CSPPLAZA光熱發(fā)電網(wǎng)報道：提高電站效率，降低發(fā)電成本是光熱發(fā)電行業(yè)最值得關注的核心問題，選用何種工質則直接決定了光熱發(fā)電系統(tǒng)的運行效率，目前占據(jù)主流地位的傳儲熱材料是二元熔鹽，但其也存在上限溫度較低（570°C），具有腐蝕性，易凝固而造成管路堵塞等缺陷。為尋求進一步突破，光熱發(fā)電行業(yè)一直在嘗試尋找一種更高效、上限溫度更高的傳儲熱材料。

　　液態(tài)金屬被認為是一種可選的傳熱介質。早在20世紀50年代，液體金屬就被運用在潛水艇的小型核反應堆中，后來又被運用在民用核電站中。用于核反應堆的金屬合金主要是由鈉或鈉鉀合金組成。但是以鈉為基礎的合金在操作中非常危險，特別是在管道發(fā)生泄漏時。美國在這項技術中一直處于領先地位。2012年，在美國能源部Sunshot計劃的支持下，加利福尼亞州立大學洛杉磯分校的一個團隊就開始對一種耐高溫的金屬傳熱流體進行研究，但由于在實際操作中存在的安全性、穩(wěn)定性等相關問題，液態(tài)金屬一直未能得到實際應用。

　　近日，來自南歐的馬耳他威爾得有限公司（科研團隊來自德國和瑞士）聲稱已突破相關技術難題，成功研發(fā)出一套新型的以液態(tài)金屬為傳熱工質的創(chuàng)新型光熱發(fā)電系統(tǒng)。為深入了解該技術，CSPPLAZA記者日前采訪了該公司總經(jīng)理兼技術總監(jiān)Ulrich Georg Bech。

　　CSPPLAZA:請介紹下這種創(chuàng)新型光熱發(fā)電系統(tǒng)的工作原理？

　　Ulrich Georg Bech：這套系統(tǒng)的創(chuàng)新之處在于使用液態(tài)金屬合金作為傳熱介質進行閉合循環(huán)。根據(jù)客戶需要，通過三相交流直線電機泵（一種電磁泵，沒有任何機械轉動部件,可以精準運作）將介質泵入任何形式的吸熱器。

　　在我們設計的通過相變進行的傳熱過程中（比如蒸汽動力的朗肯循環(huán)Rankin cycle），液體金屬加熱成金屬蒸汽，金屬蒸氣再從吸熱器進入到帶有短期儲熱功能的換熱器中。這兩個步驟可以合并在一個緊湊的裝置內，適用于空間有限的塔式吸熱器。

　　需要特別指出的是，這套系統(tǒng)與現(xiàn)有的光熱系統(tǒng)并不相悖。我們的技術可以為已建成的槽式、菲涅爾式光熱電站提供800°C的過熱蒸汽，使最終輸出的蒸汽溫度可以穩(wěn)定保持在540°C以上，從而提高光熱電站的整體發(fā)電效率。

　　而且從我們在試驗爐中多次得到的“單管循環(huán)”測試結果來看，我們的設備不僅可以在800°C以上的溫度保持正常狀態(tài)，還可以承受間歇性不可避免的過熱工況，最高可承受1100°C!在這樣的高溫下，大部分熔融鹽都會開始分解并可能對管道造成腐蝕，管道也將因此存在泄漏的隱患。這是電站管理的一大噩夢，因為要在整個系統(tǒng)中迅速找到是哪一部位的哪一根管道開始泄漏非常困難！同樣，當出現(xiàn)凍堵情況時，管道的維護和修理也會異常麻煩。

　　在這里我們提供兩個液態(tài)合金光熱系統(tǒng)的應用方案：

　　1. 作塔式、槽式電站的補燃電站：與現(xiàn)有的槽式以及塔式電站進行結合，可以建一個或多個20MWth的補燃電站，通過二次反射beam down系統(tǒng)（成本相對較低）或側向輻射（side wise radiation concentration）進行集熱。這樣的系統(tǒng)可以建造在山坡上，將平地留給農(nóng)業(yè)，優(yōu)化土地資源配置。

