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科技环境

德国成功开发太阳能蓄热装置

利用太阳能有一个问题,那就是白天有阳光的时候可以发电发热,但是到了晚上或者阴雨天就没戏了。因此,储蓄白天收集到的太阳热能供夜间和阴雨天使用,便是太阳能是否可以普及的关键所在。德国一家研究机构就成功开发了一套蓄热装置,可以储蓄大量热能。该装置已在西班牙的太阳能测试基地投入测试。德国之声记者采访报导如下。

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博登湖上的太阳能船

对中学基础物理还有一点儿印象或者喜欢鼓捣东西的人都知道,利用凸透镜对阳光聚焦,焦点可以达到很高的温度,可以点燃纸张,或者烧开一小杯水。太阳灶利用的就是这一原理,只不过用来聚光的不是凸透镜,而是抛物面形状的镜面,把阳光反射以后再聚焦,焦点就是放锅烧水的地方。现代的太阳能发电设备多种多样,其中一种的原理就和太阳灶一样,只不过规模大多了,热水量也大,生成的蒸汽可以带动涡轮机发电。为了保证夜间也能发电,人们必须把白天生产的蒸汽热能储蓄起来,夜间再释放出来,变成电能。2004年以来,位于斯图加特的德国航空航天中心技术热动力学研究所的科研人员就致力于开发这样一套蓄热系统。

化学家塔默博士(Dr. Rainer Tamme)介绍说: “太阳热能发电系统的装机容量一般都在10兆瓦以上。那么要想让蓄热装置保障涡轮发电机在太阳落山以后可以继续发几个小时的电,姑且以40%的热电转换率来计算的话,那每个小时就需要25兆瓦小时的热量。如果说至少要保证发电4小时以上,再考虑到意外情况的话,那我们就需要100到1000兆瓦小时的蓄热能力。”

这个目标和现实还相差很大。目前,德国开发人员正在欧洲最大的太阳能测试中心、设于西班牙的“阿尔梅里亚太阳能平台”测试一个功率100千瓦、工作温度超过200摄氏度的蓄热装置。结果表明,设计方案和材质原则上都已过关。开发人员的下一个目标是1兆瓦功率、300摄氏度的蓄热温度。他们在此利用的是人们早已熟知的相变蓄热原理,也就是当一种物质从一种状态转变成另一种状态时,需要吸收、也就是储蓄极大的能量,比如说当固态的冰融化成液态的水、或者当液态的水蒸发成气态的水蒸汽的时候。

开发相变蓄热装置需要解决的首要问题就是寻找合适的蓄热材料,其相变温度必须和涡轮发电设备高压蒸汽的工作温度相符。塔默博士继续介绍说: “水转变成水蒸汽就是一个典型的物理相变。但我们利用的是由固态转变成液态的相变,就像冰融化成水一样,只不过我们利用的不是水,而是熔融盐,它们的熔化温度在200度到400度之间。我们的高压蒸汽的工作温度就在这个范围。”

德国开发人员选中的是钾、钠的硝酸盐。但这些蓄热材料有一个缺点,那就是它们的导热性能很差,吸收和释放热能的速度很慢,因此,设计人员还必须想办法解决导热问题,比如说在蓄热材料中铺设管道分散热量,但这样一来一是提高造价,二是降低蓄热能力。塔默介绍说: “大规格蓄热装置急需解决的问题就是热输送问题,如何改进蓄热材料的热吸收问题。”

只有当性价比合适的时候,才值得蓄热。而通过合适的选材和巧妙的结构设计,完全可以实现合适的性价比。塔默说:“我们必须设计一种蓄热结构,它用来输送热能的部分只占5%,用来蓄热的部分占95%,这样才有经济效益。那我怎么利用这5%呢?有些人在蓄热材料中添加铁屑或者其它什么导热物质,而我们是在蓄热材料里分层铺设石墨导热管,实现了很高的热流密度。”

这样一来,白天太阳能光热设备生产的多余蒸汽就可以通过石墨管道被输送到蓄热材料里,作为蓄热材料的固态盐吸收蒸汽的热能而转化成液态。太阳落山后再向石墨管道注水,水吸收液态盐的热量而变成蒸汽带动涡轮发电机,液态盐因释放了能量而返回固体状态。如此循环往复。

这种蓄热方法也可以应用到其它需要蒸汽的工艺,比如说食品加工或者造纸行业。可以说,哪里有多余的热能,就可以在哪里应用这种方法储蓄这些热能,唯一需要解决的问题是,蓄热材料的相变温度必须和蒸汽的工作温度相符。塔默介绍说: “假如说应用温度是140摄氏度,那我们就必须找到一种熔化温度也是140摄氏度的盐。也就是说我们必须根据情况选择蓄热介质,但是设计方案、原理是不变的。”

也就是说,开发太阳能也为人们带来了一个富有经济效益的副产品——一种蓄热装置,可以在高温下储蓄几个小时的热能。

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