CSPPLAZA光热发电网报道：提高电站效率，降低发电成本是光热发电行业最值得关注的核心问题，选用何种工质则直接决定了光热发电系统的运行效率，目前占据主流地位的传储热材料是二元熔盐，但其也存在上限温度较低（570°C），具有腐蚀性，易凝固而造成管路堵塞等缺陷。为寻求进一步突破，光热发电行业一直在尝试寻找一种更高效、上限温度更高的传储热材料。

　　液态金属被认为是一种可选的传热介质。早在20世纪50年代，液体金属就被运用在潜水艇的小型核反应堆中，后来又被运用在民用核电站中。用于核反应堆的金属合金主要是由钠或钠钾合金组成。但是以钠为基础的合金在操作中非常危险，特别是在管道发生泄漏时。美国在这项技术中一直处于领先地位。2012年，在美国能源部Sunshot计划的支持下，加利福尼亚州立大学洛杉矶分校的一个团队就开始对一种耐高温的金属传热流体进行研究，但由于在实际操作中存在的安全性、稳定性等相关问题，液态金属一直未能得到实际应用。

　　近日，来自南欧的马耳他威尔得有限公司（科研团队来自德国和瑞士）声称已突破相关技术难题，成功研发出一套新型的以液态金属为传热工质的创新型光热发电系统。为深入了解该技术，CSPPLAZA记者日前采访了该公司总经理兼技术总监Ulrich Georg Bech。

　　CSPPLAZA:请介绍下这种创新型光热发电系统的工作原理？

　　Ulrich Georg Bech：这套系统的创新之处在于使用液态金属合金作为传热介质进行闭合循环。根据客户需要，通过三相交流直线电机泵（一种电磁泵，没有任何机械转动部件,可以精准运作）将介质泵入任何形式的吸热器。

　　在我们设计的通过相变进行的传热过程中（比如蒸汽动力的朗肯循环Rankin cycle），液体金属加热成金属蒸汽，金属蒸气再从吸热器进入到带有短期储热功能的换热器中。这两个步骤可以合并在一个紧凑的装置内，适用于空间有限的塔式吸热器。

　　需要特别指出的是，这套系统与现有的光热系统并不相悖。我们的技术可以为已建成的槽式、菲涅尔式光热电站提供800°C的过热蒸汽，使最终输出的蒸汽温度可以稳定保持在540°C以上，从而提高光热电站的整体发电效率。

　　而且从我们在试验炉中多次得到的“单管循环”测试结果来看，我们的设备不仅可以在800°C以上的温度保持正常状态，还可以承受间歇性不可避免的过热工况，最高可承受1100°C!在这样的高温下，大部分熔融盐都会开始分解并可能对管道造成腐蚀，管道也将因此存在泄漏的隐患。这是电站管理的一大噩梦，因为要在整个系统中迅速找到是哪一部位的哪一根管道开始泄漏非常困难！同样，当出现冻堵情况时，管道的维护和修理也会异常麻烦。

　　在这里我们提供两个液态合金光热系统的应用方案：

　　1. 作塔式、槽式电站的补燃电站：与现有的槽式以及塔式电站进行结合，可以建一个或多个20MWth的补燃电站，通过二次反射beam down系统（成本相对较低）或侧向辐射（side wise radiation concentration）进行集热。这样的系统可以建造在山坡上，将平地留给农业，优化土地资源配置。

　　2. 塔式液态金属光热电站：根据需要，选择合适的液态金属合金作为传热介质，在特定的温度下产生液态金属蒸汽。我们的换热和储热温度已经可以达到1000°C以上。这样的高温下，可以将太阳能光热技术运用于煤化工和锌制氢工业。这两种应用都需要1000°C以上的温度作为氧化锌还原反应的前提条件。这是一个长期发展的项目，目前已获得了一定私人投资的支持。

