第十章太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)

第十章太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)概述目前太陽能發(fā)電的兩種基本方式：

太陽能熱發(fā)電技術太陽能光伏發(fā)電太陽能熱能發(fā)電太陽能熱動力發(fā)電太陽能熱發(fā)電主流形式拋物面槽式塔式線性菲涅爾式碟式斯特林10.1太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)工作原理太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)與火力發(fā)電系統(tǒng)的工作原理基本上相同的。根本區(qū)別在于熱源不同。集熱器收集太陽能轉變?yōu)闊崮苤苯愚D變?yōu)殡娔苻D化為蒸汽驅動發(fā)電機

10.1.1火力發(fā)電系統(tǒng)工作原理（1）蒸氣能量轉化為機械能pc=RTpc=zRT火力發(fā)電中利用蒸汽來轉換的電能是高溫高壓蒸汽所產生的膨脹功率W（2）蒸汽做功飽和蒸汽：飽和溫度下的蒸汽。（3）火力發(fā)電的熱流程

通常，蒸汽火力發(fā)電廠的熱循環(huán)主要有朗肯循環(huán)、回熱循環(huán)和再熱循環(huán)三種。1.朗肯循環(huán)過熱蒸汽飽和水飽和蒸汽蒸汽2.回熱循環(huán)（朗肯循環(huán)的改進）3.再熱循環(huán)一、卡諾循環(huán)（Carnotcycle）1824年，法國工程師N.L.S.Carnot(1796～1832)設計了一個循環(huán)，以理想氣體為工作物質，從高溫T2熱源吸收Q2的熱量，一部分通過理想熱機用來對外做功W，另一部分Q1的熱量放給低溫T1熱源。這種循環(huán)稱為卡諾循環(huán)。高溫熱源(T2)低溫熱源(T1)W熱機Q2Q1卡諾循環(huán)10.1.2太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的效率二、熱機效率熱源T1熱機冷源T2Q1Q2W理想熱機示意圖2.系統(tǒng)總效率ηs太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)總效率ηc集熱器效率ηm熱機效率發(fā)電機效率ηe卡諾循環(huán)效率代表一種理論極限。聚光太陽能集熱器的效率假設于是取解得代入，即可得太陽能熱發(fā)電類型分散型發(fā)電系統(tǒng)是將拋物面聚光器配置成很多組，然后把這些集熱器串聯(lián)和并聯(lián)起來，以滿足所需的供熱溫度。集中型發(fā)電系統(tǒng)也稱為塔式接受器系統(tǒng)，它由平面鏡、跟蹤機構、支架等組成定日鏡陣列，這些定日鏡始終對準太陽，把入射光反射到位于場地中心附近的高塔頂端的接受器上。

10.2太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)基本組成太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)組成典型太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)由以下4部分組成：集熱子系統(tǒng)熱傳輸子系統(tǒng)蓄熱與熱交換子系統(tǒng)發(fā)電子系統(tǒng)。（一）集熱子系統(tǒng)（三部分）作用：收集陽光并將其聚集到一個有限尺寸面上，以提高單位面積上太陽輻射度，從而提高被加熱工質的工作溫度。即將太能輻射聚焦，以提高其功率密度。聚光方式：平面反射鏡和曲面反射鏡（一維拋物面反射鏡、二維拋物面反射鏡和混合平面-拋物面反射鏡）。此外還有線形和圓形菲涅爾透鏡。1、聚光系統(tǒng)/聚光器（1）光化學系統(tǒng)聚光器的鏡面反射率越高越好（2）機械性能1)反射鏡面有很好的平整度2)整個鏡面與鏡體有很高的機械強度和穩(wěn)定性3）反射鏡面和保護膜有很強的粘合度（3）化學穩(wěn)定性鏡面具有很強的耐腐蝕性能要滿足嚴格的要求作用：通過接收經過聚焦的陽光，將太陽能輻射能轉變?yōu)闊崮?，并傳遞給部件。2、接收器3、跟蹤裝置跟蹤方式：單軸跟蹤、雙軸跟蹤；實現(xiàn)方式：程序控制方式、傳感器控制方式（二）熱能傳輸部分作用：把集熱器收集起來的熱能傳輸給蓄熱部分。（三）蓄熱和熱交換部分蓄熱子系統(tǒng)：由于太陽能受季節(jié)、晝夜和氣象條件的影響，為保證發(fā)電系統(tǒng)的熱源穩(wěn)定，需設置蓄熱裝置。蓄熱：低溫（<100℃）中溫（100~500℃