　　2. 塔式液態(tài)金屬光熱電站：根據(jù)需要，選擇合適的液態(tài)金屬合金作為傳熱介質，在特定的溫度下產(chǎn)生液態(tài)金屬蒸汽。我們的換熱和儲熱溫度已經(jīng)可以達到1000°C以上。這樣的高溫下，可以將太陽能光熱技術運用于煤化工和鋅制氫工業(yè)。這兩種應用都需要1000°C以上的溫度作為氧化鋅還原反應的前提條件。這是一個長期發(fā)展的項目，目前已獲得了一定私人投資的支持。

　　下圖是一個結合了吸熱器、短期儲熱和換熱（蒸汽發(fā)生器）部分的實驗裝置示意圖。我們可以根據(jù)需要，設計不同類型的測試系統(tǒng)，作為實際電站建設的參考。

　　圖：使用液態(tài)金屬作為傳熱介質的高溫熱發(fā)電系統(tǒng)原理圖

　　CSPPLAZA:該系統(tǒng)的核心是液態(tài)金屬，那么這種液態(tài)金屬的成分是什么？液態(tài)金屬的安全問題是否得到了解決？

　　Ulrich Georg Bech：我們所選的金屬材料是可以在5bar壓力之下，800°C以上的高溫條件下運行、操作的。我可以先透露一下，它是一種錫合金。錫的熔點是231°C，而在大于2000°C的溫度下其將蒸發(fā)成為氣態(tài)。它的穩(wěn)定性是構建不同合金的基礎。操作的關鍵是合金必須與適當?shù)慕饘俟艿老嗥ヅ洌€(wěn)定運作。因為整個封閉循環(huán)系統(tǒng)的壓力很低，所以可以避免管道出現(xiàn)意外爆破的現(xiàn)象。但是必須由具有高級材料經(jīng)驗的人來設計管道，包括涂層。這也是為什么我們歐洲技術團隊中有3位冶金學專家，一位熱爐設計專家和一對運營20余年家族涂料廠的父子。

　　我們之所以選擇錫作為合金的基礎，不僅因為它有較低的熔點和較高的沸點，適合工業(yè)應用，還在于它的安全性。即使在戶外空氣中，液態(tài)錫合金也可以安全操作。因為首先錫合金是沒有毒性的，其氧化物也是無毒的。其次，萬一液態(tài)錫合金發(fā)生泄漏，金屬錫表面將迅速形成一個堅實的氧化物外殼，避免進一步氧化。所以長久以來，人們使用錫盒，錫罐來盛放食物和飲料?，F(xiàn)在大家對于液體金屬安全性的顧慮主要來源于核反應堆中鈉作為液體金屬傳熱介質引起的嚴重事故。但是以鈉作為核反應堆中的液體金屬傳熱介質，本身就是一種由軍事需求（快速潛水艇的建造）而緊急發(fā)展出來的一種非?！按竽憽钡募夹g，有其歷史發(fā)展背景。在核反應堆的蒸汽發(fā)生器中只要在高壓環(huán)境中有一滴鈉泄漏，就會引起爆炸性的化學反應，往往造成整個核電站或潛水艇的毀滅。所以我們認為在所有帶有壓力的管道循環(huán)中，錫是最可靠的傳熱介質。以錫為主的液態(tài)合金是取代熔融鹽，產(chǎn)生過熱蒸汽的更可行的方案。

　　圖為一個開放的高溫爐測試，利用輻射原理對集熱管進行加熱

　　CSPPLAZA:該系統(tǒng)與目前很受業(yè)界熱捧的塔式熔鹽系統(tǒng)技術相比有何優(yōu)點？

　　第三，關鍵的技術優(yōu)勢是液態(tài)金屬完全打破了常規(guī)熔融鹽在600°C以下運行的溫度限制。我們通過測試已經(jīng)實現(xiàn)了800°C以上的穩(wěn)定溫度，具體技術數(shù)據(jù)目前保密，還有更多測試正在進行中。這是我在中國首次接受采訪，我希望用我們6年的技術發(fā)展成果，打破大家對液態(tài)金屬傳熱介質的負面印象。

