太阳能转化原理与技术课件 第5-8章 光伏发电器件与系统-太阳能中低温热利用技术

太阳能转换原理与技术5.1光伏发电系统的分类5.2光伏电池阵列5.3储能设备5.4光伏逆变器5.5光伏控制器第五章光伏发电器件与系统离网光伏发电系统离网光伏发电系统的组成离网光伏发电系统是一种可脱离电网而独立运行的光伏系统，可为高原、海岛和山区等偏远地区提供电力。离网光伏发电系统缺点：容量小，难以并网，需储能并网光伏发电系统并网光伏发电系统需要与电网相连，并把光伏发电系统产生的电能通过并网逆变器输送给电网，通过电网的再次分配提供给用户负载。并网光伏发电系统又分为集中式并网光伏发电系统和分布式并网光伏发电系统。并网光伏发电系统集中式并网光伏发电系统集中式并网光伏发电系统：光照资源丰富的地区，该系统不经过蓄电池储能，可直接将光伏电池阵列所发的电能通过并网逆变器全部输入电网并网光伏发电系统分布式并网光伏发电系统分布式并网光伏发电系统，其特点是接近用电侧，便于就地消纳，可以减少输配电成本。因此，分布式并网光伏发电系统的设计原则是就近发电、并网、转换和使用。如屋顶式光伏系统、幕墙式光伏系统、渔光互补式光伏系统和农光互补式光伏系统5.1光伏发电系统的分类5.2光伏电池阵列5.3储能设备5.4光伏逆变器5.5光伏控制器第五章光伏发电器件与系统光伏电池阵列的组成光伏电池阵列单体光伏电池是光电转换的最小单元，但不能单独作为电源使用。需要将单体光伏电池通过串并联封装后形成光伏电池组件，光伏电池组件是可以单独作为电源使用的最小单元。光伏电池组件还可以经串并联后形成光伏电池阵列以满足实际工程的电压或功率要求。光伏组件的串联与并联光伏电池组件的串联目的：增加整体的输出电压规律：光伏电池组串输出的电压等于每个光伏电池组件输出电压的总和，光伏电池组串输出的电流等于光伏电池组件中的最低输出电流。光伏组件的串联与并联光伏电池组件的串联注意事项：当光伏电池组件的输出电流不一致时，具有较高电流的电源将产生过剩电流并将流入电流最低的电源。过剩电流将转化为热量释放，并导致发电端性能降低，引起潜在损害。因此，应尽量将输出电流相同或相近的光伏电池组件进行串联，以减少串联组合后的损失。光伏组件的串联与并联光伏电池组件的并联目的：增加整体的输出电流规律：光伏电池阵列的电流等于各光伏电池组串电流之和，光伏电池阵列的电压等于光伏电池组串中的最低输出电压。注意事项：应尽量将输出电压相同或相近的光伏电池组串进行并联，以减少串联组合后的损失。光伏电池组件的热斑效应与旁路二极管热斑效应：光伏组件局部过热（1）原因1：辐照不均某个光伏电池组件或其一部分的表面辐照明显低于其他组件，被覆盖或遮挡部分获得的太阳辐射减少，相应光伏电池输出功率随之降低；由光伏电池组件的串联规律可知，整个组串的输出电流将减少至被遮挡部分的电流，被遮挡的光伏电池组件不仅不能发电还将成为负载，以发热的方式消耗其他光伏组件产生的能量，并出现局部过热的现象。光伏电池组件的热斑效应与旁路二极管热斑效应：光伏组件局部过热（2）原因2：光伏电池组件存在质量缺陷或故障，甚至某一光伏电池组件性能与其他光伏电池组件存在明显差异（3）危害：将严重破坏光伏电池组件，并有可能熔化组件焊点或破坏封装材料，甚至导致整个光伏电池组件的失效。光伏电池组件的热斑效应与旁路二极管（4）措施：正负极输出端反向并联一个或多个二极管，此二极管称为旁路二极管。光伏电池组件的热斑效应与旁路二极管（5）原理：当某一光伏电池组件由于阴影遮挡、物品覆盖或故障无法正常运行时，其旁路二极管两端会形成正向偏压并使二极管导通，这一光伏电池组件相当于被短路了，这样就不会影响光伏电池组串种其他光伏电池组件的正常发电，也避免了该光伏电池组件产生热斑效应。