《新能源技术》课件-2太阳能热发电

太阳能发电第二章2一、太阳能发电的优缺点优点安全可靠，使用寿命长，运行费用少，维护简单，随处可用，不需要长距离输送，没有活动部件、不容易损坏，无噪声，不需要燃料，不污染环境等。缺点太阳能能量密度低、间歇性、不稳定性。3二、太阳能发电的分类通过热过程的：太阳能热发电（塔式发电、抛物面槽式聚光发电、碟式太阳能发电等）不通过热过程的：光伏发电、光感应发电、光化学发电、光生物发电等。实际应用比较多的太阳能发电可分为太阳能热发电和太阳能光发电（又称为光伏发电）两大类。4三、太阳能热发电定义：太阳能热发电是将太阳辐射能转换为热能，再通过各种发电装置将热能转换为电能的发电技术。5三、太阳能热发电太阳能热发电系统的组成太阳能热发电系统太阳能集热系统蓄热与换热系统汽轮机发电系统太阳能集热子系统吸热与输送热量子系统蓄热子系统蒸汽发生系统动力子系统发电子系统6三、太阳能热发电太阳能热发电的工作原理太阳能热发电的集热系统用聚光集热装置将太阳能收集起来，将集热工质加热到一定的温度，经过换热器将热能传递给动力回路中循环做功的工质，或产生高温高压的过热蒸汽驱动汽轮机、再带动发电机发电；从汽轮机出来的乏汽，其压力和温度已大大降低，经冷凝器凝结成液体后，被重新泵入换热器，开始新的循环。太阳能热发电与常规的化石能源热力发电方式的热力学工作原理相同，区别仅在于两者的热源不同。7三、太阳能热发电蓄热子系统的作用由于太阳能供应不稳定、不连续，为保障热发电系统稳定运行，通常在系统中配置蓄热子系统，将收集到的太阳能存储起来，以保证在夜间或太阳辐照不足时的发电；或是将太阳能与其他能源组成综合互补的发电系统，在太阳能供应不足的情况下，由其他形式的能源供应。8三、太阳能热发电目前还没有成熟的低成本蓄热技术；而太阳能与其他能源组成综合互补的发电系统则可以降低太阳能发电的成本，虽然与太阳能热发电的初衷有悖，但仍不失为实际应用中的选择。在一般商业化的太阳能电站，化石燃料的贡献一般限制在总发电量的15%以内。91.槽式太阳能热发电系统（一）槽式太阳能热发电系统的基本原理槽式太阳能热发电系统，是利用槽式抛物面反射镜聚光的太阳能热发电系统的简称。槽式抛物聚光镜面从几何上看是将抛物线平移而形成的槽式抛物面，它将太阳光聚在一条线上，在这条焦线上安装有管状集热器，以吸收聚焦后的太阳辐射能。槽式太阳能热发电系统常常将众多的槽式抛物面串并联成聚光集热器阵列，其槽式抛物面对太阳辐射多进行跟踪控制（设备轴线南北放置，然后东西旋转跟踪），几何聚光比在10~100之间，温度可达400℃左右。10（二）槽式太阳能热发电系统组成聚光集热子系统换热子系统发电子系统蓄热子系统辅助能源子系统11槽式太阳能热发电系统框图槽式集热器把导热液加热到至400度左右