　　我還想說明的是，作為冶金學家，我們了解中國長達幾千年的非鐵冶金技術的歷史。我們的其中一位技術專家在中國的制鋅冶煉廠工作過9年，非常清楚如何處理在鋅冶煉過程中產(chǎn)生的其他金屬，它們可以像純銦一樣具有高經(jīng)濟價值。所以我們很有信心，可以在中國找到合適的技術伙伴！

　　Ulrich Georg Bech：是的，我們更傾向于做成模塊化。因為操作單個大型的吸熱器更有風險。一根管道上出現(xiàn)一個問題就會導致整個系統(tǒng)停滯，如果不能馬上控制熱流還會引起更大的損失。熔融鹽的泄漏會引發(fā)很嚴重的事故。我們獨立過程管理的小型吸熱器模塊，可以更容易發(fā)現(xiàn)問題的所在。只需拿出問題模塊，就可以讓系統(tǒng)繼續(xù)正常運行。

　　我們研究了不同的模塊組合形式。比如棋盤狀組合模型，可以與二次反射鏡場（Beam-Downmirrorfield）和坡狀鏡場（hillsidemirrorfield）結合?？梢愿鶕?jù)選址和太陽能光資源進行靈活組合。

圖：法國南部FourSolaireOdeillo太陽能熱發(fā)電試驗裝置采用的是坡狀鏡場

圖：法國南部FourSolaireOdeillo太陽能熱發(fā)電試驗裝置的設計示意圖

圖：馬耳他威爾得有限公司設計的坡狀鏡場示意圖

　　CSPPLAZA：使用液態(tài)金屬傳熱的高溫熱發(fā)電系統(tǒng)在運行過程中，對吸熱器等關鍵部件有什么要求？你們提供的相關設備與市面上現(xiàn)有的設備相比經(jīng)濟性如何？

　　Ulrich Georg Bech：液態(tài)金屬傳熱技術上的難點和熔融鹽傳熱系統(tǒng)一樣，就是標準渦輪機蒸汽發(fā)電系統(tǒng)所需的高壓。這種技術已經(jīng)發(fā)展了多年，主要運用在燃煤電站中。為這些系統(tǒng)服務的鍋爐制造者積累了幾代人的豐富經(jīng)驗，這些人知道如何處理從燃煤中產(chǎn)生的高于1200°C的污染氣體！污染氣體在這樣的溫度下難以過濾，部分熔融陶瓷粉塵會在幾小時內就堵塞機器，這也是為什么這些氣體不能直接用于低壓燃氣渦輪機的原因。

　　但是我們的封閉太陽能熱循環(huán)系統(tǒng)是完全清潔的！所以我們的技術可以直接用于燃氣渦輪機。這有一個額外的好處，即在緊急情況下，可以用液體燃料補燃，比如煤化工產(chǎn)生的甲醇或生物乙醇，甚至附近機場的噴氣燃料，直接啟動燃氣渦輪機發(fā)電。

　　從經(jīng)濟性上來講，作為傳熱介質的錫成本較高。但是在整個吸熱器和換熱器中需大量使用的管道合金材料較之熔鹽系統(tǒng)更便宜。此外，還有一個重要的優(yōu)勢是，我們的傳熱介質穩(wěn)定并且可以重復使用。甚至連錫也可以很容易從吸熱器或換熱器中回收、提取，重新成為新的材料。也就是說，大部分的傳熱介質材料都不會損失！

　　由于光熱發(fā)電系統(tǒng)成本昂貴，僅靠白天發(fā)電所獲得的經(jīng)濟效益實難與光伏發(fā)電競爭，因此光熱發(fā)電技術必須致力于提供“更高品質的電力輸出”。另外光熱技術除了發(fā)電還可以為城市供暖，制造石油化工副產(chǎn)品，或利用鋅制氫提供跨季節(jié)的分布式儲能（在冬季也可以提供能源）。這些是光熱較之光伏和風能等可再生能源的優(yōu)勢所在！

