關(guān)鍵器件A:熱電聯(lián)產(chǎn)槽式聚光器(光液之八)
摘要:(1)太陽能的能量密度小,陰天夜晚無法使用等弱點,造成了利用太陽能的成本過高、需要儲能等問題。熱電聯(lián)產(chǎn)槽式聚光器可以針對性地解決這個問題。
(2)人類正經(jīng)歷一場能源革命。能源革命有兩個特征:一是獲取方式多樣化,可持續(xù)化,如太陽能和核能利用。二是能源的存儲和轉(zhuǎn)換高效化,經(jīng)濟(jì)化。太陽能光伏發(fā)電在用戶側(cè)平價,即是能源革命的風(fēng)口。這個風(fēng)口已經(jīng)到來。
背景說明
在光液的生產(chǎn)環(huán)節(jié),熱電聯(lián)產(chǎn)槽式聚光器可以產(chǎn)生最高600~900℃的熱源,使得沼氣甲烷、木炭煤炭和水轉(zhuǎn)換為一氧化碳、氫氣。并產(chǎn)出二甲醚。在光液的使用環(huán)節(jié)、熱電聯(lián)產(chǎn)槽式聚光器重整二甲醚水蒸氣、二甲醚沼氣得到一氧化碳、氫氣。直接燃燒供熱;蚺clightyear混動車結(jié)合發(fā)電。或二甲醚做為lightyear混動車車載燃料。
光液的生產(chǎn)、使用環(huán)節(jié)中,太陽能更高效地轉(zhuǎn)換為服務(wù)人們生活生產(chǎn)的熱源動力源。并通過儲熱、化學(xué)儲能解決了太陽能間斷性問題。
1、熱電聯(lián)產(chǎn)槽式聚光器
圖 1 熱電聯(lián)產(chǎn)槽式聚光器件三視圖
圖 2 熱電聯(lián)產(chǎn)槽式聚光器件爆炸視圖
根據(jù)相關(guān)的理論文獻(xiàn)槽式聚光的光熱轉(zhuǎn)換效率通常40~65%之間。光伏的效率在15~22%。如果是將光伏發(fā)電和光熱利用起來,其太陽能的利用效率會更好。
如圖1、2的聚光器是根據(jù)相關(guān)理論計算設(shè)計,一個聚光面積為2平米的熱電聯(lián)產(chǎn)聚光器件。該器件能夠低成本地解決能源問題。如何低成本呢?現(xiàn)在太陽能硅晶發(fā)電成本已經(jīng)在上網(wǎng)側(cè)平價,預(yù)計三年內(nèi)在用戶側(cè)平價。本文設(shè)計的這個聚光器件所產(chǎn)生電能度電成本也會達(dá)到用戶側(cè)平價。
而規(guī)模太陽能光熱發(fā)電度電成本目前在1.5~3元。用來直接發(fā)電不具備優(yōu)勢。用來熱儲能、化學(xué)儲能是太陽能光熱利用的優(yōu)勢。如何發(fā)揮這樣的優(yōu)勢?
