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太阳能辅助燃煤热发电系统集成方案研究 摘要 能源危机、环境污染促使世界各国致力于太阳能热发电技术的研究。 储能设备成本高、低容量导致这项技术的应用成本依然较高，基于这个原 因，本文选择成本小、风险低的太阳能辅助燃煤热发电混合系统进行研究， 即探索在常规燃煤热发电系统中加入太阳能热源，从而达到节煤并降低太 阳热发电的成本和风险。 本文以3 0 0 m w 燃煤发电机组为基础，分析讨论太阳能辅助燃煤热发电 混合系统的集成方案、经济性及控制策略等，具体如下： ( 1 ) 简要综述了太阳能辅助燃煤热发电混合系统的技术背景和研究现 状，论述了太阳能辅助燃煤热发电混合系统的研究意义。 ( 2 ) 系统介绍了塔式、碟式、槽式和菲涅尔式四种太阳能热发电技术 以及这四种技术在国内外的发展状况，并对这四种太阳能热发电系统技术 进行分析比较。 ( 3 ) 提出了太阳能辅助燃煤热发电混合发电的集成方案。先进行机组 原始工况的热力参数计算，然后在这些参数的基础上，利用弗留格尔公式 重新计算各抽汽口、加热器热力参数。用同样的方法计算，太阳能取代其 他抽汽段的热力参数，通过对太阳能取代不同抽汽段热力参数的分析比较， 表明当太阳能取代第一抽汽段时为最佳混合发电的方案。太阳能辅助燃煤 热发电混合发电的集成方案是，利用太阳能场产生的蒸汽取代第一段抽汽。 ( 4 ) 为了进一步对混合系统的集成机理进行研究，提出了烟分析和烟经 济学的分析方法。利用炯分析方法对取代不同抽汽段时混合系统的烟效率、 烟损率和太阳能热电转化炯效率进行计算分析，再次表明太阳能取代第一 段抽汽的方案依然是最佳方案。利用烟经济学的思想，建立烟经济学模型， 列出炯成本方程并进行单位能量成本、单位非能量成本和单位烟经济学成 本计算分析。这些工作为建立太阳能辅助燃煤热发电混合系统提供了强有 力的技术经济分析。 ( 5 ) 提出了太阳能取代全部抽汽段的集成方案，并与太阳能取代第一 段抽汽方案进行分析比较。以在两个不同地区的太阳辐照情况，分别对这 两种方案分析计算了在不同时间的太阳能热电转化效率和年热电转化效 率，结果表明，太阳能取代全部抽汽段比单独取代一段抽汽热电转化效率 高。同时，对两种方案的经济性进行分析，进一步论证混合系统的可行性。 ( 6 ) 在分析现有燃煤机组锅炉与汽机协调控制、以及槽式太阳能热发电 控制技术的基础上，对太阳能辅助燃煤热发电混合系统的控制策略进行了 初步探讨。 关键词：太阳能热发电混合发电热经济性烟分析控制策略 h i n t e g r a t e dp r p g r a m m er e s e a r c ho ft h eh y b l u d s y s t e m so fc o a l f i r e dt h e r m a lg e n e r a t i o nw i t h s o l a r a b s t r a c t b e c a u s eo fe n e r g yc r i s i sa n de i i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ，m es o l a rt t l e n n a l p o w e rt e c h n o l o g yi sb e c o m i n ga r e s e a r c hh o ts p o ti nm e 、o r l d a p p l i c a t i o no f t h j st e c l l l l o l o g yi sh i 曲一c o s tb e c a u s eo f h i 曲e n e r | g ys t o r a g ee q u i p m e n tc o s t sa n d l o wv o l u m e f 0 rt h er e a s o n ，t h eh y b r i ds y s t e mo fc o a l f i r e dm e m a lg e n e r a t i o n w i t l ls o l a ri sr e s e 2 u r c h e di nt h i st h e s i s ，w h i c hjo i nt h es o l a rh e a tt oc o n v e n t i o n a l c o a l - f i r e dm e 肌a lp o 、rg e n e r a t i o ns y s t e m ，a n di ti sl o w c o s ta n d1 0 w 莉s k b a s e do n3 0 0 m wc o a l - f i r e dg e n e r a t i i l gs e t s ，t 1 1 e i n t e 铲a t e ds c h e m e ， e m c i e n c ya n dc o n t r o ls t r a t e g y o f 1 eh y b r i ds y s t e mo fc o a l f i r e dt h e m a l g e n e r a t i o nw