和我一起了解澳大利亚的太阳能热利用

和我一起了解澳大利亚的太阳能热利用2014-05-22 15:47:53来源：白凤武 中国科学院电工研究所评论：0 点击：1163作者简介：白凤武，中国科学院电工研究所研究员，北京市太阳能热发电工程技术研究中心主任，工学博士，博士生导师。目前在澳大利亚CSRIO做访问学者。邮箱：导语：作者身处澳洲大陆，这里阳光充足，空气清新，是利用太阳能和开展太阳能热利用技术研究的绝佳地点。1 澳大利亚的太阳能资源 澳大利亚位于南半球的南太平洋上，是一个与世界其它国家隔离的大陆岛国。是全世界最小的洲，同时亦是全世界最大的岛屿。它是世界第六大国家，排在俄罗斯、加拿大、中国、美国及巴西之后，面积约770万平方公里。澳大利亚是世界上太阳能资源最好的国家之一，其单位面积的年辐照量为1500-1900 kWh/m2/year。图1和图2分别列出了其年平均日辐照量和年平均日法向直射辐照量1 。 图1 澳大利亚太阳辐照度分布图图2 澳大利亚太阳法向直射辐照度（DNI）分布图2 太阳能热水器技术及应用 2.1 澳大利亚的生活环境适合发展太阳能热利用技术 澳大利亚幅员辽阔，人口稀少，除悉尼、墨尔本等大城市的中心区域高楼林立外，其余大部分地区以独立房屋为主，图3为本文作者拍摄于纽卡斯尔市郊一个高尔夫球场接待中心。澳大利亚人们居住的主要是一层或二层房屋，而且多数家庭都有车库、草地等，屋顶均非常适合安装太阳能热水器。 图3 纽卡斯尔市郊一个高尔夫球场接待中心 2.2 澳大利亚的太阳能热水器技术及应用现状 目前澳大利亚广泛使用的有真空热水器（如图42）和平板热水器（图53）。虽然每个州都有相应的太阳能热水器安装的补贴政策，但目前的市场开发不成功，在家用热水器中的占有率仅为8-10%，虽然在过去的5年里有3-4%的增长率4。 图4 户用真空热水器图5 户用平板热水器3 太阳能空调 目前澳大利亚境内大约有十余处太阳能空调的示范系统，其中伊卡丘地区保健院的太阳能空调系统是规模最大的项目，该项目采用真空管式集热器和单级吸收式致冷机，项目总投资219.1万澳元，于2011年3月开始投入运行，设计容量220kWth，以水为传热流体，使用了1632根真空吸热管，吸收式致冷机功率为500kW，并设有10000吨的储热水箱，每年可节约电量38.2万度，缓解当地峰值电网的13%负荷，减少547吨的二氧化碳排放 5 。其集热系统如图65所示。图6 伊卡丘地区保健院的太阳能空调系统的集热部分 2007年在纽卡斯尔地区采用50槽式集热器的REDI太阳能致冷示范项目投入运行，其槽式集热器模块开口尺寸为1.2m，长度为 24m，可以产生230热源，也可以用于有机工质朗肯循环发电系统。 图7 用于太阳能致冷系统的槽式集热器64太阳能热发电 4.1 产业发展现状 澳大利亚一直很重视太阳能热发电的发展，目前已经建成的太阳能热发电示范系统很多。 （1）槽式太阳能热发电 澳大利亚国立大学（ANU）在2005年研制了新型槽式集热器，如图87所示。在槽式集热器的产业化方面，澳大利亚的公司并未定位于高温太阳能热发电领域，而是研发了小开口尺寸的槽式集热器用于产生250以下的热源供太阳能致冷、有机朗肯循环发电等方面应用。 图8 澳大利亚国立大学研制的槽式集热器(2)线性菲涅尔式太阳能热发电 在新南威尔士州猎人谷地区的Liddell 电站内建成了总计18500平方米的线性菲涅尔式集热系统，由Areva Solar和 Novatec Solar共同完成，为燃煤火电站的给水系统进行预热8。2013年Areva Solar公司成功建成承建44 MWth的线性菲涅尔太阳能集热系统为Kogan Creek 250Mwe燃煤火力发电站进行给水预热9。 图9 Areva Solar公司的线性菲涅尔式集热系统 (3)塔式太阳能热发电 如图10所示的Lake Cargelligo塔式电站，装机容量3MWe，采用石墨进行吸热和储热直接加热水产生过热蒸汽，其过热蒸汽温度可高于500。该系统由澳大利亚Graphite Energy公司研制，具备良好应用前景。 图10 Lake Cargelligo塔式电站10 澳大利亚联邦科学与工业研究组织( Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation ) 澳大利亚联邦科学与工业研究组织( Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation ) CSIRO在纽卡斯尔建成了一座500kWth和1.5 MWth的塔式太阳能集热装置用吸热器、化学反应器等测试研究。本文作者现场拍摄照片如图11所示。作为澳大利亚最大的太阳能热发电及高温热利用研究机构，这两套装置完成诸多新技术的开发。 图11 CSIRO的塔式太阳能高温热利用装置 (4)碟式太阳能热发电 澳大利亚国立大学在大面积碟式聚光器方面进行了卓有成效的研究工作，先后开发了出了反射面积400和500的碟式聚光器,如图12所示。 图12澳大利亚国立大学开发的500的碟式聚光器11 4.2 澳大利亚政府可再生能源机构太阳能热利用研究项目 澳大利亚政府对太阳能热利用技术极为重视，表1摘录了近5年内澳大利亚政府可再生能源机构公布的研究项目。 