圖：在左圖的陶瓷爐中，通過強烈輻射加熱“U”集熱管元件，使其表面溫度高達1600°C，頂部+兩側共有8個熱電偶。右圖是含泵的換熱器模型，在陶瓷儲熱箱內操作，具備短期儲熱功能。此為模擬吸熱器的測試設備，非實際工業(yè)化設計。

　　CSPPLAZA：為何至今尚無實際的示范系統(tǒng)建成？為何不在國外推廣該技術？

　　Ulrich Georg Bech：事實上，現(xiàn)在有三種不同的測試循環(huán)仍處在保密階段。在大規(guī)模投入示范電站之前，我們希望先在內部充分地測試不同循環(huán)技術的可靠性，包括進行長時間模擬和過熱點的測試。

　　我們現(xiàn)在可以提供的基本方案有：

　　1.可替代熔融鹽、工作溫度可達700°C的液態(tài)金屬技術

　　2.產(chǎn)生800°C過熱蒸汽的補燃電站，作為現(xiàn)有只能達到400-500°C的光熱電站的補充。

　　我們?yōu)闈撛诳蛻籼峁┓盏牡谝徊绞浅鼍咭环菰敿?、精確的模擬報告（針對所需的吸熱器設計和儲熱部分）。其他的標準組件都可以在中國本土進行采購。我們可以幫助客戶在中國選擇符合要求的設備。我們公司的業(yè)務不在于整體電站的建設，中國的公司可以在這方面做得很好，有些還具備豐富的海外市場經(jīng)驗。

　　2012年，我們做了一個市場可行性研究，然后把目標鎖定在中國，其原因有三：

　　1，作為制造業(yè)大國，中國可以提供90%以上合格的低成本光熱電站所需組件。

　　2，中國的光熱發(fā)電行業(yè)已獲得政府的大力支持。

　　3，中國不僅有巨大的市場，也有其獨特性。主要表現(xiàn)在太陽能發(fā)電及供暖的能源供應（西部）與市場需求（東北和東部沿海城市群）在地域上以及季節(jié)上的不匹配性，這與美國西南部或西班牙南部市場的狀況不同。比如美國西南部或西班牙南部的太陽能發(fā)電站與其周邊城市群的距離沒有中國東西部的距離跨度大。我們這項技術更能適應中國電力市場的特殊性。

　　CSPPLAZA：您的系統(tǒng)如何與制氫結合？將太陽能發(fā)電與制氫相結合能帶來什么經(jīng)濟效益及其他好處？

　　Ulrich Georg Bech：我們已經(jīng)成立一個子公司“威爾得氫能有限公司”來專門發(fā)展這項技術。

　　我們的專利高溫技術保證了極高的光電轉化率和儲能效率，但是中國真正面臨的挑戰(zhàn)是光熱資源在季節(jié)和空間部分上的不平衡。在中國中部許多太陽熱輻射充足，又具備豐富煤資源的地區(qū)，在夏天光照條件好的條件下，可以利用光熱技術提取純鋅顆粒。（這比把原料煤用在鋼鐵廠更合適）提取純鋅顆粒過程中產(chǎn)生的一氧化碳,通過煤化工技術可以生成甲醇這樣的替代燃料。對于遠離沿海煉油廠的中部地區(qū)來說，這樣做極具價值。

　　我們有這方面的專家負責整個技術路線。當有中國的合作伙伴確定加入時，我們才會公布更多的細節(jié)。目前為止，技術團隊主要在瑞士。同時，我們和中國鋁業(yè)的制鋅部門和水泥爐制造商也有聯(lián)系。

