2第二章 太阳能发电技术

1、第二章太阳能发电技术目前，较为成熟的太阳能发电技术是光伏发电和太阳能热发电。第一节太阳能热发电概述太阳能发电分为太阳能直接光发电和太阳能间接光发电。太阳能直接光发电有太阳能光伏发电、太阳能光感应发电等。太阳能间接光发电有太阳能热发电、太阳能光化学发电、太阳能光生物发电 等。太阳能热发电分为太阳能热直接发电和太阳能热间接发电。太阳能热直接发 电有太阳能热离子发电、太阳能热光伏发电、太阳能热温差发电和太阳能热磁 流体发电等。太阳能热间接发电分为非聚光类太阳能热发电（低温）和聚光类 太阳能热发电（中、高温）。非聚光类太阳能热发电有太阳池热发电、太阳能热 气流发电等。聚光类太阳能热发电有塔式太阳能热发

2、电、槽式太阳能热发电、 碟式太阳能热发电。聚光类太阳能热发电是通过聚光产生高温，再通过各种发电装置将热能转换 为电能，效率较高，具有应用前景。太阳能热发电系统一般由六部分组成：（1）太阳能集热子系统：将分散的、功率密度低的太阳能聚集。（2）吸热与输送热量子系统：吸收聚集的太阳热量，输送给工质。这两部分简称为太阳场，是太阳能发电系统的核心。（3）蓄热子系统：将多余的太阳热量储存起来，以便太阳辐射不足或夜间 也能发电。使发电装置能稳定运行。（4）蒸汽发生系统：将热量专递给工质，使温度、压力提高。（5）动力子系统：蒸汽膨胀做功。（6）发电子系统：将机械能转化为电能。除热源外，太阳能热发电与常规化石能

3、源热力发电方式热力学工作原理相同，都是通过Rankine （兰金、郎肯）循环、Brayton （布雷顿）循环或Stirling（斯特林）循环将热能转换为电能。1 - 2过热水蒸气在汽轮机内等炳膨胀，变成 湿蒸汽，同时对外输出轴功，3 - 4冷凝水在水泵中等炳压缩，进回全锅炉;4- 1水在锅炉中吸收热量，完成预热、气化、 过热三阶段过程，变成过热水蒸气。Rankine 循环恒压加热Constant pressure heat addition .Brayton CycleOpen-cycle gas-turbineBrayton Cycleclosed-cycle gas turbine恒压加热

4、Constant pressure heat additionConstant pressure heat rejectionBrayton （布雷顿）循环斯特灵发动机是通过气体受热膨胀、遇冷压缩而产生动力的。它包含了一定量的气体，这些气体在“冷”端（通常是室温）和“热”端（通常由煤油或酒 精燃烧进行加热）之间运动。位移活塞推动着气体在两个“端”之间运动。伴随 着气体的膨胀和压缩，动力活塞也改变了发动机内部的体积。演示槽式太阳能热发电系统槽式太阳能热发电是将多个槽型抛物面聚光集热器经过串并联的排列，产生 高温，加热工质，产生蒸汽，驱动汽轮机发电机组发电的系统。槽式太阳能热发 电系统具有规模大、

5、寿命长、成本低等特点，非常适合商业并网发电。整个系统 包括聚光集热子系统、换热子系统、发电子系统、蓄热子系统和辅助能源子系 统。(1)聚光集热子系统。是系统的核心，由聚光镜、接收器和跟踪装置构成。作用是收集太阳能量，加热工质。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。（3）发电子系统。基本组成与常规发电设备类似，但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。（4）蓄热子系统。太阳能热发电系统在早晚或云遮间隙必须依

6、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。（5）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，否则 蓄热系统过大会弓起初始投资的增加。一种双回路槽式太阳能热发电系统工作原理如图：槽式太阳能集热器场MW W 彳热交换装置Ag曰se低温储热装置给水泵汽轮机 发电机局温储热装置一种单回路槽式太阳能热发电系统工作原理如图:汽水水在19851991年间，美国在南加州先后建成9座槽式太阳能热发电站，总装机容量353.8MW,是世界上规模最大、成效最高的太阳能发电工程。以最为典型的80MW装机容量的SEGS电站为例，其主要技术特征为槽式 抛物面反射镜东西向放置，

