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冬奥都结束了 还有人不知道“最快的冰”?

022年北京冬奥会结束了!  在各项高科技的加持下,冬奥会赛场上多项纪录被打破。国家速滑馆“冰丝带”的冰,更被网友称为“破纪录的冰”。  “冰丝带”是亚洲建筑规模最大的速滑馆,有目前亚洲最大的冰面。值得关注的是,它的冰面采用二氧化碳直冷制冰,这也是全球首个采用二氧化碳跨临界直接蒸发制冷的冬奥速滑场馆。 国家速滑馆“冰丝带”内部(图片来源:新京报记者陶冉摄)   Part.1                       二氧化碳制冷:一举两得的制冷技术 我们对于二氧化碳并不陌生,它有一个突出的物理特征:在加压和冷却的条件下可以变成液体,继续降低温度则会变成雪花状,再经过压缩处理极易形成干冰。压力降低后,干冰会迅速蒸发或升华,这个过程会带走大量的热,从而使环境温度降低,这便是二氧化碳制冷的原理。 大量排放二氧化碳造成的温室效应,给地球带来诸多不良影响。如果将大气中的二氧化碳作为一种安全、经济和环保的“自然”制冷剂实现高效制冷,可谓是一举两得:既能有效利用排放的二氧化碳去缓解温室效应,又能显著提升人工制冷的性能。 二氧化碳制冷有望将温室效应转变为舒适环境的示意图(图片来源:作者自制) 二氧化碳制冷原理看着简单,但操作过程很难。具体而言,二氧化碳跨临界直冷制冰的整个过程需要压缩机、气体冷却器、膨胀阀、蒸发器、管路、阀门等。首先,通过压缩机来提升二氧化碳的压力至超临界状态。 接着,压缩机排出高温高压的二氧化碳流过气体冷却器来冷却其温度,放出的热量用于余热回收。 然后,二氧化碳制冷剂流过膨胀阀,在此过程中其压力迅速降低。 最后再通过蒸发器内二氧化碳的迅速蒸发,吸收周围环境热量,从而实现制冷或者制冰的效果。 二氧化碳制冷示意图(图片来源:作者自制)  Part.2                       制冷剂这么多,为什么要用二氧化碳制冷? 在室内冰场制冷剂的选择上,二氧化碳并不是首选,早期人们曾大量采用氨或氟利昂作为制冷剂。但考虑到合成制冷剂对臭氧层有破坏且温室效应显著,如今已经被淘汰不再应用,而氨工质(工质指用来实现热能和机械能相互转换的媒介物质)应用于室内冰场具有一定的危险性。 与之相比,用二氧化碳制冷比较环保,碳排放趋近于零,“冰丝带”场馆内的4块主冰面在竞技时可减少约900吨二氧化碳排放。不仅如此,相比传统制冷技术,二氧化碳制冷效率高,可将能效提升20%以上,而且还能实现均匀制冷,冰面不同位置的温差基本控制在0.5℃以内,其硬度和平整度几乎一致而有利于滑行。  Part.3                       制冷技术哪家强?“冰丝带”为何选择了它? 选好制冷剂之后,就要考虑制冷技术了。目前的人工制冷技术主要有间接制冷技术和直接蒸发式制冷技术。 间接制冷技术指的是系统蒸发器产生的冷量不能直接被用户利用,而是需依靠传热载体通过输送、热交换设备才能达到制冷的目的。 而直接蒸发式制冷技术则是系统蒸发器直接与被冷却空间进行热交换以达到制冷的效果。 对于刚结束冰雪赛事的“冰丝带”而言,应该如何选择制冷技术呢?(图片来源:北京日报) 无论间冷式还是直冷式,都要求冰面温度均匀性较高,两种方式所需的工质流量不同,因此耗电量成为两者的主要差别。相比之下,二氧化碳跨临界直冷制冰技术的优势便显露出来了。 首先,二氧化碳跨临界直冷制冰技术最显著的优势之一是温度均匀性极佳。尽管长距离流动时,不同位置的流量可能不同,但由于二氧化碳的黏度较小,其蒸发温度能够保证基本不变,因此冰场的温度极其均匀。 而在间冷式冰场中,载冷剂的放热温区较大,其管道进出口存在一定温差,一般能达到1.5℃-2℃。为保证冰场温度足够均匀,需要增大载冷剂的流量,当工质循环量约为直接蒸发式的十倍时,同样可以在极小温差(基本处于0.5℃以内)的情况下进行制冷,但循环泵的耗电量会大幅增加。 另外,二氧化碳作为低温制冷循环工质可在设备小型化、换热效率和维护保养上具有优势。 由于二氧化碳相比人工合成类制冷剂的分子量小,制冷能力大,可以减小压缩机尺寸,便于系统高效紧凑设计。 二氧化碳具有高密度和低粘度,其流动损失小,传热效果良好。 此外,二氧化碳容易满足设备的润滑条件,难以腐蚀制冷设备,能显著改善压缩机的密封性。 