传热液通过热交换器把水加热成300度左右的蒸汽水蒸气去推动蒸汽轮机旋转带动发电机发电长长的管路需专业泵来推动导热液的循环

12（二）槽式太阳能热发电系统组成聚光集热子系统：由聚光镜、接收器和跟踪装置构成是系统的核心。13槽式太阳能热发电系统的聚光集热子系统吸收管槽式抛物面反光器集热管采用直通形式，内有金属吸热管，用来吸收太阳光加热内部的传热液体，一般用不锈钢制作，管外壁外有黑色吸热涂层。为了减小热量散发，集热管外层装有玻璃套管，在玻璃套管与吸热管间有空隙并抽真空。14抛物面聚光集热器旋转抛物面聚光镜根据光学原理，与抛物镜面轴线平行的光将会聚到焦点上，焦点在镜面的轴线上。把接收器安装在反射镜的焦点上，当太阳光与镜面轴线平行时，反射的光辐射全部会聚到接收器旋转抛物面聚光集热器的聚光比范围非常高，约500至3000，最高聚热温度500度至3000度。15抛物面聚光集热器抛物柱面集热器由抛物线向纵向延伸形成的面称为抛物柱面。抛物柱面集热器也叫槽式集热器，由于柱状抛物面的光线是会聚到一条线（带）上，故接收器是长条形的，一般由管状的接收器安装在柱状抛物面的焦线上组成。抛物柱面聚光集热器的聚光比范围约20至80，最高聚热温度250度至400度。16槽式太阳能热发电系统组成2.换热子系统：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。一般由预热器、蒸汽发生器、过热器和再热器组成。直接采用水为工质，可简化此子系统。17槽式太阳能热发电系统组成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蔽间隙必须依靠储存的能量维持系统正常运行。蓄热的方法又要有显式、潜式和化学蓄热三种。18槽式太阳能热发电系统框图槽式集热器把导热液加热到至400度左右

可能云彩会挡住阳光，为保证系统稳定运行，在系统中要有储热装置，一般有高温储热罐与低温储热罐等

水蒸气去推动蒸汽轮机旋转带动发电机发电长长的管路需专业泵来推动导热液的循环

19槽式太阳能热发电系统组成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。20槽式太阳能热发电系统组成聚光集热子系统换热子系统发电子系统辅助能源子系统21槽式太阳能热发电系统管式热交换装置22太阳跟踪装置太阳能集热器只能收集太阳的直射光线，而对散射部分无能为力，因此集热器的聚光系统必须使光轴指向太阳，即跟踪太阳。由于太阳时刻处于运动状态，再加上自然天气随时变化，因此全天候、全自动太阳跟踪装置的设计就成了一个难点23太阳的视运动我们站在大地上看到太阳从东方升起，经过天空再到西方降落，这本是地球自转形成的现象，为分析方便我们假设太阳是绕我们作圆周运动，称之为视运动。

24跟踪太阳的控制检测方式根据视日运动轨迹跟踪和和传感器联合控制集中了二者的优点。现在越来越多地被采用。程序计算聚光镜的位置和太阳轨迹，再利用传感器进行校正，以避免累计误差。25槽式太阳能热发电的特点槽式太阳能热发电系统具有规模大、寿命长、成本低等特点，非常适合商业并网发电。26槽式太阳能热发电系统应用情况美国鲁兹（LUZ）公司是槽式太阳能热发电技术应用的先行者，1985~1991年间，LUZ公司在美国南加州先后建成9座槽式太阳能热发电站（SolarEnergyGeneratingSystem，SEGS），总装机容量353.8MW，是世界上规模最大、成效最高的太阳能热发电工程。27SEGS电站采用的衍架式聚光器阵列2.1.3塔式太阳能热

