南市电厂改建为太阳能热发电厂的设想

上海久能能源科技发展有限公司 李钊明 赵良华 胡海燕上海新产业光电技术有限公司 缪同群 张贵彦 伍志军

随着经济的发展、社会的进步，人们对能源的依赖越来越强，对能源的质量也提出了越来越高的要求。能源世界也因此正在发生巨大变革，以资源有限、污染严重的化石能源为主的能源结构，逐步转变为以资源无限、清洁干净的可再生能源为主的多样化复合型的能源结构。现有能源方式主要有火电、水电和核电。火电需要燃烧煤、石油等化石燃料。一方面化石燃料蕴藏量有限、越烧越少，正面临着枯竭危险。另一方面燃烧燃料将排出CO2和硫的氧化物，因此会导致温室效应和酸雨，恶化地球环境。水电要淹没大量土地，有可能导致生态环境破坏，而且大型水库一旦塌崩，后果将不堪设想。另外，一个国家的水力资源也是有限的，而且还要受季节的影响。核电在正常情况下固然是干净的，但万一发生核泄漏，后果同样是可怕的。前苏联切尔诺贝利核电站事故，已使900万人受到了不同程度的损害，而且这一影响并未终止。

太阳能是最理想的可再生能源。照射在地球上的太阳能非常巨大，大约40分钟照射在地球上的太阳能，便足以供全球人类一年能量的消费。可以说，太阳能是真正取之不尽、用之不竭的能源。而且太阳能发电绝对干净，不产生公害。

1 太阳能热发电

太阳能越来越受到人们的亲睐，在人们生活、工作中有广泛的作用，其中之一就是将太阳能转换为电能。太阳能电池就是利用太阳能直接转换为电能。而太阳能热发电站的工作原理则是利用大规模阵列抛物或碟形镜面收集阳光，通过换热装置提供蒸汽，通过传统汽轮发电机的能量转换，从而达到发电的目的。当前太阳能热发电按照太阳能采集方式可划分为1）槽式热发电；2）塔式热发电；3）碟式热发电。

槽式系统是利用抛物柱面槽式反射镜将阳光聚焦到管状的接收器上，并将管内的传热工质加热产生蒸汽，推动常规汽轮机发电；塔式系统是利用众多的定日镜，将太阳热辐射反射到置于高塔顶部的高温集热器(太阳锅炉)上，加热工质产生过热蒸汽，或直接加热集热器中的水产生过热蒸汽，驱动汽轮机发电机组发电；碟式系统利用曲面聚光反射镜，将入射阳光聚集在焦点处，在焦点处直接放置斯特林发动机发电。

在太阳能热发电领域中，涉及槽式太阳能热发电的关键技术是聚光集热装置，其中聚光镜片、跟踪驱动装置、线聚焦集热管是实现槽式太阳能顺利发电的三项核心技术。我国是世界上最大的低温热水器生产大国，在真空管的技术上已经掌握了国际领先技术，玻璃热弯与镀银技术处于世界先进水平。槽式热发电的产业基础已经存在。

塔式热发电系统的成熟度目前不如抛物面槽式热发电系统，而配以斯特林发电机的抛物面盘式热发电系统虽然有比较优良的性能指标，但目前主要还是用于边远地区的小型独立供电，大规模应用成熟度则稍逊一筹。应该指出，槽式、塔式和盘式太阳能热发电技术同样受到世界各国的重视，并正在积极开展工作。

2 南市电厂主动式导光系统

2.1 南市电厂

1897年，清政府上海马路工程善后局在十六铺老太平码头创建了供30盏路灯照明的南市电灯厂，后于1918年成立上海华商电力股份有限公司。1955年，电厂转为国营，定名为南市发电厂。南市发电厂的百年历程伴随了上海整个工业时代的变迁。为上海成为工业化城市做出了巨大贡献。

原南市电厂根据《中国2010年上海世博会行动大纲和总体规划方案》被改建成了世博会的主题馆之一，即城市未来探索馆。世博会期间，这里将用于展示非物质及无形的城市实践案例。

