太阳能热发电

太阳能高温利用示例集中热动力发电 第1页/共70页2.5.1、太阳能热发电系统的组成、太阳能热发电系统的组成 太阳能热发电的基本太阳能热发电的基本工作原理：工作原理：利用太阳能利用太阳能集热器将太阳能收集起集热器将太阳能收集起来，加热工介，产生过来，加热工介，产生过热蒸汽，驱动热动力装热蒸汽，驱动热动力装置带动发电机分机，从置带动发电机分机，从而将太阳能转换为电能。而将太阳能转换为电能。见。见。1、电路热系统常规热力发电厂原理图典型太阳能热发电系统第2页/共70页一般增设蓄热子系统，辅助能源子系统第3页/共70页2、电站的循环效率、电站的循环效率卡诺循环效率卡诺循环效率为系统吸热时的温度为系统放热时的温度卡诺循环效率代表一种理论极限。太阳能热发电效率第4页/共70页3、太阳能热发电系统组成、太阳能热发电系统组成聚光集热系统聚光集热系统热能传输部分热能传输部分蓄热与热交换部分蓄热与热交换部分汽轮发电子系统汽轮发电子系统辅助能源子系统辅助能源子系统第5页/共70页（一）集热部分（一）集热部分作用：作用：收集阳光并将其聚集到一个有限尺寸面收集阳光并将其聚集到一个有限尺寸面上，以提高单位面积上太阳辐射度，从而提高上，以提高单位面积上太阳辐射度，从而提高被加热工质的工作温度。即将太能辐射聚焦，被加热工质的工作温度。即将太能辐射聚焦，以提高其功率密度。以提高其功率密度。聚光方式聚光方式：平面反射镜和曲面反射镜（一维抛：平面反射镜和曲面反射镜（一维抛物面反射镜、二维抛物面反射镜和混合平面物面反射镜、二维抛物面反射镜和混合平面-抛抛物面反射镜）。此外还有线形和圆形菲涅尔透物面反射镜）。此外还有线形和圆形菲涅尔透镜。镜。1、定目镜（或聚光系统/聚光器）第6页/共70页（1）光化学系统）光化学系统聚光器的镜面反射率越高越好聚光器的镜面反射率越高越好（2）机械性能1)反射镜面有很好的平整度2)整个镜面与镜体有很高的机械强度和稳定性3）反射镜面和保护膜有很强的粘合度（3）化学稳定性镜面具有很强的耐腐蚀性能有满足严格的要求：第7页/共70页作用：作用：通过接收经过聚焦的阳光，将太阳通过接收经过聚焦的阳光，将太阳能辐射能转变为热能，并传递给部件。能辐射能转变为热能，并传递给部件。2、接收器、接收器3、跟踪装置跟踪方式：单轴跟踪、双轴跟踪；实现方式：程序控制方式、传感器控制方式第8页/共70页（二）热能传输部分（二）热能传输部分作用：作用：把集热器收集起来的热能传输给蓄把集热器收集起来的热能传输给蓄热部分。热部分。第9页/共70页（三）蓄热和热交换部分（三）蓄热和热交换部分蓄热子系统：蓄热子系统：由于太阳能受季节、昼夜和气象条件由于太阳能受季节、昼夜和气象条件的影响，为保证发电系统的热源稳定，需设置蓄热的影响，为保证发电系统的热源稳定，需设置蓄热装置。装置。蓄热：低温（500 ）极高温(1000 左右).蓄热材料分别是：水化盐、导热油、熔化盐氧化锆耐火球第10页/共70页蓄热方式：显热蓄热、潜热蓄热和化学储存。1、显热蓄热介质：水、油、岩石、砂、砾石，人工制造的氧化铝球，特点：价格低，易得到，热容量小。2、潜热蓄热 特点：利用物质的潜热蓄热，单位容积的蓄热量很大，蓄热装置可望小型化。蓄热介质需具备以下特点：具备几千次可逆蓄释热循环性鞥；价格便宜；不腐蚀容器。第11页/共70页3、化学蓄热 特点：蓄热量大，单位储能的体积小，质量轻，化学反应物可分别储存。蓄热介质需具备以下特点：蓄热和释热反应可逆，无副作用；反应速度快；反应生成物易分离，且能稳定储存；价格便宜；反应物和生成物无毒，无腐蚀，无可燃性；反应热大。第12页/共70页（三）蓄热和热交换部分（三）蓄热和热交换部分热交换部分 作用：为适应汽轮发电的需要，将传输和存储的热能，转化为高温高压蒸汽。第13页/共70页（四）汽轮发电子系统（四）汽轮发电子系统作用：太阳能热发电系统用的动力发电装置。