此外,跨临界循环的特点使得二氧化碳的“冷凝”过程可以在气体冷却器中冷却,减小了系统的传热损失。 通过高效回收余热的二氧化碳热泵系统,可回收超过60%的热量,并提供70℃的热水用于运动员的生活热水、融冰池融冰和冰面维护浇冰等能源需求。 综合以上优势,二氧化碳跨临界直冷制冰技术便成为了冬奥会“冰丝带”制冰的最佳选择。  Part.4                       这项技术在“冰丝带”中终获完美应用 别看冰丝带表面只有晶莹剔透的冰面,其实它就像个“三明治”,下面还有好几层,包括钢筋混凝土层、保温层、夯填砂层等。这种设计有利于冰面下端的保温隔热,也能实时调节地面各处的温度,保证冰层的厚度与温度的一致性。 典型人工冰场的地面结构图(图片来源:参考文献2) 在采用二氧化碳跨临界直冷制冰技术的过程中,“冰丝带”使用智能控制系统,让二氧化碳制冷剂在冰面下的合金钢管中昼夜不停地进行气液相变蒸发。 多台二氧化碳压缩机同时工作,冰板层制冷管道内的低温二氧化碳与钢筋混凝土层进行换热,使温度逐步降到零下十几度。 然后再不断向冰板上洒水,即可冻结成每层几毫米的冰面,最后经过多轮制冰工序,冷冻成厚度为30mm的冰面,确保冰面良好的稳定性和温度的均匀性。 此外,冰丝带的冰面采用分模块控制单元,就像一个温度不同的“九宫格”,将冰面划分为若干区域。根据不同项目分区域、分标准进行制冰,可同时开展冰球、速度滑冰、花样滑冰、冰壶等群众性冰上运动,持续利用该冰面满足人们健身的多种需求。 另一个问题来了:制冷过程中不是产生了大量热量吗?都去哪儿了? 前面也提到过,制冷过程中产生的大部分余热会被回收,可用于运动员生活热水、冰场融冰、场馆除湿、空调采暖以及冰场底层防冻等工作,甚至还可供周边居民用热需求。 这样一来,一年可节省电量约1.8×10^6 kW·h,相当于550吨标准煤或上海360户家庭一年的用电量。  (上图来源:体育生活报;下图来源:青岛达能环保设备股份有限公司) 先进的二氧化碳跨临界直冷制冰技术不仅在冬奥会中大放异彩,还能应用于食品冷冻/冷藏、汽车空调、热泵系统等更多的领域中,有望成为加速实现“双碳”目标的前瞻性技术,为创造人类的美好未来贡献更大的力量。  参考文献: 1. 马一太, 王派. 2022年北京冬奥会国家速滑馆CO2制冷系统和国家雪车雪橇中心氨制冷系统的简介[J]. 制冷技术, 2020,40(2): 2-7.2. 王派, 李敏霞, 宋瑞涛, 詹浩淼, 马一太. CO2跨(亚)临界制冷人工冰场的分析与研究[J]. 制冷技术, 2020, 40(2): 25-30.3. J.F. Wang, P. Zhao, X.Q. Niu, Y.P. Dai. Parametric analysis of a new combined cooling, heating and power system with transcritical CO2 driven by solar energy[J]. Applied Energy, 2012, 94: 58-64.4. X. Song, D.X. Lu, Q. Lei, D.D. Wang, B.B. Yu, J.Y. Shi, J.P. Chen. Energy and exergy analyses of a transcritical CO2 air conditioning system for an electric bus[J]. Applied Thermal Engineering, 2021, 190: 116819.5. 王斌. 以CO2为冷剂的人工冰场制冷系统应用研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2018.6. F.Z. Zhang, P.X. Jiang, Y.S. Lin, Y.W. Zhang. Efficiencies of subcritical and transcritical CO2 inverse cycles with and without an internal heat exchanger[J]. Applied Thermal Engineering, 2011, 31(4): 432-438.7. 李锋, 司春强, 马进. 二氧化碳跨临界制冷系统的研究及应用进展[J]. 冷藏技术, 2020, 43(3): 46-52.