7、采用单轴跟踪技术。集热器为性能优越的LS-3型集 热器它使用的是真空管环形接收器，直径70mm的不锈钢管装在同心直径为115mm圆柱形玻璃套内，玻璃管上涂覆双层减反射膜，阳光透过率为0.965,玻璃管内保持真空以减少热损失，不锈钢管表面采用磁控溅射涂覆高温选择性吸 收涂层，其可见光吸收比达0.96,红外发射比为0.19，不锈钢管和玻璃套管间采 用可伐封接；集热器工作介质为导热油，工作温度为391C整个电站共使用了900个这样的太阳集热器。抛物面反射镜的开口面积达545m2,使用了 224块扇形玻璃镜片，镜片背面镀银，每片镜片由4个圆形托盘托附在支架上,支架上装 有太阳辐射传感器，经液压传动机构

8、驱动支架跟踪太阳,如遇恶劣天气，支架自 动翻转，镜面开口向下，从而使镜面和接收器得到保护。SEGS电站的循环效 率为38.5%,峰值太阳能热电转换效率为24%,年平均太阳能热电转换效率为14%。LS-3型集热器的工质是导热油，整个系统采用双回路设计，导热油在换热子系统中，产生高温水蒸汽进入汽轮机组发电。但是双回路不仅降低了系统效 率而且增加了设备投资。SEGSK电站采用LS-4型集热器，集热器中直接使用 水作工质，使电站的循环效率达40%,峰值太阳能热电转换效率为28%,年平 均太阳能热电转换效率为17%。槽式太阳能热发电另一典范是希腊的克里达电站。克里达电站位于希腊风景 如画的克里达岛，为了

9、保护这里的自然环境不被现代化工业所破坏,希腊政府 在岛上兴建了 50MW的克里达槽式太阳能热发电站，设计寿命25年，在阴天续 晚上采用燃烧矿物燃料方式供热。20世纪70年代，在槽式太阳能热发电技术方面,中科院和中国科技大学曾做过单元性试验研究。进入21世纪，南京春辉科技实业有限公司和河海大学新材 料新能源开发研究院联合组成攻关队伍，在太阳能热发电领域的太阳光方位传感器、自动跟踪系统、槽式抛物面反射镜、槽式太阳能接收器方面取得了突破 性进展。目前正着手开展完全拥有自主知识产权的槽式太阳能热发电试验装置, 预计2007年底将成功发电。3、塔式太阳能热发电系统塔式太阳能热发电系统的基本形式是利用独立

10、跟踪太阳的定日镜群,将阳光 聚集到一个固定在塔顶部的接收器上，用以产生高温。加热工质产生过热蒸汽或 高温气体，驱动发电机组发电，从而将太阳能转换为电能。塔式太阳能热发电系统包括聚光子系统、集热子系统、发电子系统、蓄热子 系统和辅助能源子系统。具有规模大、热传递路程短、热损耗少、聚光比和温 度较高等特点，极适合于大规模并网发电。（1）聚光子系统：包括定日镜群和跟踪装置。采用双轴跟踪，以确保每台定 日镜的反射光线进入集热系统的接收器内；定日镜微弧度的镜面保证太阳光聚 焦到塔顶的接收器；定日镜群的成本占总投入的一半以上。（2）集热子系统：包括定日镜场中间或南方的竖塔和竖塔顶部的接收器。竖塔的高度取决

11、于电站容量;接收器主要有空腔式和外露式两种型式，竖塔在镜 场中间时一般选用外露式接收器，竖塔在镜场南方时选用空腔式接收器。（3）发电子系统：按照工质是水还是气体选用汽轮机组或燃气轮机组,其基 本组成与常规发电设备类似,但需要设置工作流体在接收器和辅助能源系统之 间循环的切换装置。蓄热子系统：太阳能热发电系统在早晚或云遮间隙必须依靠储存的能 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。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，否则 蓄热系统过大会引起初始投资的增加。原理图美国太阳2号10MW1980年，由意大利等9个欧洲国家在西西里岛联合建造了世界首座并网运行

12、的塔 式太阳能热电站，这座电站塔高50米，镜场配置70台50m2和112台23m2的聚光 镜。电站的额定功率为1000kW,总占地2万平方米。每台聚光镜由两部电动机带 动实现了双轴跟踪，镜面把阳光聚集成光束反射到塔顶锅炉，锅炉内产生高达 500C的水蒸气驱动汽轮机发电机组发电。由于具有良好的储能设施，无论是白天 黑夜，阴天雨天都能保证连续发电。这里银光闪烁，被人们称为西西里岛的“聚 宝盆。1980年美国在加利福尼亚州南部别Barstow沙漠地区附近兴建了一座大型塔 式太阳能热电站Solar One,额定功率为10MW,占地7万多平方米，塔高90米， 采用了 1818台聚光镜，接收器内产生516

