太阳能热发电技术介绍-20100608-王芳

1、（中环光伏研发部/王芳、邓霞） 2010年 6月8日 太阳能热发电技术介绍 太阳能热发电-综述 太阳能热发电是利用反光镜将太阳能聚集起来产 生高温热能，加热工质直接或间接驱动发电机发电。 到目前为止，世界上主流的或者已经建成运行的 或正在建设的太阳能热发电站的形式主要有：太阳能 塔式发电系统、太阳能槽式发电系统和太阳能碟式发 电系统。 一、太阳能塔式发电系统 二、太阳能槽式发电系统 三、太阳能碟式发电系统 四、太阳能热发电系统总结 塔式太阳能热发电系统是在空旷的地面上 建立一高大的中央吸收塔，塔顶上安装固定一 个吸收器，塔的周围安装一定数量的定日镜， 通过定日镜将太阳光聚集到塔顶的接收器的腔

2、体内产生高温，再将通过吸收器的工质加热， 通过热交换产生高温蒸汽，推动汽轮机进行发 电。定日镜自动跟踪太阳的移动，保证被反射 的太阳光能始终聚焦在接收器上，这种跟踪是 两维的。 构件一：定日镜 定日镜是一种由镜面( 反射镜) 、镜架( 支撑结构) 、 跟踪传动机构及其控制系统等组成的聚光装置, 用于跟 踪接收并聚集反射太阳光线进入位于接收塔顶部的集 热器内, 是塔式太阳能热发电站的主要装置之一。 构件一：定日镜 塔式太阳能热发电站常设有大量台数的定日镜, 并 构成庞大的定日镜阵列( 或称镜场)。 电站电站数量（台）数量（台）单台面积（单台面积（m m2 2） 总面积（总面积（m m2 2） S

3、olar One1,8184072,720 Solar Two1,926(1,818+108)40/9582,980 Eurelios182326,200 Solar Tres2,49396239,328 PS1062412175,504 Solar One /USA Solar Two /USA Solar Tres /Spain PS10 /Spain 构件一：定日镜 定日镜在电站中不仅数量最多、占据场地最大, 而 且是工程投资的重头。美国Solar Two电站的定日镜建 造费用占整个电站造价的50%以上。虽然近年来定日 镜成本已经不断降低, 但在2004年建成的SolarTres塔式 太

4、阳能热发电系统中, 定日镜建造费用仍是构成工程总 成本的最大部分, 达43%。因此, 降低定日镜建造费用, 对于降低整个电站工程投资是至关重要的, 仍是今后的 一个重要研发方向。 构件二：接收器 太阳能接收器是实现塔式太阳能热发电最为关键的 核心技术，它将定日镜所捕捉、反射、聚焦的太阳能 直接转化为可以高效利用的高温热能，为发电机组提 供所需的热源或动力源，从而实现太阳能热发电的过 程。 构件二：接收器 间接照射接收器向载热工质的传热 过程不发生在太阳照射面,工作时聚 焦入射的太阳能先加热受热面, 受热 面升温后再通过壁面将热量向另一 侧的载热工质传递。 直接照射接收器也称空腔式接收器, 特点

5、是接收器向载热工质的传热与 入射阳光加热受热面在同一表面发 生, 由于特定形状的内表面具有几近 黑体的特性, 可有效吸收入射的太阳 能, 避免选择性吸收涂层的问题 间接照射接收器 直接照射接收器 构件二：接收器 管式接收器腔式接收器 构件三：传热/蓄热工质 传热/蓄热工质是储存太阳能的主要载体，工质温 度上升, 存入高温蓄热罐, 然后用泵送入蒸汽发生器加 热水产生蒸汽, 利用蒸汽驱动汽轮机组发电, 汽轮机乏 汽经冷凝器冷凝后送入蒸汽发生器循环使用，蓄热工 质能够在光照较弱时保证系统正常工作一段时间，从 而实现太阳能热发电的过程。 系统缺点： 聚焦的光斑在一天之内呈现大幅度变化导致聚 光光强大幅