同样是太阳能发电,为什么光热发电一直“默默无闻”?

出品:科普中国制作:陈劲涛、陈琳监制:中国科学院计算机网络信息中心 在已知的清洁能源中,太阳能无疑是目前地球上可以开发的、储量最多的可再生能源。提起太阳能利用,大家首先会想到的是光伏发电,毕竟,太阳能汽车、太阳能充电宝等我们在平常生活中就可以看到。其实,太阳能还有另一种利用方式,太阳能光热发电。 了解光热,记住光热光伏发电、光热发电,都是利用太阳能发电,差别在于,利用的原理不同。光生伏特效应是太阳能光伏发电的基本原理,而太阳能电池是完成太阳能到电能转换的载体。太阳能电池是一种含有P-N结的半导体材料,P-N结可以吸收太阳光,并在内部建立电场,当在电场两侧接入一定的负载时,负载上就会产生电流,整个过程就是太阳能光伏发电的基本原理。而太阳能光热发电的原理是,通过反射镜将太阳光汇聚到太阳能收集装置,利用太阳能加热收集装置内的传热介质(液体或气体),再加热水形成蒸汽带动或者直接带动发电机发电。简要来说,太阳能光热发电分为三个环节,集热环节、利用太阳能加热导热介质、最后通过导热介质带动发动机发电。而相应的针对各个环节,都有不同的方法进行科学的不断尝试来形成最优设计,如:集热环节主要有槽式、塔式、碟式、涅菲尔式等4种;导热工质一般采用水、 矿物油或者熔盐;最后可通过水蒸汽朗肯循环、CO2布雷顿循环或者斯特林发动机等发电。那么太阳能光热发电究竟是怎么运行的呢?我们将用一个已经投入运作的示范项目进行详细说明。图片来源:参考资料1 首先,这种太阳能电厂由定日镜组成。定日镜受电脑的控制,跟随太阳转动,可以将一天的日光都反射到中心点。定日镜占地面积小,可以被单独放置,并且无需深固的地基就可以适应地形。发电厂包括成百上千的定日镜,它们可以通过WIFI互相连接以提高效率,将阳光反射聚集到塔顶上一个叫做接收器的大型热交换器上。图片来源:参考资料1 在接收器内,熔盐流体可通过管道的外壁吸收聚集在此处的阳光中的热量。在此项技术中,熔盐能从500华氏度被加热到1000华氏度以上。因为熔盐在熔融态下可保持较宽的工作温度范围,允许系统在低压工况下,出色、安全地实现能量的吸收和存储,所以它是一种理想的吸热介质。图片来源:参考资料1 经过吸热器后,熔盐沿着塔内的管道向下流动,然后进入储热罐。图片来源:参考资料1 之后,能量以高温熔盐的形式被存储下来以备不时之需。该技术的优点是液态熔盐既可以收集能量,还可以将能量收集与发电分离。图片来源:参考资料1 当白天或晚上需要用电时,水箱中的水和高温熔盐分别流入蒸汽发生器,从而产生蒸汽。图片来源:参考资料1 一旦熔盐用于产生蒸汽后,冷却的熔盐经管道回冷储罐,然后再次流回吸热器,随着过程的继续重新被加热。图片来源:参考资料1 蒸汽在驱动汽轮机之后,会被冷凝回水,然后返回储水箱,必要时它将流回蒸汽发生器。图片来源:参考资料1 这样高质量的过热蒸汽驱动汽轮机以最高效率运行,以便在用电需求高峰时段产生可靠持续的电力。蒸汽产生的过程与常规火电或核电厂中的过程相似,不同点是完全可再生的且废料和有害排放为零。即使天黑了,电厂仍可按需从可再生的太阳能中提供可靠的电力。图片来源:参考资料1 以上就是一组太阳能光热发电系统整个的运作过程,不知道大家有没有对光热发电有更深入的了解呢?那么,同样是太阳能发电,为什么光热发电一直“默默无闻”?光热发电明明在科学界中具有一定的探索价值,为什么在人类的日常生活中却没有得到广泛的应用呢? 光热发电vs光伏发电,二者孰优孰劣?