南市電廠改建為太陽能熱發(fā)電廠的設(shè)想

上海久能能源科技發(fā)展有限公司 李釗明 趙良華 胡海燕上海新產(chǎn)業(yè)光電技術(shù)有限公司 繆同群 張貴彥 伍志軍

隨著經(jīng)濟的發(fā)展、社會的進(jìn)步，人們對能源的依賴越來越強，對能源的質(zhì)量也提出了越來越高的要求。能源世界也因此正在發(fā)生巨大變革，以資源有限、污染嚴(yán)重的化石能源為主的能源結(jié)構(gòu)，逐步轉(zhuǎn)變?yōu)橐再Y源無限、清潔干凈的可再生能源為主的多樣化復(fù)合型的能源結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)有能源方式主要有火電、水電和核電。火電需要燃燒煤、石油等化石燃料。一方面化石燃料蘊藏量有限、越燒越少，正面臨著枯竭危險。另一方面燃燒燃料將排出CO2和硫的氧化物，因此會導(dǎo)致溫室效應(yīng)和酸雨，惡化地球環(huán)境。水電要淹沒大量土地，有可能導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境破壞，而且大型水庫一旦塌崩，后果將不堪設(shè)想。另外，一個國家的水力資源也是有限的，而且還要受季節(jié)的影響。核電在正常情況下固然是干凈的，但萬一發(fā)生核泄漏，后果同樣是可怕的。前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站事故，已使900萬人受到了不同程度的損害，而且這一影響并未終止。

太陽能是最理想的可再生能源。照射在地球上的太陽能非常巨大，大約40分鐘照射在地球上的太陽能，便足以供全球人類一年能量的消費?？梢哉f，太陽能是真正取之不盡、用之不竭的能源。而且太陽能發(fā)電絕對干凈，不產(chǎn)生公害。

1 太陽能熱發(fā)電

太陽能越來越受到人們的親睞，在人們生活、工作中有廣泛的作用，其中之一就是將太陽能轉(zhuǎn)換為電能。太陽能電池就是利用太陽能直接轉(zhuǎn)換為電能。而太陽能熱發(fā)電站的工作原理則是利用大規(guī)模陣列拋物或碟形鏡面收集陽光，通過換熱裝置提供蒸汽，通過傳統(tǒng)汽輪發(fā)電機的能量轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到發(fā)電的目的。當(dāng)前太陽能熱發(fā)電按照太陽能采集方式可劃分為1）槽式熱發(fā)電；2）塔式熱發(fā)電；3）碟式熱發(fā)電。

槽式系統(tǒng)是利用拋物柱面槽式反射鏡將陽光聚焦到管狀的接收器上，并將管內(nèi)的傳熱工質(zhì)加熱產(chǎn)生蒸汽，推動常規(guī)汽輪機發(fā)電；塔式系統(tǒng)是利用眾多的定日鏡，將太陽熱輻射反射到置于高塔頂部的高溫集熱器(太陽鍋爐)上，加熱工質(zhì)產(chǎn)生過熱蒸汽，或直接加熱集熱器中的水產(chǎn)生過熱蒸汽，驅(qū)動汽輪機發(fā)電機組發(fā)電；碟式系統(tǒng)利用曲面聚光反射鏡，將入射陽光聚集在焦點處，在焦點處直接放置斯特林發(fā)動機發(fā)電。

在太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域中，涉及槽式太陽能熱發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)是聚光集熱裝置，其中聚光鏡片、跟蹤驅(qū)動裝置、線聚焦集熱管是實現(xiàn)槽式太陽能順利發(fā)電的三項核心技術(shù)。我國是世界上最大的低溫?zé)崴魃a(chǎn)大國，在真空管的技術(shù)上已經(jīng)掌握了國際領(lǐng)先技術(shù)，玻璃熱彎與鍍銀技術(shù)處于世界先進(jìn)水平。槽式熱發(fā)電的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)已經(jīng)存在。

塔式熱發(fā)電系統(tǒng)的成熟度目前不如拋物面槽式熱發(fā)電系統(tǒng)，而配以斯特林發(fā)電機的拋物面盤式熱發(fā)電系統(tǒng)雖然有比較優(yōu)良的性能指標(biāo)，但目前主要還是用于邊遠(yuǎn)地區(qū)的小型獨立供電，大規(guī)模應(yīng)用成熟度則稍遜一籌。應(yīng)該指出，槽式、塔式和盤式太陽能熱發(fā)電技術(shù)同樣受到世界各國的重視，并正在積極開展工作。