发电系统TowerSolarPowerSystem

291.塔式太阳能热发电系统的原理塔式太阳能热发电系统是一种中央式聚光的太阳能热发电系统。该系统由定日镜阵列将入射太阳光反射和汇聚于设置在高塔上的中心接收器的吸收表面，产生高温高压蒸汽或气体（550~700℃），驱动发电系统发电。302.塔式太阳能热发电系统的构成聚光子系统（定日镜群和跟踪装置）集热子系统发电子系统蓄热子系统辅助能源子系统31塔式太阳能热发电系统示意图集热子系统32332.1聚光子系统包括：定日镜群和跟踪装置341）聚光子系统的特点（1）由于塔式电站具有庞大的定日镜场，每台定日镜都需单独控制跟踪太阳，所以在塔式太阳能热电站中定日镜控制系统最为复杂。（2）定日镜的控制一般采用计算聚光镜位置和太阳轨迹的程序控制，存在积累误差需要定期校正（3）定日镜是塔式太阳能热发电系统的技术及投资关键，是投资最大的部件，其成本占总投入的一半以上。352.1聚光子系统（4）定日镜分布在塔的周围，在北方纬度较高地区，太阳高度低，在塔南部的定日镜利用率低，定日镜分布在塔北部较合适；在低纬度地区可在塔四周分布定日镜。362.2塔式太阳能热发电系统的集热子系统构成：定日镜场中间或南方的竖塔竖塔顶部的接收器竖塔的高度取决于电站的容量接收器是系统的核心部件，其功能是将太阳能转化为工作流体的热能。37塔式太阳能热发电系统的聚光集热子系统38（1）非成像聚光太阳能集热器聚光太阳能集热器由聚光器与接收器组成，非成像聚光太阳能集热器顾名思义是聚光器的光线不是会聚到一点（或一线）上，而是会聚到一块接收器的面上，也可获得高强度太阳能。非成像聚光太阳能集热器形式较多，主要有球形面聚光集热器、复合抛物面聚光集热器、条形面聚光集热器、塔式集热器等。39（2）塔式集热器多平面聚光集热器也称为塔式集热器，接收器安装在高塔顶部，在塔周围分布许多平面镜（定日镜），所有定日镜都把太阳光反射到塔顶的接收器上，以达到聚光目的。多平面聚光集热器的聚光比范围约1000至3000，最高聚热温度500度至2000度。40（3）塔式接收器塔式接收器是把太阳光能转换成热能的装置，根据采用的导热介质不同而不同，目前主要有外部受光型与空腔型。41外部受光型接收器太阳光直接照射到接收器的吸热部件上再传给导热介质，一些技术类似于太阳能集热器，但塔式接收器的工作温度很高，体积大，受光面积至少比一个平面定日镜面积要大许多。排管式接收器如右图，若干直管排成圆筒状，每根管上端接上联管、下端接下联管，所有直管通过联管并联，排管表面涂覆吸热材料。上联管与下联管外有保温层与外壳（图中未表示）。导热介质从下联管进入通过排管从上联管出，会聚的阳光加热排管，导热介质也就被加热了。缺点是热管直接暴露而产生热量散失。能否像普通集热器那样加上玻璃外套抽真空，事实上很困难，因为接收器体积太大。

42空腔型接收器空腔型即腔体式接收器，用耐高温材料制成的空腔，空腔一面开口装有透光好耐高温的石英玻璃，腔内壁有金属网以增大吸热与交换面积。腔内似绝对黑体，吸热性能很好，会聚的阳光透过石英玻璃窗口能在腔内产生很高温度，传热的工作介质（一般用高压空气）通过腔内被加热成1000多度的高温气体输出。由于腔体有保温层，故热损失小，空气价格又便宜，但空气热容量小、导热系数低，如何高效传热是主要的技术问题。腔体式接收器目前多是只有一面开窗的，故接受阳光的角度是有限的，一般不超过120度。432.3热传输与交换系统接收器的工作介质通常采用熔盐液，熔盐液在接收器中加热到600余度输送到高温储热装置，在热交换装置中将水加热成高温蒸汽后进入低温储热装置保存（约280度）。熔液泵再把低温的熔盐液送入接收器加热。442.3热传输与交换系统（2）为了避免高温熔盐液温度的散失，在接收器就近的地方安装热交换器，上图是在塔架上安装热交换器。高温熔盐在高温热交换器中把中间介质（传热油之类）加热到500余度，传热油在储热装置内储存并通过热交换器产生高温蒸汽。452.3热传输与交换系统（3）对于腔体式接收器则直接把高压空气加热到1千多度去推动气轮机，推动气轮机后的气体仍有较高温度，再通过热交换器加热水生成蒸汽，水蒸气再去推动汽轮机，有效利用热量。462.4其他子系统塔式太阳能热发电系统的发电子系统、蓄热子系统和辅助能源子系统的功能和槽式太阳能热发电系统的基本相同。473.塔式太阳能热发电系统的特点塔式太阳能热发电系统具有规模大、热传递路程短、热损耗少、聚光比较高和温度较高等特点，极适合于大规模并网发电，是近年来建设的获得大功率发电能力的一种太阳能热发电系统。484.塔式太阳能热发电系统的应用情况1950年，前苏联设计了世界上第一座塔式太阳能热发电站的小型试验装置。同年，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的塔式太阳能热电站，额定功率1000kW。1980年，美国在加利福尼亚州南部Barstow沙漠地区附近兴建了一座大型塔式太阳能热电站Solarone，额定功率为10MW。20世纪90年代后期，以色列威兹曼科学研究院对塔式系统进行了改进，是系统的总发电效率达到25%~28%494.塔式太阳能热发电系统的应用情况在我国，由南京春晖科技实业有限公司、河海大学新材料新能源研究开发院联合建设的国内首座“70kW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。505.我国70kW塔式太阳能热发电系统构成定日镜装置高温接收器装置燃气机发电机组相应的水冷却系统天然气供气系统控制系统516.我国70kW塔式太阳能热发电系统的主要技术指标塔高：33m额定功率：70kW效率：≥20%采用32面20m2定日镜双轴跟踪误差≤2m/rad镜面反射率≥85%接收器为以空气为介质的空腔式结构，工作温度≥900℃2.3碟式太阳能热发电系统DishSolarThermalPowerSystem