i t 王1s o l a ra r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e di nt l l i st h e s i s ，、池i c hi ss h o w n a sf o l l o w s ： f i r s t ，t h et e c t u l i c a lb a c k g r o u n da n dr e s e a r c hs i t u a t i o no ft h eh y b r i ds y s t e m o fc o a l f i r e dt h e r m a lg e n e r a t i o nw i t hs o l a ra r es u m m a r i z e d ，a n dt 1 1 e nt 1 1 e s i g n i f i c a l l c eo ft h e1 1 y b r i ds y s t e mo fc o a l f i r e dt h e r m a lg e n e r a t i o nw i 廿1s o l a ri s d i s c u s s e di l lt h i sm e s i s s e c o n d ，t h et o w e r ，d i s h ，p a r a b o l i ct r o u 曲a n df r e s n e ls o l a rt h e m a lp o w e r g e n e r a t i o nt e c h n 0 1 0 9 ya sw e l la st h ed e v e l o p m e n to ft l l e f o u rt e c h n o l o g i e sa t h o m ea n da b r o a da r ei 1 1 t r o d u c e d 证t b j st h e s i s ，a na n a l y s i sa n dc o m p a r i s o ni s c o n ( 1 u c t e d t h i r d ，m ei n t e 伊纰e ds c h e m eo ft 1 1 eh y b r i ds y s t e mo fc o a l - f i r e dt l l e r m a l g e n e r a t i o n w i t l ls o l a ri s s u g g e s t e di n t h i sm e s i s f 打s to fa l l ，m et 1 1 e m l a l d 2 u r a m e t e r so fo r i g i n a lc o n d i t i o na r ec a l c u l a t e d ，a n d l e nm em e m l a lp a r a m e t e r s p 2 u r a m e t e r s0 to n g m a lc o n d l t l o na r ec a l c u l a t e q ，a n qm e n m em e m a lp a r a m e 【e r s o fe x 打a c t i o np o i ma n dh e a t e rb a s e do nt h em e m a lp 2 u r 锄e t e r sa u r er e c a l c u l a t e d m r 印1 a c i n go t h e re x 缸a c t i o ns e c t i o n ，t h em e 蛐a 1p a r a m e t e r so fo m e re x 臼麓c t i o n p o i n t sa n dh e a t e r sa r ec a l c u l a t e db yt h es a m em e t h o di 1 1 廿i i s 廿1 e s i s a n dt h e i n t e g r a t e ds c h e m er e p l a c 吨m e 觚te ) ( 仃a c t i o ns t e 锄s e c t i o ni sp r o v e dt 0b e 0 p t i m a lw i t ht h ec o m p a r i s o no ft h e n i l a lp a r a m e t e r so fd i 脑r e n te x 仃a c t i o ns t e 锄 s e c t i o n t h e i n t e g r a t e ds c h e m eo ft l l eh y b r i ds y s t e mo fc o a l f i r e dt l l e r m a l g e n e r a t i o nw i t hs o l a ri sr 印l a c i n g 廿1 ef i r s te x t r a c t i o ns t e 锄s e c t i o nw 池e n e r g y p r o d u c e d b ys o l a r f o r d l ，i no r d e rt 0m r m e ra n a l y z i n gi n t e g r a t i o nm e c h a l l i s mo f h y b r i ds y s t e m ， t h ea p p r o a c ho fe n e 嘲，ra n a l y s i sa n de n e r g ye c o n o “c sa r es u g g e s t e di nt 1 1 i s t l l e s i s b yc a l c u l a t m ga n da n a l y z i n gt h ee x e r g ye m c i e n c y ，e x e r 斟l o s se 街c i e n c y a n ds o l a re n e r g yt h e m o e l e c t r i cc o n v e r s i o ne 伍c i e n c y ，t h ei n t e g r a t e ds c h e m eo f r e p l a c i n gt h e f i r s te x t r a c t i o ns t e a ms e c t i o nw i t hs o l a ri ss t i n p r o v e dt 0b e o p t i m a li 1 1t 1 1 i st h e s i s w i t ht h ei d e ao fe n e r g ye c o n o m i c s ，t l l em o d e lo fe n e r g y e c o n o m i c si s e s t a b l i s h e d u s i n gt h ee n e r g yc o s te q u a t i o n ，m ee n e r g yc o s t ， n o n 。e n e r j g yc o s ta n de x e 嘲，e c o n o m i c sc o s ta r ec a l c u l a t e da n da n a l y z e di i lm i s t h e s i s t h es t r o n ge c o n o m i ca n dt e c h n 0 1 0 9 ya n a l y s i sf o re s 讪l i s e n to f t l l e h y b r i ds y s t e mo fc o a l - f i r e dt 1 1 e 咖a 1g e n e r a t i o nw i t l ls o l a u ri sp r o v i d e db yt h e s e w o i k f i r h ，t 1 1 ei n t e g r a t e ds c h e m et h a tr e p l a c i n ga l lo fe x n a c t i o ns t e 锄s e c t i o n ， a n dc o 埘i p a r ew i t l lm ei m e g r a t e ds c h e m eo f r 印l a c i n g 1 e6 r s te x 把a c t i o ns t e 锄 s e c t i o ni ss u g g e s t e di 1 1t h i s 廿1 e s i s b a s e do ns o l a rr a d i a t i o ni n t e n s i t yo fd i f r e r e n t a r e a s ，m e 廿1 e m o e l e c t r i cc o n v e r s i o ne 所c i e n c ya n dt 1 1 e m o e l e c t r i cc o n v e r s i o n e m c i e n c yo fy e a ri sc a l c u l a t e da 1 1 d 觚a l y z e di nt h i st t l e s i s r h er e s u l t ss h o wt i l a t t 1 1 ei n t e ；r a t e ds c h e m eo f r e p i a c i n ga l le x 仃a c t i o ns t e a ms e c t i o ni sm o r ee m c i e m i i lt 1 1 e m o e l e c 仃i cc o n v e r s i o nt h a nt h e 硫e g r a t e ds c h e m eo fr 印l a c i i 培m ef i r s t e x t r a c t i o ns t e 锄s e c t i o n m e a n 、h i l e ，t h ee m c i e n c yo f 觚op r o p o s a l si sa n a l y z e d i nt h i st 1 1 e s i s ，a n dt l l e nt h ef e a s i b i l i 够o ft h