金紅光團隊：創新太陽能熱化學互補發電系統
來源：中國科學報 | 0評論 | 5913查看 | 2012-09-05 16:47:00
太陽能以其儲量無限、開發利用清潔等特性備受關注，但太陽能發電也有成本高、效率低和依賴光照條件等問題。如何解決太陽能的高效收集、轉化和能量儲存問題，并和其他發電方式組成互補的綜合發電系統，是太陽能熱發電利用發展中亟須解決的重大科學問題。
在國家自然科學基金重點項目、重大研究計劃項目和國家杰出青年科學基金項目資助下，中科院工程熱物理研究所研究員金紅光團隊對太陽能互補發電進行了系統研究，該團隊研制的太陽能熱化學互補發電系統目前已成功發電，并引領國際中低溫太陽能與化石燃料互補發電的新方向。
“互補”的優勢
“單純太陽能發電對光照條件要求較高，太陽能和傳統化石燃料發電互補的思路是對傳統發電設備進行改造，讓它在有太陽時用太陽能，陰雨天或夜晚用傳統燃料發電。”金紅光對《中國科學報》記者說，“這兩者所用的發電設備相同，改造起來難度并不大，費用也不是問題。”
目前，太陽能與化石能源互補發電主要分為兩大類：一是太陽能與熱力循環的熱互補，即通常我們說的太陽能熱發電；二是太陽能與化石燃料的熱化學互補，即太陽能熱化學發電。
太陽能與熱力循環的熱互補是根據不同聚光形式，將不同集熱溫度的太陽熱以熱量傳遞的方式注入熱力循環。太陽能與化石燃料的熱化學互補是將太陽熱與化石燃料重整、裂解等不同燃料轉化反應過程結合，使太陽能轉化為燃料化學能，再同熱力循環集成共同實現熱功轉換。
“目前制約太陽能熱發電發展的主要技術障礙是聚光成本較高，在不穩定太陽輻照下的系統光學效率和熱功轉換效率低，因此太陽能發電規模難以實現突破。與前者相比，熱化學互補發電的聚光要求低，效率可提高一倍，因而前景更誘人。”金紅光說。
互補發電新方向
國際上，高溫太陽能與化石燃料熱化學互補發電系統僅有20年左右的研究歷程，主要著眼于攝氏900度至1200度左右的高溫太陽熱化學與天然氣互補的轉化和利用。研究也多集中在二次聚光的高溫聚光鏡、太陽能熱化學反應器等部件性能的提高和相關催化劑的研發。一方面將太陽能轉化為高密度燃料化學能；另一方面化石燃料可以從高碳組分變為低碳的太陽能二次燃料。這樣，不僅可以遠距離輸運和長時存儲太陽能，而且化石燃料轉化二次燃料的燃燒只產生較少的污染物。
2003年，德國啟動了國家能源計劃，開展太陽能重整甲烷—燃氣蒸汽復合熱發電系統示范項目研究工作。德國宇航實驗室（DLR）與以色列Weizmann研究所共同開展了300千瓦太陽能甲烷重整集熱反應器的研究。瑞士在國家ETH計劃和PSI研究中心資助下，開展更具廣泛性的太陽能—天然氣與氧化鋅重整的能源環境系統研究。但這種高溫太陽能熱化學互補發電依賴于高聚光比（近千倍聚光）和不穩定的太陽能能流密度，難以低成本大規模應用。
2000年以來，在國家自然科學基金資助下，金紅光團隊對太陽能熱發電系統中能的梯級利用問題，光輻照、集熱、熱力循環三者間能的品位和相互利用機制，太陽能和其他能源互補的系統集成等問題進行了研究，闡明了太陽能與化石能源互補的綜合利用原理，提出以中低溫太陽能驅動替代燃料的吸熱反應，將其轉化為高品位的太陽能燃料，進而通過燃燒和熱力循環實現太陽熱和替代燃料的梯級利用。
該研究不僅改變了化石燃料直接燃燒的做法，還革新了太陽能簡單光熱發電的方式。相關論文發表后，獲得國際學術會議最佳論文獎。ASME Solar Energy雜志前主編、瑞士蘇黎世工學院教授Aldo Steinfeld評價說：“該研究原創性地建立了評價太陽能中低溫利用過程的理論框架，精辟地應用了熱力學。”
“國際上相關的研究主要集中在高溫太陽能熱化學互補發電領域，就中低溫太陽能熱化學發電方面，我們的研究是原創的，是一個新方向。”金紅光說。
商業化的黎明
“我們在通州建的熱化學互補發電設備已經能夠發電，從技術上來說只要對原來大型電廠的設備進行些改造即可實現互補發電，現在完全可以商業化。”金紅光說，“但和傳統熱力發電相比成本略高，目前缺乏相關產業政策的鼓勵扶持，太陽能互補發電正處于商業化的黎明。”
為了加速和推進高效、低成本太陽能熱互補發電技術的發展，該團隊提出利用廉價、成熟的槽式聚光鏡聚集攝氏200度至300度太陽熱，不僅對降低太陽能互補發電投資成本具有巨大潛力，而且太陽能凈發電峰值效率能達到35%，比德國宇航實驗室提出的高溫太陽能與天然氣重整發電系統高5個百分點，比傳統太陽能單獨熱發電系統效率高15~20個百分點。
中科院工程熱物理所分布式供能與可再生能源實驗室研究團隊通過研制國際首套中低溫太陽能吸收—反應器（5千瓦），試驗驗證了中低溫太陽能品位提升方法與機理，建立了10千瓦太陽能熱化學發電裝置，并初步完成了國際首套100千瓦熱化學發電系統設計。并發明了中低溫太陽能與化石燃料熱互補的發電系統和冷熱電分布式供能系統。該研究引領了國際上太陽能中低溫熱化學與化石燃料互補研究的新方向，為發展我國具有自主知識產權的太陽能先進能源系統技術、推動能源可持續發展與節能減排提供了新途徑。
近5年，該團隊以科學基金為牽引，又承擔了國家“863”、“973”等項目，開展了太陽能熱發電關鍵技術攻關，對我國近中期實施低成本、規模化的高效太陽能與化石能源互補發電工程建設提供了重要科學依據。
“不同類型的項目有不同的作用，科學基金更關注基礎問題和機理研究，在該領域基礎理論支撐上，發揮了不可替代的作用。”金紅光說。
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