531.碟式太阳能热发电系统基本原理碟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，或者在焦点处直接放置太阳能斯特林（Stiring）发电装置发电。1.1斯特林发动机这种发动机是伦敦的牧师罗巴特斯特林（RobertStirling）于1816年发明的，所以命名为“斯特林发动机”（Stirlingengine）。斯特林发动机是独特的热机，因为他们理论上的效率几乎等于理论最大效率，称为卡诺循环效率。斯特林发动机是通过气体受热膨胀、遇冷压缩而产生动力的。这是一种外燃发动机，使燃料连续地燃烧，蒸发的膨胀氢气（或氦）作为动力气体使活塞运动，膨胀气体在冷气室冷却，反复地进行这样的循环过程。552.碟式太阳能热发电系统的效率碟式太阳能热发电系统聚光比可达到3000以上，这样使接收器的吸热面积可以很小，从而达到较小的能量损失，同时可使接收器的接收温度达800℃以上，因此碟式太阳能热发电的效率非常高，目前该系统太阳能转化电能的效率达到了30%。563.碟式太阳能热发电系统的构成旋转抛物面聚光器接收器跟踪装置热机系统等碟式太阳能热发电系统组成整片的旋转抛物面反射镜与斯特林机组支架固定在一起，跟踪转动装置安装在机座的支柱上，斯特林机组安装在斯特林机组支架上，机组接收器在旋转抛物面反射镜的聚焦点上碟式太阳能热发电系统的各个组成部分583.1聚光器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，是由多块镜片拼接而成。3.1聚光器一般几kW的小型机组用多块扇形镜面拼成圆形反射镜也有用多块圆形镜面组成

3.1聚光器大型的一般用许多方形镜片拼成近似园形反射镜

613.2.接收器接收器是碟式太阳能热发电系统的核心部件它包括直接照射式间接受热式接收器62接收器633.3热机系统碟式太阳能热发电系统中采用的热力循环一般有两种：斯特林（stiring）循环和布雷顿（Brayton）循环。应根据热力循环方式选用不同的热机，前者使用的热机为斯特林发动机，后者使用燃气轮机。斯特林循环是目前碟式太阳能热发电技术中研究和应用最多的一种。热机系统644.碟式太阳能热发电系统的特点碟式太阳能热发电系统每个功率为数十千瓦（小的为数千瓦），碟式太阳能热发电系统可单独存在，也可多台组成碟式太阳能热发电场。寿命长、效率高、灵活性强.体积小、投资少、安装方便具有比较大的发展潜力，主要适合于分布式应用.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。655.碟式太阳能热发电系统的应用情况从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。1982年美国加州建成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1090℃，光电转换效率达29%，最大功率2