捕捉陽(yáng)光新技術(shù)

李忠東

太陽(yáng)能儲(chǔ)量豐富，從理論上講，只要能夠利用太陽(yáng)能輻射總量的1%。就可以滿足全球的能量消耗。而且太陽(yáng)能不產(chǎn)生二氧化碳，也不存在其他環(huán)境問(wèn)題，是典型的綠色能源。太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)主要分為光伏發(fā)電技術(shù)和聚光發(fā)電技術(shù)，其中光伏發(fā)也技術(shù)直接通過(guò)太陽(yáng)能電池將光能轉(zhuǎn)換為電能。聚光發(fā)電技術(shù)則需要通過(guò)反光鏡或者透鏡等裝置將太陽(yáng)光聚集到一點(diǎn)，再進(jìn)行光能到太陽(yáng)能的轉(zhuǎn)化。

始終捕捉陽(yáng)光

光伏發(fā)電是利用半導(dǎo)體界面的光生伏特效應(yīng)而將光能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N技術(shù)，它的關(guān)鍵元件是太陽(yáng)能電池。太陽(yáng)能電池經(jīng)過(guò)串聯(lián)后進(jìn)行封裝保護(hù)可形成大面積的太陽(yáng)能電池組件，再配合上功率控制器等部件就形成了光伏發(fā)電裝置。它們主要由電子元器件構(gòu)成，不涉及機(jī)械部件。

一年春夏秋冬周而復(fù)始，每天日升日落，太陽(yáng)的光照角度時(shí)時(shí)刻刻都在變化。如果太陽(yáng)能電池板能夠時(shí)刻正對(duì)太陽(yáng)，那么發(fā)電效率將會(huì)達(dá)到最佳狀態(tài)。世界上通用的太陽(yáng)跟蹤控制系統(tǒng)都需要根據(jù)太陽(yáng)能電池板安放點(diǎn)的經(jīng)緯度等信息，計(jì)算出太陽(yáng)在一年中每一天的不同時(shí)刻所在的角度，將一年中每個(gè)時(shí)刻的太陽(yáng)位置存儲(chǔ)到可編程邏輯控制器、單片機(jī)或電腦軟件中，也就是說(shuō)靠計(jì)算太陽(yáng)位置以實(shí)現(xiàn)跟蹤。采用的是電腦數(shù)據(jù)理論，需要地球經(jīng)緯度地區(qū)的數(shù)據(jù)和設(shè)定，一旦安裝就不便移動(dòng)或裝拆。由于原理、電路、技術(shù)和設(shè)備復(fù)雜，倘若太陽(yáng)能電池板移動(dòng)了，就必須重新設(shè)定數(shù)據(jù)和調(diào)整各個(gè)參數(shù)。

瑞士能源公司富于創(chuàng)新精神，在該國(guó)的納沙泰爾湖建立了3個(gè)用于太陽(yáng)能發(fā)電的浮動(dòng)實(shí)驗(yàn)室，十分引人注目。它們坐落在一家凈水廠附近，距離海岸150米。每個(gè)實(shí)驗(yàn)室直徑25米，安裝100個(gè)光伏電池板，以45°的傾角逐一相連。與眾不同的是，3個(gè)浮動(dòng)實(shí)驗(yàn)室能夠旋轉(zhuǎn)220°，始終跟蹤太陽(yáng)的方向，在任何時(shí)候都處于捕捉陽(yáng)光的最佳位置。由于坐落于水中，因此實(shí)驗(yàn)室阻力降低，效率提高。它們用電纜和湖底的混凝土塊固定，與海岸相連，并且通過(guò)逆變器并入電網(wǎng)。逆變器是一種電源轉(zhuǎn)換裝置，可將12V或24V的直流電轉(zhuǎn)換成230V、50Hz的交流電或其他類型的交流電。它輸出的交流電可用于各類設(shè)備，最大限度地滿足移動(dòng)供電場(chǎng)所或無(wú)電地區(qū)用戶對(duì)交流電源的需要。

瑞士能源公司為瑞士實(shí)施可再生能源開(kāi)發(fā)計(jì)劃投資1.08億美元（大約合6.62億人民幣元），3個(gè)用于太陽(yáng)能發(fā)電的浮動(dòng)實(shí)驗(yàn)室是其中的重要組成部分。除了發(fā)電外，它們還能用于科學(xué)實(shí)驗(yàn)和研究。2014年8月，3個(gè)浮動(dòng)實(shí)驗(yàn)室建成運(yùn)營(yíng)。該公司表示，它們10年內(nèi)將使發(fā)電量提高到8000萬(wàn)千瓦時(shí)以上，可持續(xù)發(fā)電25年，而且在關(guān)閉后所有的零件能夠被回收利用。

晝夜24小時(shí)發(fā)電

聚光太陽(yáng)能發(fā)電是新能源發(fā)電的一種，使用拋物鏡將光線聚集到裝有合成油的吸熱管上，再把加熱到約400℃的合成油輸送到熱交換器里，靠合成油的高熱量把熱交換器里的循環(huán)水加熱，水加熱后產(chǎn)生的水蒸氣推動(dòng)渦輪轉(zhuǎn)動(dòng)，使發(fā)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電。與傳統(tǒng)發(fā)電方式相比，聚光太陽(yáng)能發(fā)電不會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染，并且太陽(yáng)能是取之不盡用之不竭的能源，因此被越來(lái)越多的國(guó)家采納并投入生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)。

