德國成功開發太陽能蓄熱裝置

對中學基礎物理還有一點兒印象或者喜歡鼓搗東西的人都知道，利用凸透鏡對陽光聚焦，焦點可以達到很高的溫度，可以點燃紙張，或者燒開一小杯水。太陽灶利用的就是這一原理，只不過用來聚光的不是凸透鏡，而是拋物面形狀的鏡面，把陽光反射以後再聚焦，焦點就是放鍋燒水的地方。現代的太陽能發電設備多種多樣，其中一種的原理就和太陽灶一樣，只不過規模大多了，熱水量也大，生成的蒸汽可以帶動渦輪機發電。為了保證夜間也能發電，人們必須把白天生產的蒸汽熱能儲蓄起來，夜間再釋放出來，變成電能。2004年以來，位於斯圖加特的德國航空航天中心技術熱動力學研究所的科研人員就致力於開發這樣一套蓄熱系統。

化學家塔默博士(Dr. Rainer Tamme)介紹說： 「太陽熱能發電系統的裝機容量一般都在10兆瓦以上。那麼要想讓蓄熱裝置保障渦輪發電機在太陽落山以後可以繼續發幾個小時的電，姑且以40%的熱電轉換率來計算的話，那每個小時就需要25兆瓦小時的熱量。如果說至少要保證發電4小時以上，再考慮到意外情況的話，那我們就需要100到1000兆瓦小時的蓄熱能力。」

這個目標和現實還相差很大。目前，德國開發人員正在歐洲最大的太陽能測試中心、設於西班牙的「阿爾梅裡亞太陽能平台」測試一個功率100千瓦、工作溫度超過200攝氏度的蓄熱裝置。結果表明，設計方案和材質原則上都已過關。開發人員的下一個目標是1兆瓦功率、300攝氏度的蓄熱溫度。他們在此利用的是人們早已熟知的相變蓄熱原理，也就是當一種物質從一種狀態轉變成另一種狀態時，需要吸收、也就是儲蓄極大的能量，比如說當固態的冰融化成液態的水、或者當液態的水蒸發成氣態的水蒸汽的時候。

開發相變蓄熱裝置需要解決的首要問題就是尋找合適的蓄熱材料，其相變溫度必須和渦輪發電設備高壓蒸汽的工作溫度相符。塔默博士繼續介紹說： 「水轉變成水蒸汽就是一個典型的物理相變。但我們利用的是由固態轉變成液態的相變，就像冰融化成水一樣，只不過我們利用的不是水，而是熔融鹽，它們的熔化溫度在200度到400度之間。我們的高壓蒸汽的工作溫度就在這個範圍。」

德國開發人員選中的是鉀、鈉的硝酸鹽。但這些蓄熱材料有一個缺點，那就是它們的導熱性能很差，吸收和釋放熱能的速度很慢，因此，設計人員還必須想辦法解決導熱問題，比如說在蓄熱材料中鋪設管道分散熱量，但這樣一來一是提高造價，二是降低蓄熱能力。塔默介紹說： 「大規格蓄熱裝置急需解決的問題就是熱輸送問題，如何改進蓄熱材料的熱吸收問題。」

只有當性價比合適的時候，才值得蓄熱。而通過合適的選材和巧妙的結構設計，完全可以實現合適的性價比。塔默說：「我們必須設計一種蓄熱結構，它用來輸送熱能的部分只佔5%，用來蓄熱的部分佔95%，這樣才有經濟效益。那我怎麼利用這5%呢？有些人在蓄熱材料中添加鐵屑或者其它什麼導熱物質，而我們是在蓄熱材料裡分層鋪設石墨導熱管，實現了很高的熱流密度。」

這樣一來，白天太陽能光熱設備生產的多餘蒸汽就可以通過石墨管道被輸送到蓄熱材料裡，作為蓄熱材料的固態鹽吸收蒸汽的熱能而轉化成液態。太陽落山後再向石墨管道注水，水吸收液態鹽的熱量而變成蒸汽帶動渦輪發電機，液態鹽因釋放了能量而返回固體狀態。如此循環往復。

這種蓄熱方法也可以應用到其它需要蒸汽的工藝，比如說食品加工或者造紙行業。可以說，哪裡有多餘的熱能，就可以在哪裡應用這種方法儲蓄這些熱能，唯一需要解決的問題是，蓄熱材料的相變溫度必須和蒸汽的工作溫度相符。塔默介紹說： 「假如說應用溫度是140攝氏度，那我們就必須找到一種熔化溫度也是140攝氏度的鹽。也就是說我們必須根據情況選擇蓄熱介質，但是設計方案、原理是不變的。」

也就是說，開發太陽能也為人們帶來了一個富有經濟效益的副產品——一種蓄熱裝置，可以在高溫下儲蓄幾個小時的熱能。

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