光液技術(shù)是發(fā)揮光熱儲能優(yōu)勢關(guān)鍵,槽式聚光目前最高溫度可達(dá)400℃。而光熱能達(dá)到最高溫度跟聚光比、吸熱器相關(guān)。本文設(shè)計的聚光器件最高聚光比達(dá)到300~500。最高溫度可達(dá)600℃.此外這個器件上有一個電感應(yīng)加熱器。可以用來加熱木炭至上千攝氏度。在這樣的熱源下。沼氣、甲烷、沼渣炭、煤炭、水蒸氣等可以變?yōu)橐谎趸、氫氣。作為生產(chǎn)光液的原料。
白天利用炭儲熱,夜晚利用存儲的熱能作為發(fā)電的熱源。
這一個過程是一個復(fù)雜的系統(tǒng),本文無法全部介紹清楚。下面通過一些基本應(yīng)用的介紹進(jìn)而說明熱電聯(lián)產(chǎn)聚光器件的性能
2、熱電聯(lián)產(chǎn)聚光器件的應(yīng)用
熱電聯(lián)產(chǎn)聚光器件是集合了太陽能光伏、光熱的各自優(yōu)點的一種太陽能利用器件。整個器件的建造成本比塔式定日鏡鏡場建造成本要低。太陽能利用效率更高。
在早晨、傍晚和陰雨天。拋物線的聚光鏡將光線聚集到單晶硅太陽能電池板,只使用光伏發(fā)電。而在光照條件足夠好的情況下,吸熱器才工作和吸熱工質(zhì)才開始循環(huán)。熱電產(chǎn)出的比例是可以靈活調(diào)整。
2.1、甲烷低溫制氫
根據(jù)相關(guān)的研究和試驗數(shù)據(jù),甲烷和水蒸氣在600℃和質(zhì)子交換膜的環(huán)境下可以得到氫氣、二氧化碳。(相關(guān)參考文獻(xiàn)本文略、本文為科普文章。具體論證見作者寫的正式論文)。熱電聯(lián)產(chǎn)聚光器件的光伏電能直接輸送到電網(wǎng)。夜晚使用熱儲能發(fā)電。
2.2、電煤高效清潔利用
電煤在中國的發(fā)電比例高達(dá)60~70%,使用熱電聯(lián)產(chǎn)聚光器件得到900℃熱儲能碳,通入600℃水蒸氣,得到高溫的氫氣、一氧化碳。然后經(jīng)過熱交換,降低溫度后進(jìn)入汽輪機(jī)燃燒。電煤的發(fā)電效率極限是40%多,而使用熱電聯(lián)產(chǎn)聚光器件將煤氣化后清潔燃燒,其發(fā)電效率會達(dá)到甲烷發(fā)電效率60~70%,這個過程中太陽能的凈發(fā)電效率理論值高達(dá)35%。如果這樣的技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)。煤炭的消耗量將大幅降低。
2.3、沼氣二甲醚重整
根據(jù)相關(guān)研究表明在最高溫度600℃,二甲醚可以與二氧化碳重整得到一氧化碳、氫氣。沼氣主要成分是甲烷、二氧化碳。1kg沼氣和0.735kg二甲醚利用熱電聯(lián)產(chǎn)聚光器件熱源得到一氧化碳、氫氣。直接供給lightyear混動車發(fā)電。此外熱電聯(lián)產(chǎn)聚光器件光伏所發(fā)電量是直接上網(wǎng)的。
2.4、甲烷、煤炭生產(chǎn)二甲醚、二甲醚和水蒸氣重整
在甲烷、電煤使用了熱電聯(lián)產(chǎn)聚光器件重整、氣化然后發(fā)電的同時,發(fā)電廠也生產(chǎn)二甲醚,原來的低溫水蒸氣輪機(jī)的工作介質(zhì)更換為二甲醚即可。這樣的發(fā)電廠,可以不產(chǎn)生二氧化碳。電能的來源是太陽能。此情況是太陽能儲能效率最高的。有可能成為主要的光熱發(fā)電站的主要形式。
在消費端,使用熱電聯(lián)產(chǎn)聚光器件使得二甲醚、水蒸氣重整。得到一氧化碳、氫氣直接燃燒作為熱源。
3、結(jié)論
就目前而言,熱電聯(lián)產(chǎn)槽式聚光器件仍不具備經(jīng)濟(jì)價值,但當(dāng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模利用及生產(chǎn)成本的大幅減低,光伏發(fā)電成本的降低。這個器件將能實現(xiàn)能源革新的目標(biāo)。可以預(yù)計在三五年后,lightyear混動車、熱電聯(lián)產(chǎn)聚光器件及LY太陽能利用系統(tǒng)將會逐步由設(shè)想變成現(xiàn)實。
為了使得這些技術(shù)更好地實現(xiàn),作者放棄專利申請并公布所有設(shè)計細(xì)節(jié)。任何個人及企業(yè)均不能申請專利。
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