表1 澳大利亚政府支持的太阳能高温热利用研究项目清单12项目承担单位项目名称政府投资（万澳元）总投资（万澳元）澳大利亚国立大学Australian National University高性能碟式聚光器用吸热器技术143.621143.621Barbara Hardy Institute高温储热技术测试平台68.95240CSIRO先进储热技术350720CSIRO澳大利亚太阳能热利用研究计划ASTRI35008730CSIRO利用太阳能重整合成气的联合循环技术25.145470CSIRO大规模应用的聚光型太阳能联合系统70190CSIRO先进循环的吸热器优化技术120320CSIRO太阳能空气轮机系统3101060CSIRO太阳能驱动的超临界二氧化碳布雷顿循环250624CSIRO太阳能混合燃料160390CSIRO太阳能热利用研究基地500500CSIRO聚光型太阳能热系统中的热电发电机220470Granite Power太阳能驱动的超临界有机工质朗肯循环发电和工业供热技术81.2700RATCH-AustraliaCollinsville火力电站改造为太阳能或燃气混合发电可行性研究250560Vast Solar聚光型太阳能热利用中太阳能阵列性能模型验证43.72431304.3 澳大利亚太阳能热利用计划ASTRI简介13 作为目前澳大利亚投资最大的太阳能热利用项目，ASTRI由CSIRO，6所澳大利亚大学和美国2个科研机构和1个大学的研发人员组成，分别为： 澳大利亚国立大学Australian National University 昆士兰大学University of Queensland 阿德莱德大学University of Adelaide 弗林德斯大学Flinders University 南澳大学University of South Australia 昆士兰科技大学Queensland University of Technology 美国国家可再生能源实验室US National Renewable Energy Laboratory (NREL) 美国桑迪亚国家实验室Sandia National Laboratories 亚利桑那州立大学 Arizona State University. 项目预计总投资为8730万澳元，国际能源署太阳能热发电与热化学组织的现任执行主席Manuel Blanco博士为该项目的主任。该项目目标是降低太阳能热发电的成本至0.12澳元/kWh，2016年目标是降到 0.20澳元/kWh，2020年实现0.12澳元/kWh。电力品质具有很好的调度性能。项目的主要节点目标包括： 节点 1: 减少初投资：减少建造太阳能热发电站的成本，由澳大利亚国立大学和弗林德斯大学负责； 节点2: 提高容量因袭：提高电站的运行小时数以实现向电网输送更多的电力，由CSIRO和南澳大学负责。 节点3: 提高系统效率:增加发电量同事降低成本，由昆士兰大学和 CSIRO负责。 节点4: 增加产品价值：减少太阳能热发电站的运行和维护成本，又阿德莱德大学和昆士兰科技大学负责。 这些节点目标的实现均将和美国的可再生能源实验室、桑迪亚国家实验室和亚利桑那州立大学共同合作完成。该研究项目将利用世界领先的经济模型，知识共享和教育计划支持。 澳大利亚人口仅有2300万，但对于技术创新能力并不落后，在太阳能热利用领域中的石墨吸热储热的塔式发电技术、小开口尺寸槽式集热器技术、大面积碟式聚光器技术和太阳能合成气技术等均独具特色。宽松的科研氛围和丰厚报酬可以吸引高水平的研究人员，国际化的视野可以确保其技术和研究方向走在世界前列。参考文献1 Australian Energy Resource Assessment 2010,275-297.From.au/energy/other-renewable-energy-resources/solar-energy.html.2.au/product/solar-hot-water/?gclid=CIv5-9-dob4CFVQJvAodji0A4A3.au/energy/hot-water-service4.au/news/solar_hot_water_systems_in_australia/052364/5.au/news/solar_cools_echuca/065427/6 /projects/solar-cooling/7.au/research/optics/dish-and-trough-concentrators/ 8.au/newsletter/122-solar-boost-at-liddell-hunter-valley9.au/technologies/concentrated-solar-thermal.html#sthash.7ctWWozd.dpuf10.au/2013/solar-energy-in-the-australian-outback-at-8ckwh-4438111 G Burgess, K Lovegrove, S Mackie, J Zapata and