同一种能源的利用,却产生了不一样的亲民性,这是与光热发电和光伏发电各自的优劣势是分不开的。从集热环节思考,光热发电对于应用地域的要求是高于光伏发电的。光热发电顾名思义就是以热度为标准,需要高温度的辐照,而光伏发电对热度一般没有那么高的要求。我们所适应居住的地点,太阳能辐射强度不足以用于建设光热电站。因此在日常生活中,我们对于光热发电并不熟悉。从导热介质环节思考,光热发电所使用的熔盐等物质,成本低、价值高、可持续利用,是优于高成本、低寿命的光伏电池的。因此,光热发电的能量储存能力远高于光伏发电。同时,光热发电由于储能效果好,在接入电网时,受到天气环境因素的影响就会小,对电网负荷波动的响应会低。因此,在发电的可调度性上,光热发电更优于光伏发电。从导热介质带动发动机发电环节思考,光伏发电只需要进行光电转化,而光热发电是经过光电转化后还要进行光热的转化,可见光热的发电步骤更复杂。不过,光热发电多出的一个环节可应用于其他方面。例如光热发电产生的热度可以降低海水盐度,淡化海水,同时也可以应用于工业生产中。这说明光热发电比光伏发电的应用领域更广。但同时,多经历一个环节,对科学技术掌握的要求也就更高,运用到实际工程领域的难度也就越大。光热发电难度高于光伏发电,且我国的光热发电研发起步也晚于光伏发电,因此,光热发电的技术仍然在不断健全和完善中。正所谓原理产生差异,因此各有优劣。那就更需要相互努力,光热发电和光伏发电还有很长的路要走。 道阻且长,未来仍需努力对于当前能源、资源和环境等问题来说,太阳能源是一种十分有效的解决途径。自太阳能被发现利用以来,能源短缺的现象得到了一定程度的缓解,太阳能的各种优点特性使其在众多能源领域中具有无可替代的地位。作为两种主要的太阳能利用方式,太阳能光热发电技术与太阳能光伏发电技术优势不同,应用领域也不同,有各自的优势和发展前景。在太阳能发电发展比较好的地方,应该既有光热发电系统,又有光伏发电系统。长期来看,两者是互补关系。虽然光热发电技术由于某些原因的限制不被大家所熟知,但是在成本、能源的消耗、应用范围、存储状况这些方面,光热发电都是相对较优选择。我们有理由相信,总有一天,无论是太阳能光伏发电技术还是太阳能光热发电技术都将会成为人类科技持续、协调,稳定发展的支柱。 参考资料:1、https://v.qq.com/x/page/u0516v5d3mi.html

流浪地球?别闹了!科学利用太阳能才是关键

     去年上映了一部非常火爆的电影叫流浪地球,是由刘慈欣著作改编的。当时科学家发现太阳系急剧衰减可能会吞噬整个太阳系,于是人类就提出一个大胆的计划,在地球的表面建成数以万计的行星发动机和转向发动机把地球从太阳系脱离出去,然而数以万计的发动机需要燃烧9.96155×10^20千克物质才能勉强达到逃逸速度。      为什么需要这么大的动力才能脱离呢?主要原因是由于太阳和地球间适当的距离以及太阳所提供的引力使得地球围绕着太阳公转而不容易离开。地球离太阳不能太远也不能太近,离得太近则温度升高不适合人类的生存,离得太远不能为人类和地球上生命提供足够的能量。也好在正是这恰当的距离,才会有了人类文明的存在。小编认为逃离太阳是不现实的,太阳系至少还得再燃烧50亿年而且我们还找不到更好的。正所谓既来之,则安之,我们的地球都和太阳相处了45.4亿多年了,这感情可不是一般兄弟能比的。那既然不能逃离,不如想想如何科学的利用太阳能。   众所周知,我们的地球自转一圈就是一个白天和一个黑夜,绕着太阳公转一圈则会经历一个春夏秋冬。地球非常神奇,同样神奇的也有那1.5亿公里外的太阳。