2 南市電廠主動式導(dǎo)光系統(tǒng)

2.1 南市電廠

1897年，清政府上海馬路工程善后局在十六鋪老太平碼頭創(chuàng)建了供30盞路燈照明的南市電燈廠，后于1918年成立上海華商電力股份有限公司。1955年，電廠轉(zhuǎn)為國營，定名為南市發(fā)電廠。南市發(fā)電廠的百年歷程伴隨了上海整個工業(yè)時代的變遷。為上海成為工業(yè)化城市做出了巨大貢獻(xiàn)。

原南市電廠根據(jù)《中國2010年上海世博會行動大綱和總體規(guī)劃方案》被改建成了世博會的主題館之一，即城市未來探索館。世博會期間，這里將用于展示非物質(zhì)及無形的城市實踐案例。

南市電廠的改建充分利用了電廠原有資源，集成了當(dāng)今建筑和可再生能源領(lǐng)域最新的材料和技術(shù)，從建筑功能、環(huán)境效益、展示效果各方面通盤考慮，將廢棄的廠房改建成了一個新技術(shù)和新理念的展示平臺，它成為了世博園區(qū)建設(shè)工程中的新能源，新技術(shù)，新材料應(yīng)用的典范[1]。

南市電廠改建工程的技術(shù)定位包括：歷史遺跡保護；三星級綠色建筑；實現(xiàn)從“高污染高消耗的傳統(tǒng)煤電中心”向“綠色能源中心”的轉(zhuǎn)變。改建過程中，綠色建筑理念貫穿設(shè)計、施工全過程，集成了主動式導(dǎo)光系統(tǒng)、太陽能及風(fēng)力發(fā)電、綠色建材、阻尼結(jié)構(gòu)加固、自然通風(fēng)、智能化集成、江水源熱泵、中水回用等多項關(guān)鍵技術(shù)[2]。南市電廠的再生性改建，體現(xiàn)了對歷史遺產(chǎn)的保護與利用；改建后的主廠房用作世博會未來探索館，則濃縮展示了未來城市發(fā)展的美好愿景。

2.2 主動式導(dǎo)光系統(tǒng)

主動式導(dǎo)光系統(tǒng)是由定日鏡實時跟蹤太陽運動，收集陽光，通過鏡面聚光，將光斑始終聚焦在平面反射鏡上，再由平面反射鏡將光線射入建筑室內(nèi)（見圖1）。與用普通的天窗玻璃直接引入天然光的方式相比，主動式導(dǎo)光系統(tǒng)不僅提高了照度，延長了室內(nèi)自然光照時間，并且對光線進(jìn)行散射后，避免了眩光的產(chǎn)生，獲得更舒適的照明效果。

2.2.1 南市電廠主動式導(dǎo)光系統(tǒng)

南市電廠主動式導(dǎo)光系統(tǒng)位于電廠屋頂29m高位置。系統(tǒng)于2010年4月調(diào)試成功。該系統(tǒng)運行后生態(tài)中庭的地面平均水平照度＞500lux；中庭綠墻平均垂直照度＞300lux[3]。該導(dǎo)光系統(tǒng)包括三部分：定日鏡、平面反射鏡及天窗漫射板組件，除了定日鏡，其它組件都是固定不動的（見圖2）。為確保定日鏡收集并反射出去的全部光線被平面反射鏡接收到，定日鏡需根據(jù)太陽位置的改變不斷進(jìn)行同步的角度調(diào)整[4]。該項目為國內(nèi)首創(chuàng)。

2.2.2 南市電廠主動式導(dǎo)光系統(tǒng)作用分析

南市電廠立面開窗面積小，室內(nèi)采光差，如果只采用燈光照明，為保證室內(nèi)能見度必須延長燈光照明時間，加大了用電量。而主動式導(dǎo)光系統(tǒng)的運用，將自然光送到室內(nèi)生態(tài)中庭，延長了中庭日照時間，既提高了中庭日照強度和采光水平，改善了光環(huán)境，又為中庭綠墻植物的良好生長提供了充足的陽光照射（見圖3），綠墻植物的良好生長間接減緩了夏季中庭熱負(fù)荷，夏季中庭熱負(fù)荷的減緩降低了空調(diào)的制冷能耗，空調(diào)制冷能耗的降低又減少了用電量……，形成了一個良性的連鎖反應(yīng)。