）高溫（>500℃

）極高溫(1000℃左右).蓄熱材料分別是：水化鹽、導熱油、熔化鹽氧化鋯耐火球蓄熱方式：顯熱蓄熱、潛熱蓄熱和化學儲存。1、顯熱蓄熱介質：水、油、巖石、砂、礫石，人工制造的氧化鋁球，特點：價格低，易得到，熱容量小。2、潛熱蓄熱

特點：利用物質的潛熱蓄熱，單位容積的蓄熱量很大，蓄熱裝置可望小型化。

蓄熱介質需具備以下特點：具備幾千次可逆蓄釋熱循環(huán)性鞥；價格便宜；不腐蝕容器。3、化學蓄熱

特點：蓄熱量大，單位儲能的體積小，質量輕，化學反應物可分別儲存。

蓄熱介質需具備以下特點：蓄熱和釋熱反應可逆，無副作用；反應速度快；反應生成物易分離，且能穩(wěn)定儲存；價格便宜；反應物和生成物無毒，無腐蝕，無可燃性；反應熱大。（三）蓄熱和熱交換部分熱交換部分作用：為適應汽輪發(fā)電的需要，將傳輸和存儲的熱能，轉化為高溫高壓蒸汽。（四）汽輪發(fā)電子系統(tǒng)作用：太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)用的動力發(fā)電裝置。種類：現(xiàn)代汽輪機、燃氣輪機、低沸點工質汽輪機、斯特林熱發(fā)動機等。選擇依據：太陽集熱系統(tǒng)可提供的工質參數(shù)。（五）輔助能源子系統(tǒng)

作用：維持電站能夠一直持續(xù)運行。構成：就是在系統(tǒng)中增設常規(guī)燃料鍋爐，用于陰雨天，夜間起動。槽式線聚焦系統(tǒng)；塔式定日鏡聚焦系統(tǒng)；碟式點聚焦系統(tǒng)不用聚焦結構，采用真空管集熱器根據太陽能聚光跟蹤理論和實現(xiàn)方法的不同，可以分為3個基本類型一、槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)槽式拋物聚光鏡面：（一）系統(tǒng)原理及構成原理：利用槽式拋物面反射鏡聚光槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)：槽式電站

ParabolicTroughs槽式電站它把聚焦器分散布置，使載熱介質在單個分散的太陽能聚焦集熱器中加熱成蒸汽，再匯集至汽輪機。如采用雙回路系統(tǒng)，則加熱后的載熱介質不直接送到汽輪機，而是集中在一個熱交換器內，然后把熱量傳遞給汽輪機回路中的工質。電站的構成聚光集熱裝置（子系統(tǒng)）：聚光鏡、接收器、跟蹤裝置；輔助能源裝置（子系統(tǒng)）蓄熱裝置；汽輪發(fā)電裝置槽式線聚焦太陽能發(fā)電系統(tǒng)3、槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的工作模式：直通模式：水經過預熱、蒸發(fā)、過熱后直接推動汽輪機發(fā)電；最簡單，投資少，控制復雜注射模式：水分別從集熱管不同的地方注入；正常運行需要必要的測試系統(tǒng)，系統(tǒng)投資大，不具競爭力循環(huán)模式：安裝水汽分離裝置，過量的水被循環(huán)泵送回到入水口，蒸汽集熱管的過熱段；可控性高，系統(tǒng)投資大4、聚光集熱裝置（子系統(tǒng)）（1）、聚光器①槽型拋物面反射鏡②混合平面拋物面反射鏡采用一組跟蹤太陽的平面鏡，將陽光反射到一臺拋物面反射鏡上，陽光經過二次聚焦槽式聚光器ParabolictroughconcentratorCollectorsinsouthernCA（2）接收器：一根做了良好保溫的金屬圓管①、真空集熱管優(yōu)點：熱損失小缺點：封接技術要求高，很難做到長期保持夾層內的真空度。真空管吸收器的結構圖真空管吸收器的優(yōu)缺點真空管吸收器的優(yōu)點是金屬管與玻璃管之間不存在對流熱損，玻璃管外徑較小且透明，從而既減少了對陽光的遮影，也通過增大熱阻降低了外表面的對流熱損；有選擇性涂層的金屬管壁對陽光的吸收率很高，但發(fā)射率卻非常低。真空管吸收器的缺點是由于玻璃和金屬的熱膨脹系數(shù)不同，玻璃管與金屬管之間存在溫差，造成中溫時(略低于350℃)真空封口處的玻璃容易脆裂，從而難以在室外環(huán)境下長期維持真空度；在中溫時光學選擇性涂層容易老化和脫落，難以長期維持大規(guī)模光學選擇性吸收表面的熱穩(wěn)定性。工作原理：利用空腔體的黑體效應，充分吸收聚焦后的陽光；②、空腔集熱管優(yōu)點：集熱效率高，不用抽真空；沒有玻璃和金屬的封接；集熱管壁不要涂層；熱性能可以長期保持穩(wěn)定缺點加工工藝復雜(2)腔體式吸收器