13、C水蒸汽驱动汽轮发电机发电。1996年，在Solar。口原址建造了 10MW的塔式太阳能热发电系统Solar Two。 Solar Tw（采用硝酸盐作为蓄热介质，接收器内的硝酸盐被加热到565C用来直 接生产蒸汽或储存在绝热的储槽内,供多云时段或日落后使用。由于增加了有效 的蓄热手段,日落后Solar 丁可能够向1万个家庭供电3个小时。该装置的设计商业 运行寿命为2530年。20世纪90年代后期，以色列魏兹曼科学研究院对塔式系统进行了改进,他们 利用一组独立跟踪太阳的定日镜，将阳光反射到固定在塔顶部的初级反射镜一 一抛物镜上，然后由初级反射镜将阳光向下反射到次级反射镜一一复合抛物聚 光器（CP

14、C），最后由CPC将阳光聚集在其底部的接收器上。通过接收器的空气 被加热到1200C推动燃气轮机发电机组，燃气轮机排放的500C左右气体再用于 推动另一台发电机组，从而使系统的总发电效率达到25%28%。近几年来，中国工程院院士张耀明教授带领南京春辉科技实业有限公司（南京玻璃纤维研究设计院三所）科技人员，在太阳能热发电研究领域中取得了自动 跟踪太阳、聚光、集热等方面的技术突破。由南京春辉科技实业有限公司、河 海大学新材料新能源研究开发院联合建设的国内首座“塔式太阳能热发电系统” 于2005年10月底在南京市江宁太阳能试验场顺利建成，并成功投入并网发电。经 过连续并网发电运行测试表明该发电系统在

15、运行稳定性、操控机动性、安全可 靠性等方面均达到研发建设目标。碟式太阳能热发电系统碟式（又称盘式）太阳能热发电系统是利用旋转抛物面反射镜，将入射阳光 聚集在焦点上，放置在焦点处的太阳能接收器收集较高温度的热能,加热工质，驱动发电机组发电；或在焦点处直接放置太阳能斯特林（String）发电装置发电。整个系统包括旋转抛物面反射镜、接收器、跟踪装置、热机系统。具有寿命 长、效率高、灵活性强等特点 可以单台供电，也可以多套并联使用。有广泛的 发展前景。碟式太阳能聚光比可达3000以上，接收器的面积小，能量损失少，接受器接 受温度可达800C,因此碟式太阳能发电的效率高，目前太阳能转化为电能的效 率达3

16、0%。一般旋转抛物面反射镜的直径为515米，系统功率为5-50kW。斯特林热机是目前碟式太阳能热发电技术中研究和应用最多的一种，成本与 光伏发电比较将显著降低，并且纯转化效率比光伏发电高一倍以上。热电联供 转化效率更是高达5倍，在太阳能住宅应用领域前景广阔。大功率地搜集汇聚太 阳能，用斯特林热机带动发电机发电，能够大功率地利用太阳能发电，是人类 利用太阳能这种可再生能源的一种很好的方式.用硅光电池光伏组件发电成本 很高，一般只能用于小规模太阳能发电，较难进行大容量电力网供电，斯特林 太阳能发电相对光伏系统太阳能发电成本要低得多，较成熟的斯特林太阳能发 电，只有光伏系统发电成本的1/51/10。

17、由于斯特林太阳能发电功率较大，可 以进入电力网供电。相对于槽式和塔式太阳能热发电技术，碟式太阳能热发电技术起步较晚，但 发展较快。从20世纪70年代末到80年代初由瑞典的USAB及美国的多家机构发起 研究，此后德国、韩国等国家的科研部门相继展开碟式太阳能热发电的研制开发, 并完成样机测试。在这项研究中，光电转换效率最高达29.4%,吸热器的效率为 65%90%。1982年美国加州建造了碟式斯特林太阳能热发电实验装置，其聚光器直径为 11m,由320个小镜面组成，镜面总面积89m2,焦距6.6m,工作温度达1090C,光 电转换效率29%,最大功率24.6kWo2004年，美国SES公司在San

18、dia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40套25kW成的1MW碟式系统，以便为 850MW电站建设积累经验。由德国研发的6套910kW碟式斯特林系统在西班牙PSA进行了商业化前夕 的示范，并累计达30000时的运行纪录。为进一步降低系统成本,SBP公司已实施 了由德国环境部资助的6台新碟式斯特林系统发展计划。1994年澳大利亚建造了一套旋转抛物反光镜面积达400 m2的50kW碟式系统， 工质为水，产生的蒸汽驱动汽轮机发电。国内上海交通大学、天津大学和南京航空航天大学等许多高等院校和中科 院、上海研究所等科研单位在碟式系统方面作过研究,并取得了很多宝贵经验。单台碟式太阳能发电机多台串并联的碟式太阳能发