　　下图是一个结合了吸热器、短期储热和换热（蒸汽发生器）部分的实验装置示意图。我们可以根据需要，设计不同类型的测试系统，作为实际电站建设的参考。

　　图：使用液态金属作为传热介质的高温热发电系统原理图

　　CSPPLAZA:该系统的核心是液态金属，那么这种液态金属的成分是什么？液态金属的安全问题是否得到了解决？

　　Ulrich Georg Bech：我们所选的金属材料是可以在5bar压力之下，800°C以上的高温条件下运行、操作的。我可以先透露一下，它是一种锡合金。锡的熔点是231°C，而在大于2000°C的温度下其将蒸发成为气态。它的稳定性是构建不同合金的基础。操作的关键是合金必须与适当的金属管道相匹配，稳定运作。因为整个封闭循环系统的压力很低，所以可以避免管道出现意外爆破的现象。但是必须由具有高级材料经验的人来设计管道，包括涂层。这也是为什么我们欧洲技术团队中有3位冶金学专家，一位热炉设计专家和一对运营20余年家族涂料厂的父子。

　　我们之所以选择锡作为合金的基础，不仅因为它有较低的熔点和较高的沸点，适合工业应用，还在于它的安全性。即使在户外空气中，液态锡合金也可以安全操作。因为首先锡合金是没有毒性的，其氧化物也是无毒的。其次，万一液态锡合金发生泄漏，金属锡表面将迅速形成一个坚实的氧化物外壳，避免进一步氧化。所以长久以来，人们使用锡盒，锡罐来盛放食物和饮料。现在大家对于液体金属安全性的顾虑主要来源于核反应堆中钠作为液体金属传热介质引起的严重事故。但是以钠作为核反应堆中的液体金属传热介质，本身就是一种由军事需求（快速潜水艇的建造）而紧急发展出来的一种非常“大胆”的技术，有其历史发展背景。在核反应堆的蒸汽发生器中只要在高压环境中有一滴钠泄漏，就会引起爆炸性的化学反应，往往造成整个核电站或潜水艇的毁灭。所以我们认为在所有带有压力的管道循环中，锡是最可靠的传热介质。以锡为主的液态合金是取代熔融盐，产生过热蒸汽的更可行的方案。

　　图为一个开放的高温炉测试，利用辐射原理对集热管进行加热

　　CSPPLAZA:该系统与目前很受业界热捧的塔式熔盐系统技术相比有何优点？

　　第三，关键的技术优势是液态金属完全打破了常规熔融盐在600°C以下运行的温度限制。我们通过测试已经实现了800°C以上的稳定温度，具体技术数据目前保密，还有更多测试正在进行中。这是我在中国首次接受采访，我希望用我们6年的技术发展成果，打破大家对液态金属传热介质的负面印象。

　　我还想说明的是，作为冶金学家，我们了解中国长达几千年的非铁冶金技术的历史。我们的其中一位技术专家在中国的制锌冶炼厂工作过9年，非常清楚如何处理在锌冶炼过程中产生的其他金属，它们可以像纯铟一样具有高经济价值。所以我们很有信心，可以在中国找到合适的技术伙伴！

　　Ulrich Georg Bech：是的，我们更倾向于做成模块化。因为操作单个大型的吸热器更有风险。一根管道上出现一个问题就会导致整个系统停滞，如果不能马上控制热流还会引起更大的损失。熔融盐的泄漏会引发很严重的事故。我们独立过程管理的小型吸热器模块，可以更容易发现问题的所在。只需拿出问题模块，就可以让系统继续正常运行。

　　我们研究了不同的模块组合形式。比如棋盘状组合模型，可以与二次反射镜场（Beam-Downmirrorfield）和坡状镜场（hillsidemirrorfield）结合。可以根据选址和太阳能光资源进行灵活组合。

图：法国南部FourSolaireOdeillo太阳能热发电试验装置采用的是坡状镜场

图：法国南部FourSolaireOdeillo太阳能热发电试验装置的设计示意图

图：马耳他威尔得有限公司设计的坡状镜场示意图

　　CSPPLAZA：使用液态金属传热的高温热发电系统在运行过程中，对吸热器等关键部件有什么要求？你们提供的相关设备与市面上现有的设备相比经济性如何？

　　Ulrich Georg Bech：液态金属传热技术上的难点和熔融盐传热系统一样，就是标准涡轮机蒸汽发电系统所需的高压。这种技术已经发展了多年，主要运用在燃煤电站中。为这些系统服务的锅炉制造者积累了几代人的丰富经验，这些人知道如何处理从燃煤中产生的高于1200°C的污染气体！污染气体在这样的温度下难以过滤，部分熔融陶瓷粉尘会在几小时内就堵塞机器，这也是为什么这些气体不能直接用于低压燃气涡轮机的原因。