腔體式吸收器的結構為一柱形腔體，外表面覆隔熱材料，由于腔體的黑體效應，使其能充分吸收聚焦后的陽光。腔體式吸收器主要適用于長焦聚光器。腔體式吸收器集熱器剖面圖腔體式吸收器的優(yōu)點吸熱過程不是發(fā)生在最強聚焦區(qū)，而是在聚焦過后和發(fā)射時，并以較大的內表面積向工作流體傳熱，致使和真空管吸收器相比具有較低的投射輻射能流密度；腔體壁溫較均勻，可減小與流體之間的溫差，使開口的有效溫度降低，從而最終使熱損降低；經優(yōu)化設計的腔體式吸收器，熱性能比真空管吸收器穩(wěn)定，在同樣情況下，工作介質平均溫度大于230℃時，腔體式吸收器既不需要抽真空，也不需要涂光學選擇性涂層，僅采用傳統(tǒng)的材料和制造工藝；成本低和便于維護也是腔體式吸收器的特性。腔體式吸收器的集熱效率大于真空管吸收器，這使它成為槽形拋物鏡集熱器的吸收器。腔體式吸收器的發(fā)展已受到重視。(3)跟蹤裝置：使槽式聚光器時刻對準太陽根據入射光線和主光軸位置關系分為：兩軸跟蹤系統(tǒng)：具有最理想的光學性能；設備結構復雜，制造維修成本高；單軸跟蹤系統(tǒng)：結構簡單，跟蹤難度不高；單軸跟蹤只做定期跟蹤調整（二）應用情況美國魯茲(LUZ)公司1985~1991在美國南加州建成9座槽式太陽能熱電站，總裝機容量353.8MW項目SEGSⅠSEGSⅡSEGSⅢSEGSⅣSEGSⅤSEGSⅥSEGSⅦSEGSⅧSEGSⅨ地址（均在加州）DaggettDaggettKramerJunctionKramerJunctionKramerJunctionKramerJunctionKramerJunctionHarperLakeHarperLake投運年份198519861987198719881989198919901991額定電功率/MW13.83030303030308080集熱器面積萬㎡8.29618.89923.0323.0325.0518.819.42846.43448.396介質入口溫度/℃240231248248248293293293293介質出口溫度/℃307316349349349391391391391蒸汽參數(shù)℃/bar太陽能327/43327/43327/43371/100371/100371/100371/100天然氣417/37510/105510/105510/105510/105510/105510/105371/100371/100透平循環(huán)效率/%太陽能31.529.430.630.630.637.537.537.637.6天然氣37.337.437.437.439.539.537.637.6汽輪機循環(huán)方式無再熱無再熱無再熱無再熱無再熱再熱再熱再熱再熱鏡場光學效率/%717173737376768080從太陽能到電能的年平均轉換效率/11.511.511.513.613.613.6年發(fā)電量/MkW30.180.592.7892.7891.8290.8592.65252.75256.13包括天然氣過熱；②1986年建成時為233120㎡；③按太陽能總輻射能量計。美國9座槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)技術參數(shù)與運行性能（LUZ公司）

二、塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)（集中型）（一）系統(tǒng)原理及構成1、原理：塔式電站PowerTowers

塔式電站用一個中心吸收器取代火力發(fā)電站的鍋爐。吸收器利用由許多反射鏡聚集的陽光把其中的介質(如水)加熱，并產生溫度和壓力都相當高的蒸汽。蒸汽驅動汽輪發(fā)電機組發(fā)電。塔式電站的聚光倍數(shù)高(1000～3000)，其介質工作溫度通常大于350℃，因此通常被稱為高溫太陽能熱發(fā)電。塔式電站的優(yōu)點是聚光倍數(shù)高，容易達到較高的工作溫度；能量集中過程由反射光一次完成，方法簡捷有效；吸收器散熱器面積相對較小，光熱轉換效率高。但塔式電站建設費用高，其中反射鏡的費用占50%以上。太陽能塔式電站的總體效率可以達到20%。