6、度波动 众多的定日镜围绕中心塔而建立，占地面积巨 大 各个定日镜需要单独进行两维控制, 控制系统复 杂 为了减少众多定日镜的余弦效应，中心塔必须 建得足够高才行 塔式太阳能热发电示范项目 电站名称电站名称国家国家功率功率(MW)(MW)热载体热载体储存介质储存介质年代年代 SSPS西班牙0.5液态钠钠1981 EURELIOS意大利1蒸汽硝酸盐/水1981 SUNSHINE日本1蒸汽硝酸盐/水1981 SOLAR ONE美国10蒸汽油/岩石1982 CESA-1西班牙1蒸汽硝酸盐1983 MSEE/CatB美国1硝酸盐硝酸盐1983 THEMIS法国2.5盐盐1984 SPP-S乌克兰5蒸汽水

7、/蒸汽1986 TSA西班牙1蒸汽陶瓷1996 SOLAR TWO美国10硝酸盐硝酸盐1996 SOLAR TRES西班牙15硝酸盐硝酸盐2006 PS10西班牙11蒸汽蒸汽2007 一、太阳能塔式发电系统 二、太阳能槽式发电系统 三、太阳能碟式发电系统 四、太阳能热发电系统总结 槽式太阳能热发电系统是利用柱形抛物面的槽 式聚光系统将太阳能聚焦到管状的吸收器上，并 将管内传热工质加热。槽式系统以线聚焦代替了 点聚焦，并且聚焦的吸收器管线随着柱状抛物面 反射镜一起跟踪太阳而运动。与塔式太阳能热发 电系统不同，槽式太阳能热发电系统的跟踪是一 维的。 构件一：聚光集热子系统 聚光集热子系统是整个系统

8、的核心，由聚光器、集 热管和跟踪装置构成。集热管主要有两种：真空管式 和腔式；跟踪方式采用一维跟踪，有南北、东西和极 轴三种方式。 构件一：聚光集热子系统-聚光器 槽式太阳能热发电聚光器, 将普 通太阳能光聚焦形成高能量密 度的光束, 加热吸热工质, 其作 用等同于塔式太阳能热发电的 定日镜。一般槽式聚光器的工 作原理如图所示, 反光镜放置在 一定结构支架上, 在跟踪机构帮 助下, 使其反射的太阳光聚焦到 放置在焦线上的集热管吸热面。 构件一：聚光集热子系统-聚光器 同定日镜一样,聚光器应满足以下要求： 具有较高的反射率 有良好的聚光性能 有足够的刚度 有良好的抗疲劳能力 有良好的抗风能力 有

9、良好的抗腐蚀能力 有良好的运动性能 有良好的保养、维护、运输性 构件一：聚光集热子系统-聚光器 与塔式太阳能热发电的定日镜相比, 槽式太阳能 热发电聚光器的制作难度相对更大：一是抛物面镜 曲面比定日镜曲面弧度大；二是平放时, 槽式聚光 器迎风面比定日镜要大, 抗风要求更高；三是运动 性能要求更高。 构件一：聚光集热子系统-集热管 槽型抛物面反射镜为线聚焦装置, 阳光经聚光器聚集后, 在焦线处成一线型光斑带, 集热管放置在此光斑上, 用于吸收 聚焦后的阳光, 加热管内的工质。 集热管必须满足以下五个条件： 吸热面的宽度要大于光斑带的宽度, 以保证 聚焦后的阳光不溢出吸收范围 具有良好的吸收太阳光

10、性能 在高温下具有较低的辐射率 具有良好的导热性能 具有良好的保温性能 构件一：聚光集热子系统-集热管 槽式太阳能集热管分类： 直通式金属/玻璃真空集热管 热管式真空集热管 双层玻璃真空集热管 聚焦式真空集热管 空腔集热管 构件一：聚光集热子系统 常用聚光集热器型号：LS-1;LS-2;LS-3;LS-4; DS-1;ET-100;ET-150 构件二：换热子系统 由预热器、蒸汽发生器、过热器和再热器组成。当 系统工质为油时，采用双回路，即接收器中工质油被 加热后，进入换热子系统中产生蒸汽，蒸汽进入发电 子系统发电。直接采用水为工质时，可简化此子系统 。 构件二：换热子系统 槽式太阳能直接蒸汽

