太阳能光热发电技术介绍(三)

太阳能光热发电技术介绍（三）碟式和菲涅尔式太阳能光热发电介绍CONTENTS一碟式光热电站介绍二菲涅尔式光热电站介绍一碟式光热电站介绍IntroductionofDisc-typephotothermalpowerstation1碟式光热电站介绍碟式太阳能光热发电是世界上最早出现的太阳能光热发电系统，也称为抛物面反射镜斯特林系统，是由许多镜子组成的抛物面反射镜，通过聚光，接收器内的传热介质被加热后，驱动斯特林发动机进行发电。碟式系统的聚光比非常高，从几百至上千都可达到，聚焦温度甚至可以达到1000℃以上，效率较高，对于地面坡度要求也更为灵活。但成本上还缺少优势，技术上也有待于完善。碟式系统较适用于边远地区独立电站。可以单台使用或多台并联使用，适宜小规模发电。碟式太阳能光热发电系统主要由碟式聚光镜、太阳能接收器、斯特林发动机、发电机组成，目前峰值转换效率可达30%以上，很有发展前途。碟式太阳能光热发电系统每个功率为数十千瓦（小的为数千瓦），可单独存在，也可多台组成碟式太阳能热发电场。2碟式抛物面反射镜碟式太阳能光热发电系统采用旋转抛物面汇聚太阳光，旋转抛物面是抛物线绕轴线旋转形成的面。每个碟式太阳能热发电系统都有一个旋转抛物面反射镜用来汇聚太阳光，该反射镜一般为圆形像碟子一样，故称为碟式反射镜。由于反射镜面积小则几十平方米，大则数百平方米，很难造成整块的镜面，所以一般是由多块镜片拼接而成。跟踪转动装置由跟踪控制系统控制，保证抛物面反射镜对准太阳，把阳光聚集在斯特林机组的接收器上。斯特林发动机斯特林发动机是一种外燃机，依靠发动机气缸外部热源加热工质进行工作，发动机内部的工质通过反复吸热膨胀、冷却收缩的循环过程推动活塞来回运动实现连续做功。由于热源在气缸外部，方便使用多种热源，特别是利用太阳能作为热源。碟式抛物面聚光镜的聚光比范围可超过1000，能把斯特林发动机内的工质温度加热到650度以上，使斯特林发动机正常运转起来。在机组内安装有发电机与斯特林发动机连接，斯特林发动机的机械输出有直线运动或旋转运动，可带动直线发电机或普通旋转发电机。碟式太阳能使用的斯特林发电机组的前端有太阳能接收器，为斯特林发电机组提供加热源，冷却器通常用风冷，利用风扇直接散热，使工质温度接近外界空气温度。3斯特林发电机组4太阳能接收器在斯特林发动机前端有太阳能接收器，同时也是是斯特林发动机的加热器。常用有直接加热式太阳能接收器和间接加热式太阳能接收器。碟式太阳能使用的斯特林发电机组结构非常紧凑，太阳光的热量直接加热了斯特林发动机的加热器，没有热能储存装置，没有阳光，机组就立即停止运转，不像槽式、塔式太阳能发电系统都有储热装置，相比起来这也是碟式太阳能发电系统的不足之处。直接加热式太阳能接收器中U形吸热管一头直接通到斯特林发动机的热气缸上，另一头连通到通往回热器的汇集管上，多根U形管密集排成一圈组成管簇，构成斯特林发动机的加热器。U形管向园中心外侧弯曲，整个管簇犹如盘状，以便接受汇聚的太阳光。U形管管簇有较大的接受阳光面积与较好的流通性，使高速通过的工质迅速得到加热。工质多为氦气或氢气，传热快，换热性能好。由于太阳光直接照射在加热器管簇上，直接加热内部的工质，故称之为直接加热式接收器。加热器管簇安装在接收器外壁内，在前方有透明度很高的石英玻璃保证太阳光照射在管簇上。直接加热式太阳能接收器间接加热式太阳能接收器多数是利用介质的相变来实现热量传递，主要有池沸腾接收器、热管式接收器以及混合式热管接收器。其中池沸腾接收器是目前较新式、常用的太阳能接收器。池沸腾接收器外壳呈园台状，直径小的一端与气缸端密闭，直径大的一端为汇聚的太阳光入口，入口端的密封板是吸热面，接收器内抽真空，注入适量钠液。有钠液的接收器工作原理类似热管，聚集的太阳光加热钠液，钠液被加热到约700度蒸发，钠蒸汽上升遇到比它温度低的U形管，把热量传给U形管后钠蒸汽又凝结成钠液，钠液由于重力流回吸热板，在阳光加热下又蒸发为蒸汽，整个接收器内部空间呈汽液两相共存状态，就是一个大热管。为增加钠液与吸热板的接触面积，在吸热板内面有一层特殊结构能吸附钠液使之不流下，称之为吸液芯结构。也可以在吸热板内壁刻许多密集的微形孔槽，阻止钠液下流，称之为微槽板结构。池沸腾接收器内的各U形加热管受热均匀，相变传热效率高，是一种较好的结构形式。

