镭射:能不能把传统的光热发电方式换一换?

2019-02-22

【文/ 网专栏作者 镭射】

前几天,我在网发表了文章《光热发电:中国下一张“国家名片”?》,下面有两位网友的评论很有意思。

@好人 网友评论:“果然又是花式烧开水。”

@伽蓝之瞳 网友评论:“其实我在考虑,能不能把传统的发电方式换一换?我们烧开水发电烧了多久了?”

目前的主流火力发电,确实是“烧开水”——用锅炉将水烧成蒸汽,再用热机将蒸汽的内能转换为机械能,驱动发电机发电。从1785年瓦特发明蒸汽机起,就一直是如此。只不过这个过程,以前用的是往复式蒸汽机,现在用的是蒸汽轮机。

即使是燃气轮机发电,目前效率最高的方式,也是燃气—蒸汽联合循环:在燃气轮机后面再加上一套废热锅炉,利用燃气轮机排出的废气的热量“烧开水”,再用汽轮机驱动发电机发电,从而最大限度地提高整套系统的热效率。

除了火力发电之外,与火力发电同属热电站的核电站和太阳能光热电站,其实也是“烧开水”,只不过前者是用核能“烧开水”,而后者是用太阳灶“烧开水”。

众所周知,我国光热资源主要集中在西部水资源相对缺乏的地区。那么,能不能如@伽蓝之瞳 网友所说,在利用太阳能光热资源的时候,“把传统的发电方式换一换”,不需要那么多水呢?别说,办法还真有。

第一个,也是目前已经投入大规模应用的办法,其实我那篇文章中已经提到了,那就是用凯发精英体育斯特林发动机来驱动发电机。

斯特林发动机发明于1816年,以其发明者,英国物理学家罗巴特·斯特林的名字命名。和大致与其同一时期发明的瓦特蒸汽机类似,它也是一种外燃式活塞发动机。但和瓦特蒸汽机不同的是,斯特林发动机不是用水蒸汽,而是用气体(早期用空气,现在一般用氦气或氢气)作为工质,这使得它不需要庞大的锅炉系统,也就是说,它不需要“烧开水”。

斯特林发动机的这个特点,再加上它是一种外部加热的闭式循环发动机,使得它有一个非常突出的优点:不“挑食”。它几乎可以使用任何形式的热源。这使得它非常适合用于太阳能光热发电。

斯特林发动机工作原理(本文图片均由作者收集供图)

鄂尔多斯100kW太阳能光热示范电厂是我国第一个碟式太阳能光热发电示范电厂,2012年9月建成,共由10台10kW碟式太阳能斯特林光热发电系统组成,年发电量为32万kWh

不过,斯特林发动机也有很多缺陷,最大的问题就是单机输出功率小。因为外部热源的热量供应是连续的,而斯特林发动机又是闭式循环,这使得斯特林发动机的气体工质会长时间保持在较高的温度,为了减少热损失必须采取隔热措施,由此必然导致其体积和重量增加。这使得它的功重比非常小,单机功率没法做得太大,历史上斯特林发动机曾经达到的最大单机功率也只有几百千瓦。

这就大大限制了斯特林发动机的普及应用。可以说,靠斯特林发动机来代替“烧开水”,是不现实的。

幸而,除了斯特林发动机,还有一种发动机,也是不需要“烧开水”的,这就是燃气轮机。那么,光热发电能不能利用燃气轮机作为热机呢?

首先,让我们来简单回顾一下燃气轮机的构造和工作原理。一个最简单的燃气轮机,由压气机、燃烧室和涡轮三部分组成。空气先进入压气机,经压气机压缩升压后进入燃烧室,在燃烧室内,经过压缩的空气与燃料(气体或液体)混合燃烧,产生高温高压燃气,燃气驱动涡轮,由涡轮驱动压气机和对外输出功率,做功后的废气排入大气。

燃气轮机结构示意图

仔细分析这个过程,我们可以发现,经压气机压缩升压后的空气在燃烧室内与燃料混合燃烧产生高温高压气体,这一步是燃气轮机整个工作流程的核心环节。这就是说,如果能在燃烧之前,就先提升压缩空气的温度,就可以在保持燃烧室输出的燃气温度不变的同时,降低空气在燃烧室内的升温幅度,从而有效减少燃料的消耗量。

装备于英国45型驱逐舰的罗尔斯·罗伊斯WR21型燃气轮机就是利用做完功后排出的废气的热量,在压缩空气进入燃烧室之前对其加热,从而有效提高了燃机的燃料利用率。与功率相当的简单循环船用燃气轮机相比,WR-21可节约燃油27%到30%。既然可以用废气作为加热来源,那么光热自然也可以。

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