那我们今天就以下四个内容来了解下这神奇的太阳和太阳能科学利用:从能源与环境的角度考虑为什么要利用太阳能、太阳能神奇的地方在哪里、目前我们太阳能利用的主要形式是什么以及未来在其他方面的一些太阳能利用的技术。为什么要利用太阳能   我们的社会和生活需要能源,石油、天然气和煤炭都是化石能源。出门开车需要汽油和柴油,它们都是由石油提炼而来的。家里做饭需要天然气,冬天供暖也需要天然气来燃烧产生热量。我们的生活离不开化石能源,但是无节制的不恰当使用化石能源会带来严重的环境污染。首先一个很重要的问题就是雾霾,它会对我们的身体产生很严重的影响。其次,化石燃料的不恰当利用会产生大量的二氧化硫、三氧化硫和氮氧化物,当它们在空气中积累到一定的浓度后就会促使酸雨的形成。最后,化石燃料不恰当的大规模利用还会造成臭氧层的空洞,导致全球变暖等环境问题。     大量的二氧化碳存在大气层中就像一个很大的玻璃罩,太阳的辐射能可以穿过二氧化碳层而地面的长波不能穿透二氧化碳层,于是这些热量就留在了地球。经过了长期的积累,地球的温度就会不断升高。温室效应是非常严重的可以造成全球变暖、南北极的冰川融化、海平面上升等这些问题都需要得到我们足够的关注。   我们需要蓝天,需要舒适的生活环境,那就需要改变传统的能源利用方式。使用清洁可再生的能源例如风能、太阳能以及它们转变过来的氢能等等,除了风能、太阳能以外,我们还有潮汐能、生物质能和地热能,但相对于这些能源太阳能的储量非常丰富。虽然到达地球表面的太阳能仅为太阳总辐射的1/22亿,但它的储量也高达1.78×105TW。这是一个什么样的数字呢,对于我国太阳能而言,三峡水电站的发电装机容量是1700万千瓦而我国太阳能资源是三峡水电站的数万倍。与此同时,太阳能在目前的能源装机中起到越来越重要的作用,在2011年我国在全球新增的装机容量占的比重非常小,到2017年我们的新增的装机容量已经达到世界的50%以上。截至到去年底,我国的太阳能光伏的装机容量已经超过2亿千瓦,2亿千瓦是一个什么样的概念呢,对比三峡水电站装机容量是1700万千瓦,太阳能的光伏电站的装机容量相当于十几个三峡水电站。 太阳能的神奇之处   太阳能对于我们来说非常重要,那我们首先要关注太阳本身。太阳是一个巨大的火球其中80%的质量是由氢组成的。在太阳的内部发生质子链式核发反应,太阳中心可以达到数百万以上的温度,表面也有5800摄氏度。太阳是地球的万物之源,地球上的能源主要来自于太阳,植物生长的光合作用维持了地球的氧气的平衡也为生态和生物链提供了食物。太阳和地球中间是真空的大气层,因此只能通过辐射的方式将太阳能输送到地球上。辐射和电磁波一样,我们家里面用的广播以及手机信号都是通过电磁波来传送的。而太阳的辐射更加复杂,它是由很多个波段组成的。每个波段都有自己的特点,它们累加起来就形成总的太阳能。太阳能的波段很多包括紫外线、长波辐射、红外和可见光等等。 太阳能利用的主要形式是什么   正是由于太阳能各个波段的能量,我们可以用各种方式来利用太阳能,其中一项重要的技术就是太阳能发电。地球上的太阳能资源决定了它的利用价值。我们可以从下图中看到太阳能在地球上的资源非常丰富,尤其是在美国的西南部、非洲、欧洲的南部和澳大利亚等等。另一边,我国的太阳能资源也非常丰富,尤其在西部例如青海、西藏和内蒙古地区。   目前,太阳能发电有两种技术,第一种技术叫太阳能光伏发电。部分地区屋顶上随处可见的太阳能电池板,还有太阳能的路灯都是利用了太阳能光伏发电技术。