　　但是我们的封闭太阳能热循环系统是完全清洁的！所以我们的技术可以直接用于燃气涡轮机。这有一个额外的好处，即在紧急情况下，可以用液体燃料补燃，比如煤化工产生的甲醇或生物乙醇，甚至附近机场的喷气燃料，直接启动燃气涡轮机发电。

　　从经济性上来讲，作为传热介质的锡成本较高。但是在整个吸热器和换热器中需大量使用的管道合金材料较之熔盐系统更便宜。此外，还有一个重要的优势是，我们的传热介质稳定并且可以重复使用。甚至连锡也可以很容易从吸热器或换热器中回收、提取，重新成为新的材料。也就是说，大部分的传热介质材料都不会损失！

　　由于光热发电系统成本昂贵，仅靠白天发电所获得的经济效益实难与光伏发电竞争，因此光热发电技术必须致力于提供“更高品质的电力输出”。另外光热技术除了发电还可以为城市供暖，制造石油化工副产品，或利用锌制氢提供跨季节的分布式储能（在冬季也可以提供能源）。这些是光热较之光伏和风能等可再生能源的优势所在！

图：在左图的陶瓷炉中，通过强烈辐射加热“U”集热管元件，使其表面温度高达1600°C，顶部+两侧共有8个热电偶。右图是含泵的换热器模型，在陶瓷储热箱内操作，具备短期储热功能。此为模拟吸热器的测试设备，非实际工业化设计。

　　CSPPLAZA：为何至今尚无实际的示范系统建成？为何不在国外推广该技术？

　　Ulrich Georg Bech：事实上，现在有三种不同的测试循环仍处在保密阶段。在大规模投入示范电站之前，我们希望先在内部充分地测试不同循环技术的可靠性，包括进行长时间模拟和过热点的测试。

　　我们现在可以提供的基本方案有：

　　1.可替代熔融盐、工作温度可达700°C的液态金属技术

　　2.产生800°C过热蒸汽的补燃电站，作为现有只能达到400-500°C的光热电站的补充。

　　我们为潜在客户提供服务的第一步是出具一份详细、精确的模拟报告（针对所需的吸热器设计和储热部分）。其他的标准组件都可以在中国本土进行采购。我们可以帮助客户在中国选择符合要求的设备。我们公司的业务不在于整体电站的建设，中国的公司可以在这方面做得很好，有些还具备丰富的海外市场经验。

　　2012年，我们做了一个市场可行性研究，然后把目标锁定在中国，其原因有三：

　　1，作为制造业大国，中国可以提供90%以上合格的低成本光热电站所需组件。

　　2，中国的光热发电行业已获得政府的大力支持。

　　3，中国不仅有巨大的市场，也有其独特性。主要表现在太阳能发电及供暖的能源供应（西部）与市场需求（东北和东部沿海城市群）在地域上以及季节上的不匹配性，这与美国西南部或西班牙南部市场的状况不同。比如美国西南部或西班牙南部的太阳能发电站与其周边城市群的距离没有中国东西部的距离跨度大。我们这项技术更能适应中国电力市场的特殊性。

　　CSPPLAZA：您的系统如何与制氢结合？将太阳能发电与制氢相结合能带来什么经济效益及其他好处？

　　Ulrich Georg Bech：我们已经成立一个子公司“威尔得氢能有限公司”来专门发展这项技术。

　　我们的专利高温技术保证了极高的光电转化率和储能效率，但是中国真正面临的挑战是光热资源在季节和空间部分上的不平衡。在中国中部许多太阳热辐射充足，又具备丰富煤资源的地区，在夏天光照条件好的条件下，可以利用光热技术提取纯锌颗粒。（这比把原料煤用在钢铁厂更合适）提取纯锌颗粒过程中产生的一氧化碳,通过煤化工技术可以生成甲醇这样的替代燃料。对于远离沿海炼油厂的中部地区来说，这样做极具价值。