圖：馬耳他威爾得太陽能制氫工藝原理示意圖

　　CSPPLAZA：您希望在國內找到幫助建造5MW原型系統(tǒng)的合作伙伴，考慮如何合作？

　　Ulrich Georg Bech：尋找對液態(tài)金屬高溫應用于光熱電站的技術有深入了解的合作伙伴并不容易，通常大家最關心的是這種技術有沒有相關的實驗項目建成。這是可以理解的。但是一個5-15MWe甚至是50MW的示范電站如果沒有幾年的運行時間也不能證明其可靠性。運營商一般不敢將電站運行至極端狀態(tài)，這樣損失會很大。而我們的示范循環(huán)會故意將單管循環(huán)運行至極限狀態(tài)直至損壞，來觀察管道結構被破壞的過程。甚至故意在更高的溫度范圍內，加速集熱管和液態(tài)金屬之間的腐蝕/擴散的過程（比如在1050-1120°C進行模擬測試）。

　　我們將通過可行性研究為合作伙伴選擇適當?shù)募療峁茴愋?。一個吸熱器模塊將由2x20根集熱管組成，然后以棋盤狀的方式擴大。每個吸熱器模塊配有2個獨立的泵進行過程管理。

　　我希望與意向投資者先合作建一個5MWe的示范電站。這樣再做5x5MWe的項目就會相對容易。或者做一個7-10MWe的示范電站，結合相對廉價的菲涅爾光熱技術，這樣再建一個100MW的項目會更容易。

　　CSPPLAZA：目前有不少海外的創(chuàng)新技術來中國進行推廣，但最終成功落地的屈指可數(shù)，您對這項技術有足夠的信心嗎？目前在國內都接觸了哪些機構與企業(yè)？他們對該技術的評價如何？

　　Ulrich Georg Bech：過去4年，我們一直專注于太陽能光熱發(fā)電技術的儲能領域，特別是根據(jù)中國的具體情況，結合制氫技術，提供跨季節(jié)的分布式儲能方案，并跟很多可能合作的中國供應商和設計單位都建立了聯(lián)系，也多次收到IEECAS（中科院電工所）李鑫博士的邀請。他對我們的新技術很“感興趣”。一旦該技術被證明是可行的，將有很大的市場潛力。今年，我們已經(jīng)在自己的實驗場地完成了測試實驗，接下來將會到瑞士最大的國家研究所保羅謝爾研究所（PSI）進行單管循環(huán)實驗測試。在與中國的一些專家進行交流后，他們也特別支持這一想法。因此，我覺得現(xiàn)在是合適的時機來向中國推廣這項新技術了。

　　需要說明的是，馬耳他威爾得有限公司的子公司“威爾得氫能有限公司”有專門的技術人員負責太陽能制鋅技術的工業(yè)化開發(fā)。同時我們將證明我們自主研發(fā)的液態(tài)金屬傳儲熱技術在光熱發(fā)電的效率和維護方面會比熔融鹽技術更有優(yōu)勢。

　　我們所提供的并不是只在理想狀態(tài)下可行的“半成品”技術。我們的幾位核心工程師在服務和運行發(fā)電站及冶金工廠方面有超過2代人的經(jīng)驗，并具有在中國的車間和中國工匠們一起工作的經(jīng)驗。我們的測試成果并不是科學家在實驗室做的理論研究，而是能夠運用在實際操作中的工業(yè)化技術。

　　Ulrich Georg Bech簡介

　　目前擔任馬耳他威爾得有限公司和威爾得氫能有限公司總經(jīng)理兼技術總監(jiān)。

　　身為歐洲先進材料專家，他曾為西門子汽輪機廠的高級材料工程師；曾為瑞士布朗勃法瑞公司（ABB集團前身），法國阿爾斯通和法國電力集團,德國福伊特水電集團，瑞士蘇爾壽集團,奧地利ANDRITZ集團的高溫材料設備供應商并提供咨詢服務。

　　他還是一名能源市場專家：作為能源領域專家，擔任德國經(jīng)濟和科技部咨詢委員會的委員長達20余年。

　　如需進一步了解該技術，請與本網(wǎng)站取得聯(lián)系。