eh y b r i ds y s t e mi sd e m o n s t r a t e d s i x m ，b a s e do nt 1 1 ea n a l y s i so fm ec o o r d i n a t e dc o n 仃o ls t r a t e g yo f 廿1 e e x i s t i n gc o a l f i r e db o i l e ra n dt u r b i n e ，t h ec o n t r o lt e c q u eo fs o l a rt h e m a l g e n e r a t i o n ，t h e c o n t r o ls 仃a t e g yo f 廿l eh y b r i ds y s t e mo fc o a l - f i r e dm e m a l g e n e r a t i o nw i 廿1s o l a ri sd i s c u s s e d 洫m i st 1 1 e s i s 1 ( 1 l yw o r d s ：s o l a rt h e n n a lp o w e rg e n e r a t i o n ； h y b r i dp o w e rg e n e r a t i o n ； h e a t e c o n o 埘l y ；e x e 理；ya n a l y s i s ；c o n t r 0 1s t r a l t e g y v 广西大学嵋页士掌位嵌起太阳鼻乞辅助燃霸热发电系搿润成方案研究 第一章绪论 1 1 课题研究背景 能源是经济发展的关键组成部分。随着中国人口的增长和生活标准的提高，中国的 能源需求也在逐步增长。此外，中国面临着维持经济增长、社会发展和环境保护等方面 的挑战。因此，中国的能源开发和利用应建立在持续发展和更好的生态环境的基础上， 以便协调社会、经济和环境之间的关系，而不是满足现在的需求没有考虑后代的需求， 这样的经济发展模式就是低碳经济。在可持续发展理念指导下，通过技术创新、制度创 新、产业转型、新能源开发等多种手段，尽可能地减少煤炭石油等高碳能源消耗，减少 温室气体排放。太阳能热发电系统的研究正是这种经济模式的体现。太阳能热发电系统 大致分为：槽式系统、塔式系统、蝶式系统和菲涅尔式系统【1 1 0 】。槽式系统是最成熟的 太阳能热发电系统【l 。 燃煤热发电系统发电需要燃烧煤，而煤的蕴藏量有限、越烧越少，正面临着枯竭的 危险。燃烧煤将排出二氧化碳和硫的氧化物，这些物质会导致温室效应和酸雨，恶化地 球环境【1 2 郴】。我国太阳能资源丰富，全国2 3 的国土面积年日照时间在2 3 0 0 h 以上，年 辐射总量为3 3 4 0 8 4 0 0 m y ，m 2 【1 4 1 ，丰富的太阳能资源为我国改造现有的燃煤热发电厂提 供了条件。 太阳能资源有以下明显的特点：l 、总能量很大，但太阳能能量密度低；2 、能长期 利用的能源，但具有不稳定性；3 、无污染清洁能源；4 、太阳能本身是免费的，但建立 太阳能热电站设备成本高；5 、太阳能的利用可以有多种方式，从而做到热尽其用【1 5 】。 太阳能热发电系统的原理和化石能源发电是二样的，都是利用热能加热水，使之产生高 温高压的过热蒸汽，过热蒸汽推动汽轮机发电。将太阳能热发电和化石能源发电混合可 以节约太阳能热发电系统的设备成本。同时，我国的电力供应以燃煤发电为主，有许多 的燃煤发电厂，这为太阳能热发电和化石能源发电混合发电提供了可能。化石能源发电 与太阳能热发电混合将解决单独利用太阳能热发电的弊端。 1 2 国内外研究现状 太阳能热发电技术有四种形式：槽式、碟式、塔式和菲涅尔式。这四种形式太阳能 太阳期臼翥助蠢譬煤热发电系崩明成方案研究 热发电技术一般用于聚集中温和高温太阳能。他们用不同的集热器收集太阳热量，包括 镜面和晶体。在这些系统里，传热工质是很重要的物质，是整个系统联系的载体，热量 在系统内的传递由传热工质来完成。传热工质有合成油、水蒸汽等。油作为传热工质容 易操作，原因是油和水蒸汽系统比有较小的压力。从世界第一座太阳能热电站建造以来， 太阳能热发电技术不断发展，越来越多的国家投入这种技术的研究。同时，出现了更多 形式的发展，其中太阳能热发电系统和化石能源电站混合发电就是其中一种形式。 太阳能热发电系统和化石能源电站混合发电可以节约化石能源、减少温室气体的排 放和降低太阳能热电站的设备成本投入，是节约化石能源消耗一种非常有效的方式。各 国都把这方面的研究作为2 l 世纪能源研究的主要方向，并做了很多相关的研究。e r i ch u 等人【1 6 】提出了太阳热发电系统和煤电混合发电( s a p g ) 思想，具体是利用太阳能热加热 锅炉给水，提高系统的效率，并对太阳能热发电和燃煤发电混合系统进行分析，给出了 混合系统的两种方式：一种是增加系统5 的输出功率：另一种是保持输出功率不变， 减少煤的燃烧，温室气体的排放。m v j j s u r e s h ，k s r e d d y 等人1 1 7 】以印度的临界 ( 5 0 0 m w ) 和超临界( 6 6 0 m w ) 燃煤电站为基础，用太阳能热加热锅炉给水( s a p w h ) ， 并对混合系统的能量、经济性和环境影响进行分析。