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太阳能沙漏:基于光热发电的奇幻设计
西部电力设计 时间: 2014-11-20   作者:林春燕

  2014年哥本哈根大地艺术发电计划竞赛(LAGI)的优胜者已经于今年10月份正式揭晓,荣获本年度竞赛第一名的为一个名为“太阳能沙漏”的建筑设计,其采用了聚光太阳能发电技术,在为城市创造了独特的绚丽景观的同时,其还可以年产7500MWh的绿色电能。

       获奖方案由阿根廷建筑师SantiagoMurosCortés设计,其独特的设计巧妙融合了建筑美学和光热发电的技术,受到了评审团的一致肯定,给其留下了深刻印象,最终拔得头魁。该项设计从300多项入围参赛方案中脱颖而出,这对于光热发电行业而言也不得不说是一大利好信息。

       作为本次竞赛的第一名获得者,Cortés也获得了LAGI给予的15000美元奖金,LAGI项目鼓励艺术家、建筑师、科学家和工程师设计公共艺术设施,并将可再生能源技术融入其中来推动绿色能源和建筑的结合及发展。今年设计竞赛项目的地点位于哥本哈根的一个港口,其前身为一个造船厂,未来这里会成为绿色城市能源战略的发展基地,获奖的设计方案有可能被付诸实践。

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       “不像那里的其他发电厂,太阳能沙漏自诞生之日起就将成为这个城市生活不可分割的组成部分,它能够通过融合社会文化,将可持续性绿色发电的理念融入到人们每天的日常生活中去,从而使社会大众对可再生能源技术有更直观的认知和理解”。Cortés说。

       尽管这一荣获第一名的方案也不能保证就可以投入实际建设,但这个非一般的创意决不会被抹杀,它将影响未来绿色建筑艺术的发展。事实上,LAGI也会将所有入围的竞赛方案打包整理后提供给世界范围内所有致力于可持续性绿色发展的投资者,以加大这些方案变为现实的可能性。

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       “虽然一般观点认为光热发电项目的开发很大程度上取决于规模经济效益,太阳能沙漏是塔类光热发电技术的一种小规模化应用,但是光热发电产业中仍存在一些成功的小规模化应用的案例,因此我们相信我们选择的这个创意方案是可行的。”LAGI的联合创始人之一ElizabethMonoian表示。

二次反射塔式技术

       太阳能沙漏采用的塔式技术源于二次反射的原理,全球首个基于二次反射原理的塔式光热发电示范项目于2010年1月份在阿联酋Masdar建成,装机容量100kWth。目前世界范围内仍有中国的上海晶电、MASDAR等机构在推进此项技术的应用。太阳能沙漏也被认为是一个基于二次反射原理、集热器下置的小型塔式项目。

       根据这项方案,一系列的定日镜被安装在沙漏上表面,定日镜反射阳光将太阳光聚焦到一个锥形的二次反射镜上,这个二次反射镜再将光通过沙漏漏斗反射至沙漏底部的集热器上,集热器、储热设施以及发电系统都被置于下层沙漏的表面内部,从外观上来看你完全难以猜到里面竟然安装了储热和发电系统。

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       在上层沙漏表面组成的类似抛物线形的定日镜阵列通过反射阳光,将聚集后的光能投射至下方的集热器中,带有光能吸收涂层的集热器可以最大限度的将其吸收的热量传递给传热介质熔盐,高温熔盐融化后温度可继续上升到600度以上,其再与水换热,将水转化为蒸气,进而推动发电机运转发电。

       由于下层沙漏近乎封闭,其产生的水蒸气很少会返回到沙漏上层,所以被聚集后的太阳能光束对公众来说变得可见。这样,这套同时作为艺术景观的建筑就可以向公众传达出更具震撼力的信息:我们还有时间做一些事情让环境更加美好。这个系统设计安装1960平方米的抛物线形定日镜场,其能够集中足够的热量来驱动6.2MW的发电机组,年均生产出7500MWh的绿色电能。

       但是,要将该设计思路推向实际应用,最大的实际问题就是:建设这样一个工程是一件容易的事吗?