11、发电系统(DSG)具有三种工作模式，分别称为直通模 式，注射模式以及循环模式： 直通模式中的水经过预热，蒸发和过热后直接推动汽轮机发电，该模式最 简单，投资较少，但控制复杂。 注射模式中水分别从集热管不同的地方注入，该模式的正常运行需要必要 的测试系统，由于系统的复杂性和系统投资较大，该模式已经不具有竞争力。 循环模式是目前最有竞争力的方式，在集热管路的蒸发段的末端安装一个 水汽分离装置，注入到蒸发段的水量大于系统可以蒸发的水量，过量的水就通 过分离器被循环泵送到集热环路的进水入口段。而蒸汽经过水汽分离器进入到 集热管的过热段，这种模式具有高度可控性，但是有循环管路的存在以及水汽 分离装置等增

12、加了系统的投资。 构件三：发电子系统 基本组成与常规发电设备类似，但是需要配备一种 专用装置，用于工作流体在接收器与辅助能源系统之 间的切换。 构件四：蓄热子系统 太阳能热发电系统在早晚或云遮挡期间必须依靠 储存的能量维持系统正常运行。蓄热的方法主要有显 式、潜式和化学蓄热三种方式。 构件五：辅助能源子系统 在夜间或阴雨天，一般采用辅助能源系统供热(可 配备一个辅助燃烧炉，用天然气或燃油来产生蒸汽)， 否则蓄热系统过大会引起初始投资的增加。 系统缺点： 槽式系统的抗风能力较差，不适宜工作在大风 地区； 槽式系统的接收器长, 散热面积大 美国加州SEGS1-9运行特性 槽式太阳能发电项目 地点地

13、点年份年份容量（容量（MWMW）循环类型循环类型 西班牙19810.5蒸汽循环 日本19811蒸汽循环 美国加州1985-1999354蒸汽循环 西班牙DISS1996-19992DSG 希腊克里达岛199750蒸汽循环 埃及2000120-140ISCCS 以色列2001100蒸汽循环 印度2001100蒸汽循环 摩洛哥230（PV30-50）ISCCS 西班牙/德国20045DSG 美国南部20062*50 蒸汽循环 6h热储存 美国内达华州200664蒸汽循环 DISS/Spain SEGS /USA 一、太阳能塔式发电系统 二、太阳能槽式发电系统 三、太阳能碟式发电系统 四、太阳能热发

14、电系统总结 碟式太阳能热发电系统是利用旋转抛物面的碟 式反射镜将太阳聚焦到一个焦点，接收器在抛物 面的焦点上，接收器内的传热工质被加热后，驱 动发动机进行发电。和槽式系统类似，碟式系统 太阳能接收器的位置也是不固定的，随着碟形反 射镜跟踪太阳的运动而运动，因此可以克服塔式 系统较大余弦效应造成的损失，光热转换效率大 大提高。和槽式不同的是，碟式接收器将太阳聚 焦于旋转抛物面的焦点上，而槽式接收器则将太 阳聚焦于圆柱抛物面的焦线上。 碟式太阳能发电系统包括： (1)碟式太阳能收集器； (2)斯特林发动机； (3)发电站自动控制系统 具有寿命长、效率高（30%）、灵活性强等特点， 可以单台供电，也

15、可以多套并联使用，适合边远 地区发电。 构件一：碟式太阳能收集器 碟式太阳能收集器的主体是碟状抛物面聚焦型反射 镜。由于碟状抛物面镜是一种点聚焦集热器，其聚光 比高达数百到数千，可以产生非常高的温度。碟状抛 物面镜直径一般在10-20m之间，聚光比约1 0004 000。 抛物面盘采用背面镀银玻璃或正面贴有反光薄膜的铝 材制成。 构件二：热机 碟式太阳能发电系统中，应根据热力循环方式选 用不同的热机，通常采用的热力循环有斯特林(Stirling) 循环和布雷顿(Brayton)循环两种，前者使用的热机是 斯特林发动机（已大规模使用），后者使用燃气轮机 。除这两种循环外，还有一种郎肯循环正处于研

16、发探 索阶段。 构件二：热机-斯特林原理 斯特林外燃机是一种外燃的闭式循环往复活塞式 热力发动机。新型外燃机使用氢气作为工质，在4个封 闭的气缸内充有一定容积的工质。气缸一端为热腔， 另一端为冷腔。工质在低温冷腔中压缩，流到高温热 腔中迅速加热，膨胀做功。燃料在气缸外的燃烧室内 连续燃烧，通过加热器传给工质，工质不直接参与燃 烧，也不更换。 外燃机可以燃烧各种可燃气体，也可以燃烧柴油、 液化石油气等液体燃料，还可以利用太阳能等。只要 热腔达到700OC，设备即可做功运行，环境温度越低， 发电效率越高。 构件二：热机-斯特林循环 斯特林循环由4个换热过程组成：1-2为等温压缩， 热量从工质传递给