我們知道，光伏發(fā)電使用太陽(yáng)能電池板，把太陽(yáng)能直接變成電能，在陰天也可以運(yùn)作，而聚光太陽(yáng)能發(fā)電一般只能夠在陽(yáng)光充足、天氣晴朗的地方進(jìn)行。但太陽(yáng)光并不是24小時(shí)都有的，在陰雨天和夜晚沒(méi)有太陽(yáng)的時(shí)候怎么辦呢？能不能將太陽(yáng)光能儲(chǔ)存起來(lái)用于晚上發(fā)電呢？科學(xué)家經(jīng)過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，熔融鹽儲(chǔ)熱技術(shù)就可以彌補(bǔ)聚光太陽(yáng)能發(fā)電的這種不足，解決全天候發(fā)電的問(wèn)題。熔融鹽儲(chǔ)能技術(shù)是目前國(guó)際上最為主流的高溫蓄熱技術(shù)之一，具有成本低、熱容高、安全性好等優(yōu)點(diǎn)。在光照充足的情況下，一部分太陽(yáng)光能用來(lái)發(fā)電，另一部分太陽(yáng)光能則轉(zhuǎn)換成熱能儲(chǔ)存在熔融鹽中。在光照不充足時(shí)，熔融鹽中儲(chǔ)存的熱能可以用來(lái)發(fā)電。

西班牙赫爾馬太陽(yáng)能發(fā)電廠是全球率先利用熔融鹽儲(chǔ)能技術(shù)，成為世界首座全天候發(fā)電太陽(yáng)能電廠。它位于西班牙南部安達(dá)盧西亞省塞維利亞，這里得天獨(dú)厚，是歐洲大陸光照時(shí)間最長(zhǎng)的地區(qū)之一。從塞維利亞到科爾多瓦的路上，人們可以看到一座巍然屹立的“燈塔”，那是赫爾馬太陽(yáng)能發(fā)電廠的中央塔。它以工廠煙囪一樣的中央塔建筑為主體，包括集熱區(qū)、熔鹽罐和渦輪發(fā)電機(jī)組等。集熱區(qū)圍繞高塔安裝了2600面太陽(yáng)能反射鏡，每面反射鏡面積120平方米。它們的角度經(jīng)過(guò)精確的計(jì)算，對(duì)太陽(yáng)進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤，把太陽(yáng)光聚焦到塔頂?shù)慕邮掌鳌Ｔ诮邮掌髦袑?duì)傳熱流體進(jìn)行加熱，將熱量集中到兩個(gè)熔鹽罐上。900℃的高溫使鹽熔化，煮沸周圍的水，由過(guò)熱蒸汽推動(dòng)常規(guī)渦輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。

18年收回成本

赫爾馬太陽(yáng)能發(fā)電廠之所以能保障晝夜不停穩(wěn)定輸出電能，全靠?jī)蓚€(gè)能夠儲(chǔ)存全天候產(chǎn)生熱能的熔鹽罐。罐子里面的儲(chǔ)能物質(zhì)是硝酸鹽，它由60%硝酸鉀和40%硝酸鈉組成。硝酸鹽無(wú)毒，不會(huì)污染環(huán)境。這種化合物神通廣大，可保留中央塔生產(chǎn)出來(lái)的99%熱能，以備隨后重復(fù)利用。硝酸鹽的工作原理是：在白天受熱熔化，吸收熱量；到夜晚溫度降低時(shí)則凝固起來(lái)，釋放出大量熱量到管道中，照樣加熱高塔水箱中的水，產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽繼續(xù)發(fā)電。科研人員表示，熔鹽罐只要白天曬9個(gè)小時(shí)的太陽(yáng)，那么夜晚釋放的熱能就足以讓發(fā)電廠在沒(méi)有陽(yáng)光的情況下運(yùn)行15小時(shí)，確保全天候發(fā)電，滿足夏季用電高峰的能源需求。

傳統(tǒng)的光伏太陽(yáng)能發(fā)電廠通過(guò)吸收光子的能量直接產(chǎn)生電流，一般只能工作1200小時(shí)-2000小時(shí)。而赫爾馬太陽(yáng)能發(fā)電廠一年工作6400小時(shí)，一年的發(fā)電量大約11萬(wàn)兆瓦（1兆瓦=100萬(wàn)瓦），足以滿足3萬(wàn)戶家庭的用電需求。而且一年減少3萬(wàn)噸二氧化碳排放，十分環(huán)保。雖然赫爾馬太陽(yáng)能發(fā)電廠的發(fā)電裝置相對(duì)較小，但是由于它能夠24小時(shí)供電，因此功能和具有50萬(wàn)兆瓦發(fā)電量的傳統(tǒng)發(fā)電廠不相上下。根據(jù)設(shè)計(jì)方案，赫爾馬太陽(yáng)能發(fā)電廠造價(jià)4.07億美元（大約合24.92億人民幣），18年后可收回投資。