　　我们有这方面的专家负责整个技术路线。当有中国的合作伙伴确定加入时，我们才会公布更多的细节。目前为止，技术团队主要在瑞士。同时，我们和中国铝业的制锌部门和水泥炉制造商也有联系。

图：马耳他威尔得太阳能制氢工艺原理示意图

　　CSPPLAZA：您希望在国内找到帮助建造5MW原型系统的合作伙伴，考虑如何合作？

　　Ulrich Georg Bech：寻找对液态金属高温应用于光热电站的技术有深入了解的合作伙伴并不容易，通常大家最关心的是这种技术有没有相关的实验项目建成。这是可以理解的。但是一个5-15MWe甚至是50MW的示范电站如果没有几年的运行时间也不能证明其可靠性。运营商一般不敢将电站运行至极端状态，这样损失会很大。而我们的示范循环会故意将单管循环运行至极限状态直至损坏，来观察管道结构被破坏的过程。甚至故意在更高的温度范围内，加速集热管和液态金属之间的腐蚀/扩散的过程（比如在1050-1120°C进行模拟测试）。

　　我们将通过可行性研究为合作伙伴选择适当的集热管类型。一个吸热器模块将由2x20根集热管组成，然后以棋盘状的方式扩大。每个吸热器模块配有2个独立的泵进行过程管理。

　　我希望与意向投资者先合作建一个5MWe的示范电站。这样再做5x5MWe的项目就会相对容易。或者做一个7-10MWe的示范电站，结合相对廉价的菲涅尔光热技术，这样再建一个100MW的项目会更容易。

　　CSPPLAZA：目前有不少海外的创新技术来中国进行推广，但最终成功落地的屈指可数，您对这项技术有足够的信心吗？目前在国内都接触了哪些机构与企业？他们对该技术的评价如何？

　　Ulrich Georg Bech：过去4年，我们一直专注于太阳能光热发电技术的储能领域，特别是根据中国的具体情况，结合制氢技术，提供跨季节的分布式储能方案，并跟很多可能合作的中国供应商和设计单位都建立了联系，也多次收到IEECAS（中科院电工所）李鑫博士的邀请。他对我们的新技术很“感兴趣”。一旦该技术被证明是可行的，将有很大的市场潜力。今年，我们已经在自己的实验场地完成了测试实验，接下来将会到瑞士最大的国家研究所保罗谢尔研究所（PSI）进行单管循环实验测试。在与中国的一些专家进行交流后，他们也特别支持这一想法。因此，我觉得现在是合适的时机来向中国推广这项新技术了。

　　需要说明的是，马耳他威尔得有限公司的子公司“威尔得氢能有限公司”有专门的技术人员负责太阳能制锌技术的工业化开发。同时我们将证明我们自主研发的液态金属传储热技术在光热发电的效率和维护方面会比熔融盐技术更有优势。

　　我们所提供的并不是只在理想状态下可行的“半成品”技术。我们的几位核心工程师在服务和运行发电站及冶金工厂方面有超过2代人的经验，并具有在中国的车间和中国工匠们一起工作的经验。我们的测试成果并不是科学家在实验室做的理论研究，而是能够运用在实际操作中的工业化技术。

　　Ulrich Georg Bech简介

　　目前担任马耳他威尔得有限公司和威尔得氢能有限公司总经理兼技术总监。

　　身为欧洲先进材料专家，他曾为西门子汽轮机厂的高级材料工程师；曾为瑞士布朗勃法瑞公司（ABB集团前身），法国阿尔斯通和法国电力集团,德国福伊特水电集团，瑞士苏尔寿集团,奥地利ANDRITZ集团的高温材料设备供应商并提供咨询服务。

　　他还是一名能源市场专家：作为能源领域专家，担任德国经济和科技部咨询委员会的委员长达20余年。

　　如需进一步了解该技术，请与本网站取得联系。