种类：现代汽轮机、燃气轮机、低沸点工质汽轮机、斯特林热发动机等。选择依据：太阳集热系统可提供的工质参数。第14页/共70页（五）辅助能源子系统（五）辅助能源子系统 作用：维持电站能够一直持续运行。构成：就是在系统中增设常规燃料锅炉，用于阴雨天，夜间起动。第15页/共70页2.5.2、太阳能热发电系统的基本构、太阳能热发电系统的基本构成成槽式线聚焦系统；槽式线聚焦系统；塔式定日镜聚焦系统；塔式定日镜聚焦系统；碟式点聚焦系统碟式点聚焦系统不用聚焦结构，采用真空管集热器不用聚焦结构，采用真空管集热器根据太阳能聚光跟踪理论和实现方法的不同，可以分为3个基本类型第16页/共70页一、槽式太阳能热发电系统一、槽式太阳能热发电系统（SEGS,solar energy generating systems）槽式抛物聚光镜面：槽式抛物聚光镜面：（一）系统原理及构成1、原理：利用槽式抛物面反射镜聚光槽式太阳能热发电系统：第17页/共70页(3)槽式电站 Parabolic Troughs 槽式电站与碟式电站相似，它把槽式电站与碟式电站相似，它把聚焦器分散布置聚焦器分散布置聚焦器分散布置聚焦器分散布置，使，使载热介质在单个分散的太阳能聚焦集热器中加热成蒸载热介质在单个分散的太阳能聚焦集热器中加热成蒸汽，再汇集至汽轮机。汽，再汇集至汽轮机。如采用双回路系统，则加热后的载热介质不直接送到如采用双回路系统，则加热后的载热介质不直接送到汽轮机，而是集中在一个热交换器内，然后把热量传汽轮机，而是集中在一个热交换器内，然后把热量传递给汽轮机回路中的工质。递给汽轮机回路中的工质。第18页/共70页2、系统（电站）构成聚光集热装置（子系统）：聚光镜、接收器、跟踪装置；辅助能源装置（子系统）蓄热装置；汽轮发电装置第19页/共70页第20页/共70页第21页/共70页第22页/共70页3、槽式太阳能热发电系统的工作模式：直通模式：水经过预热、蒸发、过热后直接推动汽轮机发电；最简单，投资少，控制复杂注射模式：水分别从集热管不同的地方注入；正常运行需要必要的测试系统，系统投资大，不具竞争力循环模式：安装水汽分离装置，过量的水被循环泵送回到入水口，蒸汽集热管的过热段；可控性高，系统投资大第23页/共70页4、聚光集热装置（子系统）（1）、聚光器、槽型抛物面反射镜、混合平面抛物面反射镜：采用一组跟踪太阳的平面镜，将阳光反射到一台抛物面反射镜上，阳光经过二次聚焦第24页/共70页槽式聚光器Parabolic trough concentrator第25页/共70页Collectors in southern CA第26页/共70页第27页/共70页（2）、接收器：一根做了良好保温的金属圆管、真空集热管优点：热损失小缺点：封接技术要求高，很难做到长期保持夹层内的真空度。第28页/共70页真空管吸收器的结构图(1)真空管式吸收器第29页/共70页真空管吸收器的优缺点 真空管吸收器的优点真空管吸收器的优点真空管吸收器的优点真空管吸收器的优点是金属管与玻璃管之间不存在对流热损，是金属管与玻璃管之间不存在对流热损，玻璃管外径较小且透明，从而既减少了对阳光的遮影，也通玻璃管外径较小且透明，从而既减少了对阳光的遮影，也通过增大热阻降低了外表面的对流热损；有选择性涂层的金属过增大热阻降低了外表面的对流热损；有选择性涂层的金属管壁对阳光的吸收率很高，但发射率却非常低。管壁对阳光的吸收率很高，但发射率却非常低。真空管吸收器的缺点真空管吸收器的缺点真空管吸收器的缺点真空管吸收器的缺点是由于玻璃和金属的热膨胀系数不同，是由于玻璃和金属的热膨胀系数不同，玻璃管与金属管之间存在温差，造成中温时玻璃管与金属管之间存在温差，造成中温时(略低于略低于350)350)真空封口处的玻璃容易脆裂，从而难以在室外环境下长期维真空封口处的玻璃容易脆裂，从而难以在室外环境下长期维持真空度；在中温时光学选择性涂层容易老化和脱落，难以持真空度；在中温时光学选择性涂层容易老化和脱落，难以长期维持大规模光学选择性吸收表面的热稳定性。