间接加热式太阳能接收器（池沸腾）二菲涅尔式光热电站介绍IntroductiontoFresnelphotothermalpowerstation1线性菲涅尔光热电站介绍线性菲涅尔光热发电系统工作原理类似槽式光热发电，只是采用菲涅尔结构的聚光镜来替代抛面镜。这使得它的成本相对来说低廉，但效率也相应降低。此类系统由于聚光倍数只有数十倍，因此加热的水蒸气质量不高，使整个系统的年发电效率仅能达到10%左右；但由于系统结构简单、直接使用导热介质产生蒸汽等特点，其建设和维护成本也相对较低。线性菲涅尔光热电站工作原理图示2线性菲涅尔聚光反射镜线性菲涅耳主聚光镜为条形平面玻璃反射镜，每条反射镜两端有转轴，其轴线与条反射镜中轴线平行，贴近条形平面玻璃反射镜反面，每个反射镜可绕转轴转动，有独立的驱动装置，是一个单轴太阳跟踪反射镜。每个条形反射镜通过自身的驱动装置转动，跟踪阳光使照在条形反射镜上的阳光反射到上方的接收器（集热器）。多个条形反射镜共同把阳光反射到接收器，达到聚光效果。若干个条形平面玻璃反射镜组成整套的单轴太阳跟踪聚光反射镜系统。由于条形平面玻璃反射镜不具备聚焦能力，故该线性菲涅尔反射镜属非成像聚光装置。线性菲涅尔聚光装置结构相对简单、风载荷较低、接收器固定安装，整个结构较稳定。反射镜除了采用平面镜外，也可以采用略带弧形的反射镜，犹如槽镜一般，只是略带弧面而已，可以起到一定的聚光效果，这样可以采用较宽的条形反射镜，较窄的接收器，条形反射镜的数目也可少一些，减化结构与控制机构。略带弧面的反射镜无需专门制作，利用框架的作用使镜片略作弹性形变即可。正向太阳光照射示意侧向太阳光照射示意线性菲涅尔反射镜3线性菲涅尔聚光反射装置布置线性菲涅尔聚光装置总体来说是单轴跟踪系统，一般来说采用东西方向水平布置，可以在一天的大部分时间把阳光聚集到接收器。但在纬度高的地区，为减小条形反射镜之间的遮挡，可将整排反射镜向阳光方向倾斜。线性菲涅尔聚光装置也可以采用极轴跟踪方式布置，将聚光镜的轴平行于地轴线安装，这样的布置属于南北方向布置，显然这样布置限制了条式聚光镜的长度，如果正好有合适地形，可在南坡上布置，倾斜角度尽量与当地纬度相近。向南倾斜安装方式示意4线性菲涅尔系统接收器线性菲涅尔聚光镜把阳光聚集到接收器，由于条形聚光镜是平面的，不可能形成线聚集，每条反射镜反射出的是一条平行光束，在接收器上形成一条光带。所以接收器应有一定的宽度，宽度与条形反射镜宽度相近，窄了会漏掉反射光，宽了会过多遮挡到条形反射镜的阳光。对于略带弧形的条形反射镜，接收器宽度可相对窄一些。线性菲涅尔聚光器的接收器结构主要有以上3种，在实际应用中是反扣朝向下方的。排管式结构采用多根集热管排在一起，管外壁涂覆有吸热体涂层，排管宽度接近条形反射镜宽度，排管安装在一个平底槽内，可以吸收平面镜反射光束的全部能量。排管式接收器结构简单，但接受的阳光的聚光比低，约10至20，很难形成高温高压蒸汽。排管集热器为了得到较高的聚光比，需要把条形反射镜反射的光线进一步聚焦，也就是利用次级反射镜二次聚焦，次级反射镜的弧面近似抛物线。由于任何弧面都不可能把来自不同方向的光线汇聚到同一焦点（焦线）上，所以仍采用了少量排管来接受次反射镜的反射光，管外壁涂覆有吸热体涂层。由于该反射镜的光源是条形反射镜反射来的光线，故称为次级反射镜。次级反射镜的二次聚光可使整个条式菲涅尔聚光装置的聚光比提高到数十倍。次反射镜背面覆有隔热层，减少热量的散失，有些还在次反射镜口盖玻璃，减少热量的对流损失。单弧面次反射镜双弧面反光镜结构的聚光比单弧面有所改善，比较好的弧面是复合抛物面聚光CPC反射镜，由对称的两段抛物线与渐开线组成。在CPC反射镜内设一较粗的集热管，管外壁涂覆有吸热体涂层。双弧面次反射镜5线性菲涅尔光热发电系统线性菲涅尔聚光装置的聚光倍数只有数十倍，因此对介质的加热温度不太高，可直接用水作介质，也就是说直接把水加热成蒸汽推动蒸汽机。这样系统很简单，除了线性菲涅尔聚光装置外，只需蒸汽轮机、发电机、冷凝器、水泵配套即可，称为一次通过式菲涅尔聚光太阳能发电系统。由于接收器不具备汽水分离能力，输出的蒸汽中会有液态水存在，这样的蒸汽不利于汽轮机运行，必须进行汽水分离，把分离出来的蒸汽进一步加热成过热蒸汽去推动汽轮机，把分离出来的水送回接收器加热。一次通过式菲涅尔太阳能发电系统循环式线性菲涅尔聚光集热装置分为两部分，其中一级菲涅尔聚光集热装置把水加热成含水的水蒸气，含水的水蒸汽进入汽水分离器，分离出的水通过水泵再次进入一级菲涅尔聚光集热装置加热，分离出的蒸汽则送入二级菲涅尔聚光集热装置继续加热成为过热蒸汽，过热蒸汽推动汽轮机可以提高汽轮机的效率，这样的组成成为循环式菲涅尔太阳能发电系统。二级菲涅尔聚