”,意味着包括夜间的绝大多数时间它都能够正常运行。据专家分析,每年它至少可以发电270天,这使得“昼伏夜出”成为现实。


2011年7月,历时两年建设的吉马太阳能光热电站顺利完成了为期一个月的试运行,并成功实现了24小时不间断供电,从而成为世界上第一个能够全天候供电的商业化太阳能电站。科学家预计该发电站每年发电量可达到1.1亿千瓦时,足以满足安达鲁西亚地区25000个家庭的用电量,年减排二氧化碳可达3万吨。


吉马太阳能电站项目由阿联酋马斯达尔能源公司和西班牙SENER工程建筑公司(世界上唯一开发建造中心塔熔化盐接收技术商业发电站的公司)下设公司“托雷索尔能源”(Torresol Energy)共投资2.6亿英镑经营,该项目目前已获得多家欧洲金融机构总额高达1.71亿欧元的投资和西班牙政府为期25年的电价补贴。托雷索尔能源主席恩里克-桑达戈尔塔强调,熔盐蓄热系统高效可靠,能大幅降低太阳能发电站的投资成本,新技术的标准化正可以改善可再生能源发电的尴尬处境。


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图:2011年7月,吉马太阳能光热电站实现24小时不间断供电,成为世界上第一个全天候供电的商业化太阳能电站。


自然恩赐于每个角落


自古以来,地球上形成的各式各样的生物主要都依靠太阳提供的光和热生存。而在人类文明漫长的发展历程中,人类也逐渐掌握依靠太阳晒晾食物和衣物等众多的生活技能。随着人类对煤炭石油等不可再生资源的过度开发,在能源日益枯竭的今天,人类日渐把目光转向太阳光产生的辐射能量—太阳能这种可再生能源,力图更加充分地对之开发利用。


地球上许多能量都来源于太阳能,而太阳能在当代主要用于发电。其利用方式主要分为两种,光热转换和光电转换。光电转换又称太阳能光伏转换。当太阳能板暴露在阳光下,便会产生直流电,从而发电。发电装置由半导体物料(例如硅)制成的薄薄的固体太阳能电池组成。


简单的光伏电池可为手表及计算机提供能源,较大的光伏系统则可为房屋照明并为电网供电。由于太阳能板可以制成不同形状并组合,这些光伏设施通常被附设于建筑物。而无论是西班牙的吉马太阳能发电站还是PS20发电站,这种依靠集热式太阳能(Solar Thermal)实现的方式都属于光热转换。


无论在喧闹繁华的大都市还是在静谧僻远的小乡村;无论在鳞次栉比的写字楼中,还是在舒适温馨的家园里;无论是在车上、船上,还是在飞机上……在这个地球的各个角落,我们都越来越多地利用着大自然带给我们的恩赐—太阳能。而太阳能计算机、太阳能手表、太阳能背包等各式太阳能应用装置不断涌现,当然还有西班牙的太阳能发电塔。


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图:吉马太阳能电站有2650块“定日镜”和一个巨型的集热接收器。


欧洲鼓励发展太阳能,这其中属西班牙政府提供的补贴最为优厚,曾高达每度电58美分。除了欧洲,美国、澳大利亚等国都相继大力研究开发太阳能集热发电。在美国加州东南部的莫哈韦(Mojave)沙漠,Google公司正投资1.68亿美元打造世界上最大的塔式太阳能发电站项目—艾文帕太阳能电力采集系统(ISEGS)。该项目占地14.6平方公里,将放置17.3万个反光镜。


它发出的电将是现今全美国商用太阳能集热发电量的两倍。而摩洛哥和阿尔及利亚也建有此类电站。台湾体育场场馆的屋顶采用多达8844片的太阳能光伏板,是全球第一座具有100万瓦太阳能发电容量的运动场;澳洲实行“阳光伏城计划”(Solar Citiesinitiative),圣地爱丽丝泉、阿得雷德、佩斯、汤士维尔与布莱克顿五个城市获取政府补助,相继打造成为太阳能发电系统城市。


正是由于太阳能在日照充足的条件下可以源源不断地供应能量,生产过程不会产生污染,绿色环保,世界各地都在享用着这来自大自然的恩赐,积极开发太阳能。尽管利用太阳能发电还存在成本高、转换率低等问题,但全球该领域的众多专家依然看好这一产业的发展,认为21世纪太阳能产业将会有更广阔的发展空间;全球太阳能市场不但会增长,太阳能企业的发展战略也将更加全球化。


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图:欧洲第一座商业性太阳能发电厂——PS10太阳能发电厂周围的“定日镜”,像一朵朵蓝色的向日葵。PS10电厂拥有11兆瓦的发电量,可提供西班牙约6000个家庭的用电所需。

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