南市电厂的改建充分利用了电厂原有资源，集成了当今建筑和可再生能源领域最新的材料和技术，从建筑功能、环境效益、展示效果各方面通盘考虑，将废弃的厂房改建成了一个新技术和新理念的展示平台，它成为了世博园区建设工程中的新能源，新技术，新材料应用的典范[1]。

南市电厂改建工程的技术定位包括：历史遗迹保护；三星级绿色建筑；实现从“高污染高消耗的传统煤电中心”向“绿色能源中心”的转变。改建过程中，绿色建筑理念贯穿设计、施工全过程，集成了主动式导光系统、太阳能及风力发电、绿色建材、阻尼结构加固、自然通风、智能化集成、江水源热泵、中水回用等多项关键技术[2]。南市电厂的再生性改建，体现了对历史遗产的保护与利用；改建后的主厂房用作世博会未来探索馆，则浓缩展示了未来城市发展的美好愿景。

2.2 主动式导光系统

主动式导光系统是由定日镜实时跟踪太阳运动，收集阳光，通过镜面聚光，将光斑始终聚焦在平面反射镜上，再由平面反射镜将光线射入建筑室内（见图1）。与用普通的天窗玻璃直接引入天然光的方式相比，主动式导光系统不仅提高了照度，延长了室内自然光照时间，并且对光线进行散射后，避免了眩光的产生，获得更舒适的照明效果。

2.2.1 南市电厂主动式导光系统

南市电厂主动式导光系统位于电厂屋顶29m高位置。系统于2010年4月调试成功。该系统运行后生态中庭的地面平均水平照度＞500lux；中庭绿墙平均垂直照度＞300lux[3]。该导光系统包括三部分：定日镜、平面反射镜及天窗漫射板组件，除了定日镜，其它组件都是固定不动的（见图2）。为确保定日镜收集并反射出去的全部光线被平面反射镜接收到，定日镜需根据太阳位置的改变不断进行同步的角度调整[4]。该项目为国内首创。

2.2.2 南市电厂主动式导光系统作用分析

南市电厂立面开窗面积小，室内采光差，如果只采用灯光照明，为保证室内能见度必须延长灯光照明时间，加大了用电量。而主动式导光系统的运用，将自然光送到室内生态中庭，延长了中庭日照时间，既提高了中庭日照强度和采光水平，改善了光环境，又为中庭绿墙植物的良好生长提供了充足的阳光照射（见图3），绿墙植物的良好生长间接减缓了夏季中庭热负荷，夏季中庭热负荷的减缓降低了空调的制冷能耗，空调制冷能耗的降低又减少了用电量……，形成了一个良性的连锁反应。

3 南市电厂建设太阳能热发电厂的设想

主动式导光系统的成功开发，使太阳能热发电成为可能，让有着110年历史的南市电厂有了重新焕发青春活力的机会。

在建立了太阳能热发电系统后，南市电厂就能涅磐重生，由一个具有110年历史的“传统煤电中心”转变为一个“新能源发电中心”，完成了一个华丽的180度大转身，极大的推动了国家节能减排政策执行。

3.1 南市电厂建设太阳能热发电的有利条件

1）槽式太阳能热发电的关键技术是聚光集热装置，其中聚光镜片、跟踪驱动装置、线聚焦集热管是实现槽式太阳能顺利发电的三项核心技术。南市电厂的主动式导光系统为太阳能槽式热发电系统收集太阳光方面提供了聚光镜片和跟踪驱动装置两种核心技术。

2）碟式系统利用曲面聚光反射镜，将入射阳光聚集在焦点处，在焦点处直接放置斯特林发动机发电。碟式系统重要部件之一就是曲面聚光反射镜，它的作用同主动式导光系统的定日镜是一样的；因此可以尝试将主动式导光系统的平面反射镜和碟式热发电的发电机进行整合，那么现有的定日镜组件就即可以为主动式导光系统收集反射阳光，又可以作为碟式热发电系统的曲面聚光反射镜。