分析得出这样的混合系统能增加系 统5 6 的输出功率，减少6 2 0 0 0 6 5 0 0 0 吨二氧化碳的排放，并认为太阳能加 热给水是减少燃煤成本最有效的方式。t e r e s i t a l a r r 血等人【1 8 】建立了化石能源辅助太 阳能热发电1 0 0 m w 系统模型，并利用智利沙漠的气候参数进行研究，希望找到在混合 系统效率最佳的时候最小的化石能源用量。y o n g p i ny a n l g 等人【1 9 】论证了低温和中温太阳 能能集成到常规的燃煤发电系统。在太阳能辅助燃煤混合系统中，用抛物槽式低温和中 温太阳取代部分抽汽去预热朗肯循环给水，并以2 0 0 m w 机组为例论证混合系统的优越 性。p v z e d t w i t z 等人【2 0 j 用太阳能作为高温能源提供能量给煤炭的脱碳制取氢气，并对 这个系统进行上用和脱碳制氢三个过程( 热分解、重整和蒸汽汽化) 进行分析。他们认为 这个系统利用了太阳能，减少了煤的消耗，降低了二氧化碳的排放。d 砌t y rp o p 0 v 【2 l 】 利用欧洲皇家经济学会流体软件建立朗肯蒸汽循环系统模型，用菲涅尔式太阳能集热器 直接加热给水并取代高压加热器，在这个系统中，太阳能的份额可以占到2 3 ，系统效 率可以达到3 9 。吕亮、王明仁【2 2 】提出了抛物槽式集热器取代锅炉蒸发段加塔式集热器 取代过热段和再热段的塔式太阳能直流锅炉混合系统，并进行工程设想的经济性分析。 张燕敏【2 3 】提出了混合系统的集成方案，用太阳热取代抽汽加热锅炉给水总流量的2 。 利用这个模型分析不同地域、不同负荷和不同辐射对混合系统的影响，并进行经济性分 2 广西大鲁明页士掌位论文 太阳能辅助燃煤热发电系统集戚方案研究 析。袁建丽【2 4 】提出利用太阳能热量在1 5 0 3 0 0 时制取氢气行业有巨大的经济优势，她 利用能量的综合梯级原理，讨论将联合发电和甲醇重整制氢过程一体化的方法，建立了 太阳能甲醇重整制氢联产系统。联产系统有自己的优势：好的热力性能、节能达到2 9 。 她首先通过热力分析探索系统的热力性能，并揭示提高热力性能的关键点。杨征【2 5 】重点 研究了四缸双作用斯特林发电机，他利用模拟斯特林发动机斯密特分析方法分析发动机 在运转过程中的流体阻力损失和能量损失，提出了适用于模拟发动机性能的模型。实验 结果和模拟结果相同，模型可以用来讨论发动机的工作状态。他利用牛顿法和惩罚函数 对在实际条件约束下的模型进行优化求解。设计了5 k w 和2 5 k w 的四缸发动机，并优化 结构参数，如：工质，加热器的管的数目、内径、长度，回热器的数目，冷却器管的数 目、长度、内径，分析这些参数对发动机的功率和效率影响情况。最后，设计了一台2 5 k w 的碟式系统，碟式系统的功率达到2 8 7 7 ，模拟的结果表明，只有在太阳能的辐射强度 大于4 7 4 4 4 7 1 w m 2 时，系统才有较高的输出效率。 能源危机促使各国寻求化石能源的替代能源。风能、潮汐能、核能、太阳能和生物 能应用技术迅速发展，其中太阳能资源的利用在我国是热点研究方向。但是，成本和技 术制约着我国太阳热电技术的发展。以上关于化石能源发电和太阳能热发电混合系统的 研究充分体现了世界能源发展的趋势。世界上化石能源发电和太阳能热发电混合系统有 两个研究方向：化石能源辅助太阳能热发电和太阳能热辅助化石能源发电。国外的太阳 能热发电为了维持电力供应的稳定，都采用化石能源辅助太阳能热发电。我国电力供应 以燃煤电厂为主，这促使我们对太阳能辅助化石能源发电进行研究，加快常规燃煤电厂 的改造。以上的研究主要涉及到太阳能增加系统功率或者维持功率不变减少煤的燃烧， 其中，包括气候参数、机组装机容量、太阳能场集热温度对混合系统性能的影响，还介 绍了利用太阳能制取氢气发电一体化和斯特林发电机发电系统的模拟。综上所述，我国 的太阳热发电可以在如下方面加快发展：集热管的研究，跟踪装置的研究，集热管内流 体控制的研究，太阳能热发电系统( 四种太阳热发电系统) 的模拟和优化，太阳能和化 石能源混合发电的研究( 集成方案、系统模拟、系统控制) 等。 关于太阳能辅助化石能源混合发电系统还没有成熟的工程应用，但各国对此都非常 重视，投入经费加快研究，目前正处于热点研究阶段。本文主要进行太阳能辅助燃煤热 发电系统的集成方案研究。 3 太阳期翻翥助皇i 煤热发电系统集成方案研究 1 3 课题研究意义 在全世界，以煤和天然气作为动力的热电厂仍然是产生电能的主要方式，在未来的 几十年仍然将是这种状况。但是，污染、温室气体的释放和化石燃料的减少使常规热电 厂招到越来越多的批评，即使最新设计的超临界机组具有更高的效率，但是它仍旧不能 产生绿色电能。许多国家把可再生能源作为发展目标并收取碳税给常规热电企业带来 了巨大的压力。需要一个现实的改革去帮助这些企业变得更加干净。 在晚上和阴天为了保证充分稳定供应电力以及避免汽机频繁启动，在太阳能热电厂 中需要配置蓄热装置。太阳能热的存储是太阳能热发电系统的技术难点，在抛物槽式太 阳能热发电系统中，存储系统成本占总成本的2 3 【2 6 】。由于太阳能供给的间歇性，单独 投资建造的太阳能热发电系统经常会出现设备成本高、利用率低、收益低等问题。