长期维持大规模光学选择性吸收表面的热稳定性。第30页/共70页工作原理：利用空腔体的黑体效应，充分吸收聚焦后的阳光；、空腔集热管优点：集热效率高，不用抽真空；没有玻璃和金属的封接；集热管壁不要涂层；热性能可以长期保持稳定缺点加工工艺复杂第31页/共70页(2)腔体式吸收器 腔体式吸收器的结腔体式吸收器的结构为一柱形腔体，外构为一柱形腔体，外表面覆隔热材料，由表面覆隔热材料，由于腔体的黑体效应，于腔体的黑体效应，使其能充分吸收聚焦使其能充分吸收聚焦后的阳光。腔体式吸后的阳光。腔体式吸收器主要适用于长焦收器主要适用于长焦聚光器。图聚光器。图2-42-4为腔体为腔体式吸收器集热器剖面式吸收器集热器剖面图。图。腔体式吸收器集热器剖面图 第32页/共70页腔体式吸收器的优点腔体式吸收器的优点吸热过程不是发生在最强聚焦区，而是在聚焦过后和发射时，吸热过程不是发生在最强聚焦区，而是在聚焦过后和发射时，并以较大的内表面积向工作流体传热，致使和真空管吸收器相并以较大的内表面积向工作流体传热，致使和真空管吸收器相比具有较低的投射辐射能流密度；比具有较低的投射辐射能流密度；腔体壁温较均匀，可减小与流体之间的温差，使开口的有效温腔体壁温较均匀，可减小与流体之间的温差，使开口的有效温度降低，从而最终使热损降低；度降低，从而最终使热损降低；经优化设计的腔体式吸收器，热性能比真空管吸收器稳定，在经优化设计的腔体式吸收器，热性能比真空管吸收器稳定，在同样情况下，工作介质平均温度大于同样情况下，工作介质平均温度大于230230时，腔体式吸收器时，腔体式吸收器既不需要抽真空，也不需要涂光学选择性涂层，仅采用传统的既不需要抽真空，也不需要涂光学选择性涂层，仅采用传统的材料和制造工艺；材料和制造工艺；成本低和便于维护也是腔体式吸收器的特性。成本低和便于维护也是腔体式吸收器的特性。腔体式吸收器的集热效率大于真空管吸收器，这使它成为槽形腔体式吸收器的集热效率大于真空管吸收器，这使它成为槽形抛物镜集热器的吸收器。腔体式吸收器的发展已受到重视抛物镜集热器的吸收器。腔体式吸收器的发展已受到重视。第33页/共70页（3）、跟踪装置：使槽式聚光器时刻对准太阳根据入射光线和主光轴位置关系分为：两轴跟踪系统：具有最理想的光学性能；设备结构复杂，制造维修成本高；单轴跟踪系统：结构简单，跟踪难度不高；单轴跟踪只做定期跟踪调整第34页/共70页（二）应用情况美国鲁兹(LUZ)公司19851991在美国南加州建成9座槽式太阳能热电站，总装机容量353.8MW第35页/共70页二、塔式太阳能热发电系统（集中型）二、塔式太阳能热发电系统（集中型）（一）系统原理及构成1、原理：第36页/共70页(1)(1)塔式电站塔式电站 Power Towers 塔式电站用一个塔式电站用一个中心吸收器取代火力发电站的锅炉中心吸收器取代火力发电站的锅炉中心吸收器取代火力发电站的锅炉中心吸收器取代火力发电站的锅炉。吸收器利用由许多反射镜聚集的阳光把其中的介质吸收器利用由许多反射镜聚集的阳光把其中的介质(如水如水)加热，并产生温度和压力都相当高的蒸汽。蒸汽驱动汽轮加热，并产生温度和压力都相当高的蒸汽。蒸汽驱动汽轮发电机组发电。发电机组发电。塔式电站的塔式电站的聚光倍数高聚光倍数高(1000(10003000)3000)，其介质工作，其介质工作温度通常大于温度通常大于350350，因此通常被称为，因此通常被称为高温太阳能热发电高温太阳能热发电。塔式电站的优点是聚光倍数高，容易达到较高的工塔式电站的优点是聚光倍数高，容易达到较高的工作温度；能量集中过程由反射光一次完成，方法简捷有效；作温度；能量集中过程由反射光一次完成，方法简捷有效；吸收器散热器面积相对较小，光热转换效率高。