专家眼中的太阳能沙漏

       德国卡塞尔大学热能工程学院的研究员StevenMeyers一直致力于将光热技术与工业生产结合起来的研究,他认为,“太阳能沙漏是二次反射塔式技术以及光热发电技术的一个有趣的应用设想。单就美学而言,它看起来非常光滑和时髦,看起来我们当然不会和发电厂联系起来,其可以作为光热发电技术应用的一个有趣的标杆。”

       作为马斯达尔能源和纳米科学实验室的前任研究工程师,Meyers与马斯达尔此前建设的那个二次反射塔式示范系统有直接关系。但是,当他看到Cortés的方案的技术层面时,Meyers提出了几个问题,这些问题是他的团队在马斯达尔研究该技术时所遇到的,而且这些问题很有可能在太阳能沙漏计划的实施中遇到。

       “第一个问题是复杂的多重镜面反射光学系统,对于安装在一般的地面上来说,已经很难控制这些反射镜了,当反射镜集热系统被用绳索整个吊起来安装在空中时,无疑将进一步增加聚焦太阳能的难度,反射镜系统在空中将更易被风载影响,并难以实现精准定日。紧接着第一个问题,第二个是有关散光和安全的问题。在该方案的其中一副图片中,沙漏方案描绘了进入吸热器前数米的光束。这种情况是不可能发生的,一方面二次反射镜反射会带来部分散光,同时光束具有强大的热能,会带来严重的安全问题。”Meyers表示。

       “这些被集中起来的光束如此明亮,以至于人们在光束周围无法看到聚光焦点。同时,光束中含有的热量十分强大,人们在靠近他几米外的距离都会感受到他的巨大热量,根本不可能靠近。”Meyers认为太阳能沙漏的设想图有些不切现实。

       马斯达尔已经建成的装机为100KWth的那个示范系统是该太阳能沙漏计划的二十分之一,即便如此,Meyers说他们也不得不在靠近焦点光束时候戴上厚厚的太阳镜,而且还要与焦点光束保持2~3米的距离。这些问题都是当前不可能解决的问题,仍需要技术上的进步来降低其风险。

潜在可行性

       说起建设太阳能沙漏项目的可行性,Meyers认为可行与否要看项目的目标是什么。“如果目标是整体提高光热发电和太阳能技术在社会大众中的认知度,那么太阳能沙漏计划就是一个值得开发的项目。”

       但是,从目前的技术来看,这个计划仍然难以实现。Meyers说,“最大的障碍是沙漏上层集热场的设计安装要非常精确,并且坚固,因为所有的定日镜和集热塔设施都在上层沙漏里。”“以目前这个设计尺寸,仅仅太阳能集热装备就重达60000公斤还多,排除支架装置,保守假定每平方米承重也需要达到30公斤,这个承重要求已经是很高的,必须用钢丝绳同4个固定在地面上的柱子连接起来,即便如此要保证上层沙漏稳固安全也很较大难度。”从技术角度来看,只有经验丰富的工程师采用创意性的设计才能解决这个问题。

       至于提到的热能储存方案,Meyers认为倒是可行的,因为熔盐作为热能存储材料已被证明是有效的。总体来看,上层集热场的设计以及控制是难以完美实现的一大问题,另外,下层沙漏的聚集光束的安全问题也不容忽视。而这些可能是该方案的设计者并没有认真考虑到的地方。

       结合光热发电技术来进行一些创意设计的方案应当被意识到其潜在价值,比如在公园或者公共区域内,利用光热发电技术来建设一些安全的、具有艺术美感的创意建筑,不但可以向社会普及推广太阳能利用知识,同时也可为城市增加独特的风景。基于这种目的,我们可以牺牲掉一些诸如发电量这些技术性经济性的考量,因为事实上这并非一座商业化发电厂,其更贴切的身份或许是公共的艺术品、宣传品。

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