因此， 本文利用太阳能热发电系统与常规燃煤发电系统都有汽轮机部分这一特点，将槽式抛物 太阳能集热器集成到常规燃煤发电系统中，寻求改造现有燃煤发电系统的新途径。 1 4 课题研究内容 在分析太阳能热发电系统和常规燃煤发电系统特点的基础上，将太阳能热发电系统 集成到常规燃煤热发电系统中，探讨太阳能热发电技术和燃煤发电技术的集成方案，寻 求改造现有燃煤电站的新途径，为改造燃煤电站提供一些理论参考。 主要内容如下： ( 1 ) 介绍塔式、碟式、槽式和菲涅尔式四种太阳能热发电技术以及这四种技术在国 内外的发展状况，并对这四种太阳热发电系技术进行比较。为后续选择太阳能热发电技 术的类型提供一些帮助。 ( 2 ) 在分析燃煤机组和太阳能热发电系统的基础上探讨集成方案，用太阳能场产 生的过热蒸汽取代汽轮机某段抽汽，达到节约燃煤的目的。对机组进行取代抽汽段后的 热力计算，并对太阳能集热器收集的热量加热给水取代汽轮机某段抽汽加热给水的热力 性能进行分析计算，得到不同集成方案下的耗煤量，从而得到节煤量。最后，对节煤量 进行比较，确定混合系统的最佳集成方案。 ( 3 ) 用炯和炯经济学的分析方法对上述的太阳能辅助燃煤热发电混合系统集成方 案进一步进行研究。首先对混合系统的太阳能热电烟转化效率、每个单元的炯效率、每 个单元烟损率进行分析。然后，建立炯经济学分析模型，进行炯经济学分析。通过炯和 娴经济学的分析，为太阳毙辅助燃煤热发电混合系统的建立进一步提供理论参考。 4 广西大奄明页士学位论文太阳期翻肃助崧煤热发电系胄h 成方案研究 ( 4 ) 首先提出取代全部抽汽段的模型，通过分析比较取代全部抽汽段和取代第一 段混合系统两种方案在不同地区、不同时刻的辐射强度下的瞬时热电转化效率、全年热 电转化效率，了解太阳辐射强度对这个混合系统的影响。同时，对两种方案的经济性进 行分析，进一步论证混合系统的可行性。 ( 5 ) 在分析现有燃煤机组锅炉与汽机协调控制、槽式太阳能热发电控制技术的基 础上，对太阳能辅助燃煤热发电混合系统的控制策略进行初步探讨。 1 5 本章小结 介绍了化石能源短缺以及化石能源利用带来污染的现状。论述了国内外太阳能热发 电及太阳能混合化石能源应用的研究现状。比较现有常规燃煤发电系统和太阳能热发电 系统的基础上，提出了太阳能辅助燃煤热发电混合系统集成方案研究的主要内容。 5 太阳期纠煮助j 旗煤热发电系崩明成方案研究 第二章太阳能热发电技术介绍 太阳热发电系统是靠反射镜或者反射体聚焦太阳能热量来加热吸收器中的工质到 高温高压状态。经过加热的高温高压工质( 如过热蒸汽、合成油和熔盐) 从吸热器进入 热机，在热机里，热量的一部分( 达到3 0 ) 转化成电能【2 刀。太阳能热发电系统由两部 分组成：一部分是太阳能吸收装置，吸收装置把太阳能转变成热能；另一部分装置是将 热能转化成电能。在槽式和塔式系统中，太阳能热量转变成电能的效率是3 5 到4 0 【1 1 】， 蒸汽状况和设备规模影响整个系统的效率。当太阳能热发电系统应用于商业范围的发电 时，需要大面积的太阳能吸收装置。太阳能热发电技术的接收器有四种方式可以选择： 抛物槽式、塔式、碟式和菲涅尔式。槽式、塔式和碟式系统的聚光比分别是3 0 1 0 0 、 5 0 0 1 0 0 0 和1 0 0 0 1 0 0 0 0 【2 8 1 。 2 1 塔式太阳能热发电技术 塔式热发电系统也叫集中型太阳能热发电系统，用追踪方位角和倾斜角的两轴机构 跟踪太阳，分布在塔周围的一系列定日镜反射太阳光，聚焦太阳光到位于塔顶的中央接 收器，中央接收器进一步将热量传递给传热工质或者存储器或者电能转化系统，电能转 化系统将热能转化成电能。塔式发电系统通常包括成本高的热能存储器，热能存储器是 作为中心电站的调峰和中间负载应用的电力设备。塔式热发电系统的最关键特征是收集 太阳能热量到一个单独的接收器，这样能降低热量传递要求，能获得高的太阳聚光比和 工作温度，能使能量收集和热电转化方面的效率得到很大的提高。塔式太阳能热发电系 统的高温蒸汽不仅应用于驱动蒸汽循环还应用于燃气汽轮机和联合循环系统。联合循环 系统能获得高达3 5 的峰值和年太阳能发电效率的2 5 【1 1 】。从过去几十年的全球经验来 看，塔式技术已经被证明是可行的，热力循环可以用不同的传热工质( 蒸汽、空气和熔 盐) 和不同的定日镜。塔式太阳能热发电系统如图2 1 所示。 世界上最早提出并设计塔式太阳能热电站的国家是苏联，它在2 0 世纪5 0 年代建造了 第一座塔式小型试验电站。欧洲和美国分别于2 0 世纪8 0 年代和9 0 年代建造了塔式系统的 实验电站。s o l q 盯塔式电站加热加压空气，位于加利福利亚州的s o l 甜i i 用熔盐作为传 热工质和系统在晚上运行的热量存储介质，在西班牙的g a s t 电站用金属和陶瓷管。在 莫哈韦沙漠的1 0 m w 的s o l 2 l ro n e 和s o l a rt w o 定日镜示范工程现在已经退役。在这些项目 的基础上，西班牙建造了1 5 m w 的s o l a rt r e s 电站。在2 0 世纪9 0 年代，容积式接收器在 6 广西大学司旺b 掌位嵌譬太阳胤翻肃助燃煤热发电习“，归成方案研究 p h o e b u s 电站得到应用，这项技术是用金属丝网直接接触太阳辐射并加热空气流，这 样接收器能产生8 0 0 的高温，这项技术已经用于l m w 的蒸汽循环系统。