3）塔式系统是利用众多的定日镜，将太阳热辐射反射到置于高塔顶部的高温集热器 (太阳锅炉)上，加热工质产生过热蒸汽，或直接加热集热器中的水产生过热蒸汽，驱动汽轮机发电机组发电。它的主要构成就是定日镜阵列及高塔接收器，而南市电厂原有的烟囱就可作为高塔使用。如同太阳能槽式热发电系统一样，南市电厂的主动式导光系统也为塔式热发电系统收集太阳光方面提供了聚光镜片和跟踪驱动装置两种核心技术。

各式热发电的聚光镜片对比见表1。三种太阳能热发电系统见图4。

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4）新能源作为电力系统未来的发展方向之一是：采用几种新能源发电方式组成混合供电系统，混合供电系统可以选择风力发电与太阳能电池组合，或太阳能与燃料电池组合，也可以将三者组合在一起等（见图5）。

南市电厂改建后已经拥有了太阳能光伏发电及风力发电，如果在加上太阳能热发电，也构成了一个完整的混合供电系统。可以为混合供电系统做一个完善的样本，为以后的大规模应用做好充分的准备工作。

5）南市电厂原本就是一个发电厂，虽然经过改造，但仍拥有较完整的电力网络。在南市电厂建设太阳能热发电站，避免了建设配套的电力网络。

3.2 南市电厂不仅可作为太阳能热发电厂，还可作为一个新能源展示中心、青少年科普教育基地（新能源展示培训基地）

南市电厂世博改建后占地面积8970m2，总建筑面积3.1088万m2；在应用了太阳能热发电后，还剩余大量的建筑空间；完全还可以作为新能源展示中心、青少年科普教育基地。

1）南市电厂本身就集合了最新的节能环保技术，具备了硬件要求。

南市电厂世博改建过程中，绿色建筑理念贯穿设计、施工全过程，集成了主动式导光系统、太阳能及风力发电、绿色建材、阻尼结构加固、自然通风、智能化集成、江水源热泵、中水回用等多项关键技术。经世博改建后的南市电厂成为了一个绿色能源中心，三星级绿色建筑。

2）上海需要有这样新能源展示中心、青少年科普教育基地基地

作为长三角区域的龙头，全国的经济中心，上海在节能减排工作方面应该起到带头和表率作用，因此上海需要新能源展示中心，专门介绍新能源技术的青少年科普教育基地。

3）宣传节能减排的需要

我国经济快速增长，各项建设取得巨大成就，但也付出了巨大的资源和环境代价。不加快调整经济结构、转变增长方式，资源支撑不住，环境容纳不下，社会承受不起，经济发展难以为继。只有坚持节约发展、清洁发展、安全发展，才能实现经济又好又快发展。同时，温室气体排放引起全球气候变暖，备受国际社会广泛关注。进一步加强节能减排工作，也是应对全球气候变化的迫切需要，是我们应该承担的责任。

4 结论

国际能源机构预计，太阳能发电产业将解决夜间发电问题。报告表示，在“并不遥远的未来”，太阳能热发电厂将能昼夜无间断发电，新兴的蓄热技术将让“太阳能发电厂能够和传统燃料电厂相竞争”。存储技术将白天积聚的能量在夜间释放出来，或者在高峰时期调度给国家电网

能源结构的重大变革绝非一日之功，是一个由量变到质变的渐进过程。发展低碳经济，开发新能源，充分利用取之不尽的太阳能，促进低碳经济的发展是当今各国政府所关心的大事。充分调动一切力量，利用新能源加速经济的发展，这是对保护日益恶化的自然环境作出的有益贡献。南市电厂建设太阳能热发电厂不仅能充分利用南市电厂的原有条件，加快新能源的开发利用，更能体现出上海作为国际化大都市对节能减排的决心和行动。

[1]葛曹燕、韩继红，上海地区可持续能源利用——2010世博园区永久场馆建设，上海节能，2010年4月

[2]葛曹燕、杨建荣，上海世博南市电厂可持续改建实践，绿色建筑，2010年2月

[3]《主动式自然导光技术》，上海世博土地控股有限公司，上海市建筑科学研究院，同济大学建筑设计院联合编制

[4]缪同群，张贵彦，伍志军，上海2010世博会城市最佳实践区南市电厂主动式导光系统深化设计方案