目前世界上較大的太陽能塔式電站功率已達到104kW，太陽能輻射通過多個反射鏡聚集到放置在高塔頂?shù)闹行奈掌魃?。計算機控制每塊反射鏡都能獨立的根據太陽的位置來調整各自的方位和傾角，這保障了每塊反射鏡都能隨時把太陽能反射到吸收器上，但這無疑增加了成本。塔式電站的致命缺點是太陽能電站規(guī)模越大，反射鏡陣列的占的面積越大，吸收塔的高度也要提升。例如，一個計劃中的1MW的塔式電站，要用2.93萬塊反射鏡，單鏡面積為30m2。這些反射鏡布置在3km2的場地上，塔的高度為305m。

聚光比高，工作溫度較高；系統(tǒng)容量大效率高熱損耗小適合于大規(guī)模并網發(fā)電特點：PowertowerinBarstow,California

PowertowerinBarstow,California

2、系統(tǒng)構成：聚光子系統(tǒng)；集熱子系統(tǒng)；蓄熱子系統(tǒng)；發(fā)電子系統(tǒng)；輔助能源子系統(tǒng)塔式太陽能集熱發(fā)電系統(tǒng)原理3、聚光子系統(tǒng)：定日鏡群；跟蹤裝置；（1）、定日鏡：平面鏡；鏡架；跟蹤裝置；鏡架很輕，跟蹤結構的電功率消耗小采用鋁或銀作用反光材料的玻璃背面鏡Currentheliostatprices$125to$159m-2對定日鏡性能具有嚴格的要求鏡面反射率高；鏡面平整度誤差??；整體機械結構強度高，運行中能抗8級臺風；運行穩(wěn)定；全天候工作；可以大批生產；易于安裝；維護少，工作壽命長；4、中心接收塔（動力塔）——太陽能熱發(fā)電站的集熱裝置太陽能輻射接收器：功能：將太陽能轉化成工作流體的熱能分類：空腔式，外漏式（外部受光式）高塔：鋼筋混凝土鋼架構（二）、應用情況1950年，前蘇聯(lián)收集了世界上第一座塔式太陽能熱發(fā)電站的小型試驗裝置；1980年，意大利等9個歐盟國家在西西里島聯(lián)合建造了世界上首座并網運行的塔式太陽能熱電站：塔高50m；聚光鏡：5m2的70臺，23m2的112臺；額度功率：1000KW；占地：2萬m2水蒸氣溫度：5000C1982年，美國在加利福尼亞州南部的Bartow沙漠地區(qū)附件興建了一座大型的的塔式太陽能熱電站solarone：塔高91.5m；聚光鏡：1818臺；額度功率：10MW；占地：7萬m2水蒸氣溫度：5160C1996年，美國在solarone的原址上建造了solartwo：聚光鏡：1926臺：40m2的1818臺

95m2的108臺鏡場占地：8.3萬m2硝酸鹽溫度：5650C塔高：120m；聚光鏡：1200臺：水蒸汽溫度：10000C2009年，西班牙的安達盧西亞（Andalucian）沙漠中投入運行了目前全球最大的太陽能電站：2005年底，國內首座“70KW塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)”在南京市江京太陽能試驗場順利建成，并網發(fā)電：塔高：33m；聚光鏡：20m2的32臺；工質溫度：9000C國家或機構歐共體（長期）（法、意、德）國際能源機構10國（長期）日本（停）美國法國（停）西班牙（長期）前蘇聯(lián)站名EURELICSSSPS-CRS仁尾SOLARONETHEMISCESA-1CSC-5額定電功率/MW10.51102.515站址意大利西西里島西班牙南部阿爾梅里亞香川縣仁尾町加州巴斯托法國南部比利牛斯山中西班牙南部阿爾梅里亞克里米亞黑海海濱年日照時數(shù)/h3000300022003500240030002320設計最大輻照度/(KW/㎡)春分正午時1.0春分正午時0.92夏至午后時0.75冬至午后時0.9春分正午時1.04春分正午時0.92夏至午后2時0.9定日鏡面積和臺數(shù)52㎡×70臺23㎡×112臺29.3㎡×93臺16㎡×807臺39.9㎡×1818臺53.7㎡×200臺36～40㎡×300臺25㎡×1600臺反射鏡總面積/㎡621636551291272540107401140040000聚光集熱方式集中型空腔受光集中型空腔受光集中型空腔受光集中型外部受光集中型空腔受光集中型空腔受光集中型外部受光集熱介質水-蒸汽鈉水-蒸汽水-蒸汽混合鹽（HITEC）水-蒸汽水-蒸汽蓄熱介質混合鹽（HITEC）鈉壓力水石+油（HT-43）混合鹽（HITEC）混合鹽（HITEC）壓力水蓄熱容量/h0.5237MW×43.33渦輪蒸汽條件/(℃/bar)510/65500/10187.1/12510/101430/40520/98250/40投運時間1981年4月1981年8月1981年8月1982年4月1983年6月1983年6月1985年9月建設費用/(10-6)美元2517.121.914023.618每千瓦投資/(10-4)美元2.503.422.191.400.9441.8世界上已建成的塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)