随着技术的进 步，一些具有里程碑意义的塔式电站在西班牙建造，这其中最著名的是s a n l u c 盯s o l 孤 p a r k 电站。在西班牙，1 1 m w 的p s 1 0 和最近建成的p s 2 0 ( 2 0 m w ) 塔式太阳能热发电系 统成功运行。p s 2 0 是世界第二大商业应用的塔式发电系统，它标志着很多重大意义的 技术进步，它是第一个商业化的塔式太阳能热电站。高效率的接收器、控制和运行系统 的提高、更好的热能存储系统在a b e n g o as o l a r 电站中得到应用和发展。一个美国公司正 在发展一种高温高效率的塔式技术，公司拥有一个高达5 0 0 m w 容量的电力采购合同， 第一个1 0 0 m w 的电站计划在2 0 1 0 年建成。在南部非洲，计划建造一座塔式太阳能热发 电站，包括4 0 0 0 5 0 0 0 座面积1 4 0 m 2 的定日镜。根据2 0 1 0 2 0 “全球聚光型太阳能工业报 告，塔式热发电系统和槽式发电系统一样需要8 4 0 0 0 w 的土地连同大量的水【l l 】。 图2 1 塔式太阳能热发电系统 f i g 2 - 11 0 w e rs 0 1 a rm e n n a lp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m 2 0 0 6 年，澳大利亚科学家宣布，他们成功研制出一种新式太阳能发电装置，这种装 置将太阳能和天然气结合利用，不但效率更高，而且不会污染环境。这就是在澳大利亚 新南威尔士州建造的太阳能热力塔式发电站。在高达1 0 0 0 米的“太阳塔 底部，有2 0 0 多枚镜子聚焦，将太阳光反射至塔上，温度一旦超过l o o o 摄氏度，便可以产生5 0 0 千瓦 的电量。塔内产生的热量与天然气、水一起混合发电，便形成了太阳能热发电，它比一 般的原料气多产生2 6 的能量，发电容量高达2 0 万千瓦，而塔底镜子的数量还可以根据 所需太阳能的多少随时进行调整【2 9 1 。 我国的塔式太阳能热发电技术起步比较晚，也取得了一些成绩。国家科技部、中国 科学院、北京市科委投资，中科院电工所承担的“十一五 国家“8 6 3 重点项目一中 国科学院电工研究所八达岭太阳能热发电示范电站坐落于八达岭长城脚下，距八达岭高 7 太阳期翻煮助燃煤热发电系统秦成方案研究 速公路延庆入口处1 0 0 m 。该示范电站是亚洲第一座塔式太阳能热发电站，它的建成标志 着我国太阳能热发电站的建设将进入一个崭新的阶段，对我国可再生能源的发展将起到 重要的推动作用【3 0 】。 中材科技南京玻璃纤维研究院春辉公司和河海大学新材料新能源开发研究 院紧密协作，与以色列魏兹曼研究院和e d i g 公司开展国际合作，在南京江宁建 成了中国首座7 0 k w 塔式太阳能热发电示范( 试验) 系统，并于2 0 0 5 年1 0 月底正 式发电，目前还在继续进行详细深入的试验测试。该系统由一座高3 3 m 的铁塔和 3 2 台定日镜组成，每台定日镜面积2 0 m 2 ，自动跟踪太阳，将太阳光汇聚到塔顶 的接收器中，将空气加热到9 0 0 1 0 0 0 ，驱动燃气轮机发电【3 1 】。表2 1 列举 了国外已建成的塔式太阳能热发电站。 表2 1 塔式太阳能热发电站 t a b l e2 - lt o w e rs o l a rt i l e r ma lp o w e r 删i o n 名称国家 装机容量( m w ) 传热工质运行时间 e u r e l i o s i t a l y 1 ow a t e r s t e a m1 9 8 0 1 9 8 4 s u n s h i n e j a p a n 1 0w a t e r ，s t e a m1 9 8 1 1 9 8 4 l e a s p a i n o 5s o d i 岫1 9 8 1 - 1 9 8 5 s o l a 卜o n e u s a 1 0w a t e r s t e a m1 9 8 2 1 9 8 8 c s e a s p a i n 1 2w a t e r s t e a m1 9 8 3 1 9 8 4 t h e m i s f r a n c e2 5m o l t e n s a l t1 9 8 3 1 9 8 6 m s e e us a o 7 5m o l t e n - s a l t1 9 8 4 - 1 9 8 5 s e s 5 r u s s i a5w a t e r s t e a m1 9 8 5 1 9 8 9 p h o e b u s t s a s p a i n 2 5 1 9 9 2 a l r s o l a 卜t w o us a 1 0 m o l t e n - s a l t1 9 9 5 2 2 碟式太阳能热发电技术 太阳能碟式发电也称盘式系统。主要特征是采用盘状抛物面聚光集热器( 大约是电 视卫星接收器的1 0 倍大) ，其结构从外形上看类似于大型抛物面雷达天线。