吸收器散热器面积相对较小，光热转换效率高。但塔式电站但塔式电站建设费用高建设费用高，其中反射镜的费用占，其中反射镜的费用占50%50%以上。太阳能塔式电站的总体效率可以达到以上。太阳能塔式电站的总体效率可以达到20%20%。第37页/共70页 目前世界上较大的太阳能塔式电站功率已达到目前世界上较大的太阳能塔式电站功率已达到10104 4kWkW，太阳能辐射通过多个反射镜聚集到放置在高塔，太阳能辐射通过多个反射镜聚集到放置在高塔顶的中心吸收器上。计算机控制顶的中心吸收器上。计算机控制每块反射镜都能独立的每块反射镜都能独立的每块反射镜都能独立的每块反射镜都能独立的根据太阳的位置来调整各自的方位和倾角根据太阳的位置来调整各自的方位和倾角根据太阳的位置来调整各自的方位和倾角根据太阳的位置来调整各自的方位和倾角，这保障了每，这保障了每块反射镜都能随时把太阳能反射到吸收器上，但这无疑块反射镜都能随时把太阳能反射到吸收器上，但这无疑增加了成本增加了成本增加了成本增加了成本。塔式电站的塔式电站的致命缺点致命缺点致命缺点致命缺点是太阳能电站是太阳能电站规模越大，反规模越大，反规模越大，反规模越大，反射镜阵列的占的面积越大，吸收塔的高度也要提升射镜阵列的占的面积越大，吸收塔的高度也要提升射镜阵列的占的面积越大，吸收塔的高度也要提升射镜阵列的占的面积越大，吸收塔的高度也要提升。例。例如，一个计划中的如，一个计划中的1MW1MW的塔式电站，要用的塔式电站，要用2.932.93万块反射万块反射镜，单镜面积为镜，单镜面积为30m30m2 2。这些反射镜布置在。这些反射镜布置在3km3km2 2的场地上，的场地上，塔的高度为塔的高度为305m305m。第38页/共70页聚光比高，工作温度较高；系统容量大效率高热损耗小适合于大规模并网发电特点：第39页/共70页Power tower in Barstow,California 第40页/共70页Power tower in Barstow,California 第41页/共70页2、系统构成：聚光子系统；集热子系统；蓄热子系统；发电子系统；辅助能源子系统第42页/共70页图 塔式太阳能集热发电系统原理 第43页/共70页第44页/共70页3、聚光子系统：定日镜群；跟踪装置；第45页/共70页（1）、定日镜：平面镜；镜架；跟踪装置；镜架很轻，跟踪结构的电功率消耗小第46页/共70页采用铝或银作用反光材料的玻璃背面镜第47页/共70页第48页/共70页Current heliostat prices$125 to$159 m-2 第49页/共70页对定日镜性能具有严格的要求镜面反射率高；镜面平整度误差小；整体机械结构强度高，运行中能抗8级台风；运行稳定；全天候工作；可以大批生产；易于安装；维护少，工作寿命长；第50页/共70页4、中心接收塔（动力塔）太阳能热发电站的集热装置太阳能辐射接收器：功能：将太阳能转化成工作流体的热能分类：空腔式，外漏式（外部受光式）高塔：钢筋混凝土钢架构第51页/共70页（二）、应用情况1950年，前苏联收集了世界上第一座塔式太阳能热发电站的小型试验装置；1980年，意大利等9个欧盟国家在西西里岛联合建造了世界上首座并网运行的塔式太阳能热电站：塔高50m；聚光镜：5m2的70台，23m2的112台；额度功率：1000KW；占地：2万m2水蒸气温度：5000C第52页/共70页1982年，美国在加利福尼亚州南部的Bartow沙漠地区附件兴建了一座大型的的塔式太阳能热电站solar one：塔高91.5m；聚光镜：1818台；额度功率：10MW；占地：7万m2水蒸气温度：5160C第53页/共70页第54页/共70页1996年，美国在solar