三、碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)利用旋轉拋物面反射鏡，將入射陽光聚集在一點上，在焦點上安放熱能接收器，收集的熱能將接收器內的傳熱工質加熱到很高溫度，驅動發(fā)動機進行發(fā)電；或是在焦點處直接放置太陽能斯特林（stirling）發(fā)電裝置發(fā)電。（一）系統(tǒng)原理及構成1、原理：2.典型實例3.發(fā)展現(xiàn)狀SchematicofaDish/Stirlingsystem

斯特林發(fā)動機聚光比高，可達3000以上；體積小，吸熱面積小，能量損失??；效率高，太陽能轉化電能效率達30%；壽命長，靈活性強，投資少，安裝方便；可單臺供電，也可多套并聯(lián)使用，主要適合分布式應用；特點：碟式電站缺點——系統(tǒng)復雜拋物鏡如建立一個100MW的碟狀拋物鏡集熱器分散布置的太陽能電站，約需要1～2萬個直徑為6m的拋物鏡。高溫接收器管路及絕熱材料跟蹤控制系統(tǒng)2、系統(tǒng)構成：旋轉拋物面聚光器；接收器；跟蹤裝置；熱機系統(tǒng)；3、聚光器（反射鏡）：結構：鍍銀玻璃背面鏡，幾十塊組構而成；鋼結構環(huán)作為支撐；混凝土或鋼結構支架；雙軸跟蹤裝置；分類：玻璃小鏡面式；多鏡面張膜式；單鏡面張膜式；4、接收器：核心部件直接照射式接收器：太陽光聚焦后直接照在熱機的換熱管上；換熱管內工作介質高速流過，達到較高的溫度壓力；推動斯特林發(fā)動機運動；間接受熱式接收器：通過中間媒介（液態(tài)堿；金屬鈉、鉀或鉀鈉合金）將太陽能傳遞到熱機；（二）、應用情況1982年，美國加州建造了碟式斯特林太陽能熱發(fā)電試驗裝置：聚光器：直徑11m，由320個小鏡面組成。總面積89m2，焦距6.6m，；工作溫度：10900C；光電轉換效率：29%；最大功率：24.6KW；2004年，美國SES公司在Sandia國家實驗室建造了5套25KW碟式斯特林系統(tǒng)2005年8月，SES公司建造了由40套25KW的1MW碟式系統(tǒng)，以便為850MW電站建設積累經驗。碟式斯特林系統(tǒng)國內商業(yè)化推廣的主要瓶頸在于斯特林發(fā)動機的開發(fā)

聚焦到太陽能接收器的太陽能，轉換為25kW的電力，其峰值轉換效率約為31.25%。SES公司擁有將太陽能轉換為商業(yè)網絡電力31.25％的世界轉換效率紀錄我國的應用情況2003年，中國科學院電工研究所在北京通州區(qū)獲得太陽能聚光熱發(fā)電試驗成果，這是我國首次采用碟式太陽能聚光技術進行的太陽能熱發(fā)電。北京八達嶺塔式太陽能發(fā)電站前期造價高點不要緊，關鍵是技術要掌握(2010年并網，年發(fā)電量可達270萬kWh)

塔式電站和碟式拋物鏡集熱器分散布置式電站均為點聚焦，聚光倍數(shù)高達500以上。但塔式電站的跟蹤代價高，碟式電站的能量集中代價大，二者受到了目前技術水準的限制，實現(xiàn)商業(yè)化尚需時日。槽式電站是線聚焦，聚光倍數(shù)小于100。但槽式電站跟蹤精度低，導致控制代價小，同時采用管狀吸收器，工作介質受熱流動同時集中能量。槽式電站的總體代價相對小，經濟效益相對提高，所以目前