由于盘状抛 物面镜是一种点聚焦集热器，其聚光比可以高达数百到数千倍，因而可产生非常高的温 度。在2 0 世纪7 0 年代末到8 0 年代初，瑞典u s - a b 和美国a d v a n c oc o 印o m t i o n 、m d a c 、 n a s a 及d o e 等首先研发碟式热发电系统，这些系统大都采用s i l v e r 偿l 嬲s 聚光镜、管状 直接照射式集热管及u s a b 4 - 9 5 型热机。进入2 0 世纪9 0 年代以来，美国和德国的某些企 业和研究机构，在政府有关部门的资助下，用项目或计划的方式加速碟式系统的研发步 伐，以推动其商业化进程。图2 2 为碟式太阳能发电系统。抛物碟式系统由单一的结构 8 广。西r 大粤铒甄士掌位论文 太阳搬h 煮助燃煤热裳电习。目臼成方案研究 图2 - 2 磲式太阳能热发电系统 f i g 2 - 2d i s hs o l a rt h e n n a lp o w e rg e n e r a t i o ns y s t e m 组成，这个结构支撑覆盖镜面的抛物碟，镜面反射位于碟的焦点处的太阳光接收器镜上 的光线。为了获得最大量的直射太阳能量( d n i ) ，碟式阵列跟踪天空的太阳。接收器集 成到一个高效率的热机。热机有薄的管，这些管里面包含有氢气和氦气，沿四个气缸外 运行和通向气缸。当聚集的太阳光落在接收器上时，这些太阳光加热在管里的气体到非 常高的温度，高温引起热气体在气缸内膨胀，膨胀的气体推动活塞，活塞转动曲轴，曲 轴驱动一个发电机。接收器、热机和发电机组成安装在镜面碟的焦点处的单独的、集成 的阵列。现已开发了许多不同的汽轮机，比如燃气汽轮机、往复蒸汽汽轮机和朗肯汽轮 机。最近，大部分的目光聚集到斯特林汽轮机上。碟式太阳能热发电技术是所有的太阳 能热电技术中效率最高的，因为它具有高的光学效率和小范围的热能损失。碟式技术一 般不用于大的太阳能热发电而是用于分散的能量供应。现在，美国和欧洲主要发展 7 5 m w 系统在僻远地区的应用【3 列。 在欧洲，碟式斯特林系统已被位于西班牙南部的阿尔梅利亚的p 1 吨曲m ms o l a r ( p s a ) 系统所论证。近来，美国的i n 矗n i a 太阳能系统( i s s ) 已经引进了小容量( 3 o l q 聊模块化的 抛物碟式接收器。根据2 0 1 0 2 0 1 1 全球聚光型太阳热发电技术工业报告，这项技术只需 要小面积地面( 大约1 6 0 0 0 m 2 ) 进行安装和微量的水需求。在过去十年里，多座碟式太 阳能发电系统已经建成并运行，范围从1 0 m w ( s c l d a i c h 、b e r g e m 锄a n dp a r t i l e rd e s i g n ) 、 2 5 m w ( s 灿c ) 到超过1 0 0 m w ( 圮“b i gd i s h o f t h ea l 袖矧i 趾n 撕。砌u i l i v e 嚣时) 。 像所有的太阳能热发电系统一样，碟式系统能和化石能源和生物能一起发电，在任何时 候提供电力。在欧洲的e u r o d i s h 碟式电站，财团和它的合作工厂、研究机构发展了 一种低成本的l o m w 的分散电力供应斯特林发动机。斯特林能源系统公司( s e s ) 建造了 苫 广西大学明日e 士掌位铡 太阳能i 煮劝囊i 霸e 热发电系统杀成方案研究 一座2 5 m w 碟式系统，这个电站运用了“s o l a r c a t c h e r 技术，有直径碟机构支撑的8 2 面 弯曲玻璃镜面，这些镜面的面积是3 4 英尺。发电机是一个四汽缸的往复斯特林循环汽 轮机，每个系统能产生高达2 5 m w 的电能。在2 0 0 8 年，新墨西哥公布了一种新的太阳能 到电网净效率为2 5 的斯特林发电系统【3 3 】。 澳大利亚的大碟式系统被认为是市场的向导，它的表面积到达5 0 0 m ? 。已经商业化 的这个系统用了太阳热量存储系统，存储热能系统通过一个化学热过程把太阳热能存储 起来，直到需要发电的时候才释放出热能。在夜间或者天气状况不好的情况，可以继续 产生电能维持基本负荷和需要的峰值。抛物碟式系统已经模块化，理论上能梯次排列成 大的阵列。斯特林能源系统公司在加利福利亚州的莫哈韦沙漠的太阳能碟式阵列有一个 采购协议，这个阵列要求超过2 0 0 0 0 个单元。在澳大利亚，安装向导技术已经卖给了b i g d i s h ， b i gd i s h 是建造在w h y a l l a 的碟式系统，结构应用钢化处理技术，1 0 0 m w 的装机 容量，电站始建于2 0 0 9 1 1 1 j 。 北京皇明中科院太阳能联合实验室承担的太阳能碟式斯特林热发电研究项目被列 入国家“8 6 3 计划”，这项国际前沿的发电技术应用后，太阳能冷、热、电并供将变成现 实，标志着我同太阳能应用进入崭新的发展时期。表2 2 列举了国外碟式太阳能热电站。 表2 2 碟式太阳能热电站 t a b l e2 - 2d i s hs o l a r 恤n n a lp o w e r p l a n t 名称国家功率( k 呐采光面积( m 2 )介质运行时间 v a n g u a r d u s a 2 59 l h y d r o