3 南市電廠建設(shè)太陽能熱發(fā)電廠的設(shè)想

主動式導(dǎo)光系統(tǒng)的成功開發(fā)，使太陽能熱發(fā)電成為可能，讓有著110年歷史的南市電廠有了重新煥發(fā)青春活力的機會。

在建立了太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)后，南市電廠就能涅磐重生，由一個具有110年歷史的“傳統(tǒng)煤電中心”轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€“新能源發(fā)電中心”，完成了一個華麗的180度大轉(zhuǎn)身，極大的推動了國家節(jié)能減排政策執(zhí)行。

3.1 南市電廠建設(shè)太陽能熱發(fā)電的有利條件

1）槽式太陽能熱發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)是聚光集熱裝置，其中聚光鏡片、跟蹤驅(qū)動裝置、線聚焦集熱管是實現(xiàn)槽式太陽能順利發(fā)電的三項核心技術(shù)。南市電廠的主動式導(dǎo)光系統(tǒng)為太陽能槽式熱發(fā)電系統(tǒng)收集太陽光方面提供了聚光鏡片和跟蹤驅(qū)動裝置兩種核心技術(shù)。

2）碟式系統(tǒng)利用曲面聚光反射鏡，將入射陽光聚集在焦點處，在焦點處直接放置斯特林發(fā)動機發(fā)電。碟式系統(tǒng)重要部件之一就是曲面聚光反射鏡，它的作用同主動式導(dǎo)光系統(tǒng)的定日鏡是一樣的；因此可以嘗試將主動式導(dǎo)光系統(tǒng)的平面反射鏡和碟式熱發(fā)電的發(fā)電機進(jìn)行整合，那么現(xiàn)有的定日鏡組件就即可以為主動式導(dǎo)光系統(tǒng)收集反射陽光，又可以作為碟式熱發(fā)電系統(tǒng)的曲面聚光反射鏡。

3）塔式系統(tǒng)是利用眾多的定日鏡，將太陽熱輻射反射到置于高塔頂部的高溫集熱器 (太陽鍋爐)上，加熱工質(zhì)產(chǎn)生過熱蒸汽，或直接加熱集熱器中的水產(chǎn)生過熱蒸汽，驅(qū)動汽輪機發(fā)電機組發(fā)電。它的主要構(gòu)成就是定日鏡陣列及高塔接收器，而南市電廠原有的煙囪就可作為高塔使用。如同太陽能槽式熱發(fā)電系統(tǒng)一樣，南市電廠的主動式導(dǎo)光系統(tǒng)也為塔式熱發(fā)電系統(tǒng)收集太陽光方面提供了聚光鏡片和跟蹤驅(qū)動裝置兩種核心技術(shù)。

各式熱發(fā)電的聚光鏡片對比見表1。三種太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)見圖4。

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4）新能源作為電力系統(tǒng)未來的發(fā)展方向之一是：采用幾種新能源發(fā)電方式組成混合供電系統(tǒng)，混合供電系統(tǒng)可以選擇風(fēng)力發(fā)電與太陽能電池組合，或太陽能與燃料電池組合，也可以將三者組合在一起等（見圖5）。

南市電廠改建后已經(jīng)擁有了太陽能光伏發(fā)電及風(fēng)力發(fā)電，如果在加上太陽能熱發(fā)電，也構(gòu)成了一個完整的混合供電系統(tǒng)?？梢詾榛旌瞎╇娤到y(tǒng)做一個完善的樣本，為以后的大規(guī)模應(yīng)用做好充分的準(zhǔn)備工作。

5）南市電廠原本就是一個發(fā)電廠，雖然經(jīng)過改造，但仍擁有較完整的電力網(wǎng)絡(luò)。在南市電廠建設(shè)太陽能熱發(fā)電站，避免了建設(shè)配套的電力網(wǎng)絡(luò)。