17、外部低温热源；2-3为等容过程，热 量从回热器传给工质；3-4为等温膨胀，热量从外部高 温热源传递给工质；4-1为等容过程，热量由工质传递 给回热器。 构件二：热机-斯特林循环 斯特林循环利用高温高压的氢气或氦气作为工质 ，通过2个等容过程和2个等温过程组成可逆循环。气 缸中装有2个对置的活塞，中间设置1个回热器用于交 替的吸热和放热，活塞和回热器之间为膨胀腔和压缩 腔。膨胀腔始终保持高温，压缩腔则保持低温。 构件二：热机-斯特林循环 构件三：自动控制系统 为了保证太阳能发电站安全稳定运行，配备了微 机控制系统。 控制系统的主要功能如下： (1)碟状抛物面集热器采用双轴跟踪，控制系统主要功 能

18、是使反射镜精确地跟踪太阳。 (2)太阳能发电站内装有测量环境模拟量的传感器，包 括日照度、风速、风向和环境温度等，控制系统应保 证太阳能发电站的安全经济运行。 系统特点：优点 系统组成简单、体积小、重量轻、效率高等； 可独立运行供电，也可以模块组合成碟群，其装机 容量为几十至几百千瓦，甚至到兆瓦级； 碟式斯特林太阳能热发电系统可以与生物质能气化 发电系统结合起来，构成太阳能生物质能混合发电 系统。其基本原理是当太阳落山或阳光不足时，斯特 林外燃机自动关闭热腔改为生物质燃气发电，一机两 用，节省了蓄电池投资，提高了设备的利用率。 系统特点：缺点 造价昂贵，在三种系统中也是位居首位. 尽管碟式系统

19、的聚光比非常高，可以达到2000的 高温，但是对于目前的热发电技术而言，如此高的温 度并不需要甚至是具有破坏性的； 热储存困难，热熔盐储热技术危险性大而且造价高。 2002年，美国能源部在内华达实施1MW的碟式系统；2004年，美 国SES公司(Stirling Energy Systems)在Sandia国家实验室建造出5套 25kW碟式斯特林（Stirling）系统；2005年8月，SES公司实施由40 套25kW系统组成的1MW碟式项目。 一、太阳能塔式发电系统 二、太阳能槽式发电系统 三、太阳能碟式发电系统 四、太阳能热发电系统总结 塔式塔式槽式槽式碟式碟式 工作温度（OC）50010

20、002604005001500 太阳聚光倍数60010008802003000 光热转换效率(%)607085 年净效率(%)11167201225 投资成本(和其他 燃料组成混合系统) (万元/kW) 3.42.24.7 投资成本(单独使 用太阳能发电) (万 元/kW) 4.84.46.4 u内蒙古50MW级槽式太阳能热发电示范项目位于内蒙古鄂尔 多斯市杭锦旗境内巴拉贡可再生能源开发区； u厂址平均海拔高度1160米，地势属高原丘陵，地貌属于荒漠 草原； u全年主导风向为西南，年平均风速4.1米/秒，最大风速28.7 米/秒 u内蒙古50MW级槽式太阳能热发电示范项目本期开发建设 85MW

21、，太阳能集热面积为510120平方米 ，安装1台85MW凝 汽式汽轮发电机组 u在太阳能热电站内拟建设一座110千伏升压站，电站所发电 量以单回110千伏线路送至库布其220千伏变电站110千伏侧； u项目技术方案的系统配置分为以下几部分：聚光集热系统、 换热系统和发电系统； u聚光集热系统由槽式抛物面反光镜、支架、集热管和跟踪装 置构成； u换热系统由预热器、蒸汽发生器、过热器和再热器组成。当 工质为导热油时，采用双回路； u发电系统部分与常规火力发电厂的技术要求和配置基本相同； 名称参数单位 预热器 给水温度，进口240 给水温度，出口312 导热油温度，进口325 导热油温度, 出口301 蒸汽发生器 蒸汽压力（饱和）Bar103 导热油温度，进口380 导热油温度, 出口325 过热器 蒸汽温度，进口