目前主要的太阳能电池板主要有单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、聚光光伏电池和薄膜电池等等。应用比较广泛的为单晶硅太阳能电池和多晶硅太阳能电池,单晶硅太阳能电池的发电效率可以达到20%以上。目前实验室各国的科学家都积极的努力在开展这项研究,实验室的太阳能光伏发电效率可以达到45%以上,小编也希望各位同学可以努力学习来加入这项研究工作。日常生活中,我们可以把太阳能光伏板安装在停车棚上来给电动汽车提供电源。太阳能同样可以运用于高科技技术,比如我们的卫星和登月的月球车是由太阳能来提供电源的,以及未来研发的太阳能汽车、太阳能飞机、太阳能公路以及太阳能充电器     太阳能另外一种利用技术就是把太阳能转化为热能。太阳能直接产生高温蒸汽,在工业上有许多的应用。同样在生活中,太阳能真空管放到屋顶产生热水供洗澡。聚光太阳能和线性太阳能集热器能进行各自烧烤类活动,如烤肉、烤螃蟹、烤培根等,只有想不到的,没有做不了的。有兴趣的小伙伴可以回家自己尝试制作。     而如果要运用太阳能热发电技术,考虑到太阳能在经过衰减、大气层的折射以及水蒸气的折射后,来到地球表面的辐照强度相对来讲已经比较低。比如在大气层外的能量密度是1300瓦每平米,而我们在北京夏天最热的时候,太阳的辐照强度也只有900瓦每平米。因此为了获得更高的能流密度和更高的温度,我们可以采用聚光的方式来利用太阳能。目前聚光的方式主要有四种,分别为抛物槽、线性菲涅尔、碟式和塔式。      从聚焦方式来分可以分为两类,线型的聚焦方式和点聚焦方式,抛物槽和线性菲涅尔都属于线聚光的太阳能热发电系统,碟式和塔式都属于点聚光的太阳能热发电系统。对于四种聚光更细致的原理感兴趣的同学可以从刘启斌研究员的科学公开课——神奇的太阳能和太阳能利用视频中了解。   接下来,我们再来回顾一下聚光太阳能热发电技术历程。1982年美国建成了第一个发电站命名为SolarOne,这是一个具有里程碑意义的太阳能热发电技术,验证了太阳能热发电技术的可行性。随后在美国加州南部建立了大面积的抛物槽式太阳能热发电站,总的装机容量达到了354MW,随后太阳能热发电技术在全球得到了大规模的应用和发展,预计全球到2020年运营可以达到10GW以上。  未来的一些太阳能利用的技术   在太阳能发电技术之后,未来太阳能必定还有其他很多的利用空间。例如:高温太阳能热化学制氢中利用太阳能直接分解水产生氢气和氧气,同时也可以把二氧化碳进行分解产生一氧化碳。通过进一步的化学反应,我们可以把氢气和一氧化碳变成目前使用的液态的燃料,比如甲醇、乙醇和汽油等等。但这种技术需要很高的温度才能把水的化学键给打开,因此我们还可以把太阳能和我们传统的液体燃料结合起来,这样需要的温度就非常低。我们所研究的中低温太阳能热化学制氢技术,通过200到300摄氏度的太阳能驱动甲醇的热化学反应,产生一氧化碳和氢气然后驱动传统的内燃机。太阳能也可以应用于太阳能光催化制氢,利用半导体的特殊性能,我们把半导体材料放到水中,太阳能激发电子跃迁形成还原氧化活性的电子空穴对在水中置换出氢气来,可以用来发电并制取液体燃料等等。未来的能源形势是多种多样的,多能源互补的太阳能利用技术是发展的趋势所在。实现多元化的转化可以变成材料也可以用来发电,与我们目前的能源网络多功能利用形成能源互联网,使我们的生活变得更加便利。   能源是人类社会发展的动力,而能源技术发展依赖于科技的发展和革新。大自然还有很多的奥秘,我们需要抱着敬畏之心,去探索它们。 来源:中国科学院工程热物理研究所