3.2 南市電廠不僅可作為太陽能熱發(fā)電廠，還可作為一個新能源展示中心、青少年科普教育基地（新能源展示培訓(xùn)基地）

南市電廠世博改建后占地面積8970m2，總建筑面積3.1088萬m2；在應(yīng)用了太陽能熱發(fā)電后，還剩余大量的建筑空間；完全還可以作為新能源展示中心、青少年科普教育基地。

1）南市電廠本身就集合了最新的節(jié)能環(huán)保技術(shù)，具備了硬件要求。

南市電廠世博改建過程中，綠色建筑理念貫穿設(shè)計、施工全過程，集成了主動式導(dǎo)光系統(tǒng)、太陽能及風(fēng)力發(fā)電、綠色建材、阻尼結(jié)構(gòu)加固、自然通風(fēng)、智能化集成、江水源熱泵、中水回用等多項關(guān)鍵技術(shù)。經(jīng)世博改建后的南市電廠成為了一個綠色能源中心，三星級綠色建筑。

2）上海需要有這樣新能源展示中心、青少年科普教育基地基地

作為長三角區(qū)域的龍頭，全國的經(jīng)濟中心，上海在節(jié)能減排工作方面應(yīng)該起到帶頭和表率作用，因此上海需要新能源展示中心，專門介紹新能源技術(shù)的青少年科普教育基地。

3）宣傳節(jié)能減排的需要

我國經(jīng)濟快速增長，各項建設(shè)取得巨大成就，但也付出了巨大的資源和環(huán)境代價。不加快調(diào)整經(jīng)濟結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)變增長方式，資源支撐不住，環(huán)境容納不下，社會承受不起，經(jīng)濟發(fā)展難以為繼。只有堅持節(jié)約發(fā)展、清潔發(fā)展、安全發(fā)展，才能實現(xiàn)經(jīng)濟又好又快發(fā)展。同時，溫室氣體排放引起全球氣候變暖，備受國際社會廣泛關(guān)注。進(jìn)一步加強節(jié)能減排工作，也是應(yīng)對全球氣候變化的迫切需要，是我們應(yīng)該承擔(dān)的責(zé)任。

4 結(jié)論

國際能源機構(gòu)預(yù)計，太陽能發(fā)電產(chǎn)業(yè)將解決夜間發(fā)電問題。報告表示，在“并不遙遠(yuǎn)的未來”，太陽能熱發(fā)電廠將能晝夜無間斷發(fā)電，新興的蓄熱技術(shù)將讓“太陽能發(fā)電廠能夠和傳統(tǒng)燃料電廠相競爭”。存儲技術(shù)將白天積聚的能量在夜間釋放出來，或者在高峰時期調(diào)度給國家電網(wǎng)

能源結(jié)構(gòu)的重大變革絕非一日之功，是一個由量變到質(zhì)變的漸進(jìn)過程。發(fā)展低碳經(jīng)濟，開發(fā)新能源，充分利用取之不盡的太陽能，促進(jìn)低碳經(jīng)濟的發(fā)展是當(dāng)今各國政府所關(guān)心的大事。充分調(diào)動一切力量，利用新能源加速經(jīng)濟的發(fā)展，這是對保護日益惡化的自然環(huán)境作出的有益貢獻(xiàn)。南市電廠建設(shè)太陽能熱發(fā)電廠不僅能充分利用南市電廠的原有條件，加快新能源的開發(fā)利用，更能體現(xiàn)出上海作為國際化大都市對節(jié)能減排的決心和行動。

[1]葛曹燕、韓繼紅，上海地區(qū)可持續(xù)能源利用——2010世博園區(qū)永久場館建設(shè)，上海節(jié)能，2010年4月

[2]葛曹燕、楊建榮，上海世博南市電廠可持續(xù)改建實踐，綠色建筑，2010年2月

[3]《主動式自然導(dǎo)光技術(shù)》，上海世博土地控股有限公司，上海市建筑科學(xué)研究院，同濟大學(xué)建筑設(shè)計院聯(lián)合編制

[4]繆同群，張貴彥，伍志軍，上海2010世博會城市最佳實踐區(qū)南市電廠主動式導(dǎo)光系統(tǒng)深化設(shè)計方案