one的原址上建造了solar two：聚光镜：1926台：40m2的1818台 95m2的108台镜场占地：8.3万m2硝酸盐温度：5650C第55页/共70页第56页/共70页2009年，西班牙的安达卢西亚（Andalucian）沙漠中投入运行了目前全球最大的太阳能电站：塔高：120m；聚光镜：1200台：水蒸汽温度：10000C第57页/共70页2005年底，国内首座“70KW塔式太阳能热发电系统”在南京市江京太阳能试验场顺利建成，并网发电：塔高：33m；聚光镜：20m2的32台；工质温度：9000C第58页/共70页三、碟式太阳能热发电系统利用旋转抛物面反射镜，将入射阳光聚集在一点上，在焦点上安放热能接收器，收集的热能将接收器内的传热工质加热到很高温度，驱动发动机进行发电；或是在焦点处直接放置太阳能斯特林（stirling）发电装置发电。（一）系统原理及构成1、原理：第59页/共70页聚光比高，可达3000以上；体积小，吸热面积小，能量损失小；效率高，太阳能转化电能效率达30%；寿命长，灵活性强，投资少，安装方便；可单台供电，也可多套并联使用，主要适合分布式应用；特点：第60页/共70页碟式电站缺点碟式电站缺点系统复杂系统复杂抛物镜 如建立一个100MW的碟状抛物镜集热器分散布置的太阳能电站，约需要12万个直径为6m的抛物镜。高温接收器管路及绝热材料跟踪控制系统第61页/共70页2、系统构成：旋转抛物面聚光器；接收器；跟踪装置；热机系统；第62页/共70页3、聚光器（反射镜）：结构：镀银玻璃背面镜，几十块组构而成；钢结构环作为支撑；混凝土或钢结构支架；双轴跟踪装置；分类：玻璃小镜面式；多镜面张膜式；单镜面张膜式；第63页/共70页4、接收器：核心部件直接照射式接收器：太阳光聚焦后直接照在热机的换热管上；换热管内工作介质高速流过，达到较高的温度压力；推动斯特林发动机运动；间接受热式接收器：通过中间媒介（液态碱；金属钠、钾或钾钠合金）将太阳能传递到热机；第64页/共70页（二）、应用情况1982年，美国加州建造了碟式斯特林太阳能热发电试验装置：聚光器：直径11m，由320个小镜面组成。总面积89m2，焦距6.6m，；工作温度：10900C；光电转换效率：29%；最大功率：24.6KW；2004年，美国SES公司在Sandia国家实验室建造了5套25KW碟式斯特林系统2005年8月，SES公司建造了由40套25KW的1MW碟式系统，以便为850MW电站建设积累经验。第65页/共70页我国的应用情况2003年，中国科学院电工研究所在北京通州区获得太阳能聚光热发电试验成果，这是我国首次采用碟式太阳能聚光技术进行的太阳能热发电。第66页/共70页第67页/共70页表1三种太阳能热发电系统性能比较 第68页/共70页塔式电站和碟式抛物镜集热器分散布置式电站均为塔式电站和碟式抛物镜集热器分散布置式电站均为点点点点聚焦聚焦聚焦聚焦，聚光倍数高达，聚光倍数高达500500以上。以上。但塔式电站的但塔式电站的跟踪代价高跟踪代价高，碟式电站的，碟式电站的能量集中代价能量集中代价大大，二者受到了目前技术水准的限制，实现商业化尚，二者受到了目前技术水准的限制，实现商业化尚需时日。需时日。槽式电站是槽式电站是线聚焦线聚焦线聚焦线聚焦，聚光倍数小于，聚光倍数小于100100。但槽式电站。但槽式电站跟踪精度低，导致控制代价小，同时采用管状吸收器，跟踪精度低，导致控制代价小，同时采用管状吸收器，工作介质受热流动同时集中能量。槽式电站的总体代工作介质受热流动同时集中能量。槽式电站的总体代价相对小，经济效益相对提高，所以目前价相对小，经济效益相对提高，所以目前槽式电站发槽式电站发槽式电站发槽式电站发展迅速展迅速展迅速展迅速。塔式、槽式和碟式三种电站技术比较：第69页/共70页感谢您的观看。第70页/共70页