光伏电池的防逆流（防反充）二极管（1）防逆流的背景：实际运行中的光伏电池阵列，各光伏电池组串之间的输出电压也不可能绝对相等，尤其是当某一组串的某个光伏电池组件发生阴影遮挡、物品覆盖或故障时，该光伏电池组串输出的电压将明显低于其他组串，高电压支路电流将会流向低电压支路，还会导致光伏电池阵列整体输出电压的降低。防逆流的措施：电池组串的输出端处安装二极管起到防逆流的作用各光伏电池组串的防逆流二极管安装于汇流箱的输入电路。光伏电池阵列的防逆流（防反充）二极管（2）防反充的背景：对于离网型光伏发电系统而言，光伏电池阵列不工作时，蓄电池中的电流将反向流向光伏电池阵列或光伏电池组件，光伏电池组件将成为负载，以发热的形式消耗蓄电池内的电能，所产生的热量也会损坏光伏电池组件。防反充的措施：光伏电池阵列的输出端处应安装防反充二极管，通常情况下，光伏电池阵列的防反充二极管安装于光伏控制器。光伏电池阵列的防逆流（防反充）二极管光伏电池阵列的防逆流二极管示意图5.1光伏发电系统的分类5.2光伏电池阵列5.3储能设备5.4光伏逆变器5.5光伏控制器第五章光伏发电器件与系统电池储能铅酸蓄电池：(-)Pb|H2SO4|PbO2(+)放电状态下，铅酸蓄电池正负极的主要成分均为硫酸铅，正极的二氧化铅与硫酸反应生成硫酸铅和水，负极的铅与硫酸反应生成硫酸铅，电解液中的硫酸浓度逐渐降低。充电状态下，二氧化铅和铅分别作为铅酸蓄电池的正负极主要成分，正极的硫酸铅转化为二氧化铅，负极的硫酸铅转化为铅，电解液中的硫酸浓度逐渐增加到放电前的状态。电池储能铅酸蓄电池：(-)Pb|H2SO4|PbO2(+)优点：（1）工作电压高，可大电流脉冲放电；（2）安全可靠，可在较宽的温度范围内使用，放电时电动势较稳定；（3）易于保养维护，寿命较长，耐震和耐冲击性能好，不易损坏；（4）造价较低，原材料容易获取也容易回收；（5）可循环使用，废旧铅酸蓄电池可通过修复翻新的方法得以再利用。电池储能铅酸蓄电池：(-)Pb|H2SO4|PbO2(+)缺点：（1）过充电容易析出气体，充电末期或过充电时，由于反应的超电势增大，会发生电解水的副反应，从而导致H2和O2的析出；（2）腐蚀性强，硫酸溶液的溢出将污染环境；（3）比能量偏低。‌比能量是指参与电极反应的单位质量电极材料放出电能的大小‌。铅酸蓄电池的比能量只有10~50Wh/kg，这是由于电池内部集流体、集流柱、电池槽和隔板等非活性部件增大了它的重量和体积。（4）循环寿命较短，铅酸蓄电池的循环寿命通常为200~300次。电池储能锂离子电池：(-)C/LiPF6+PC-EC/LiCoO2(+)放电状态下，铅酸蓄电池正负极的主要成分均为硫酸铅，正极的二氧化铅与硫酸反应生成硫酸铅和水，负极的铅与硫酸反应生成硫酸铅，电解液中的硫酸浓度逐渐降低。充电状态下，二氧化铅和铅分别作为铅酸蓄电池的正负极主要成分，正极的硫酸铅转化为二氧化铅，负极的硫酸铅转化为铅，电解液中的硫酸浓度逐渐增加到放电前的状态。电池储能锂离子电池：(-)C/LiPF6+PC-EC/LiCoO2(+)锂离子电池充电时，正极电子通过外电路移动至负极，锂离子从正极脱嵌进入电解液中，正极材料被氧化，脱嵌的锂离子与溶解于电解液的导电锂盐中的锂离子同时在电解液中扩散并穿过隔膜，嵌入负极材料中，与正极而来的电子结合，负极材料被还原。此时，正极处于贫锂态，负极处于富锂态。锂离子电池放电时，负极电子通过外电路负载移动至正极，锂离子从负极脱嵌进入电解液，再穿过隔膜重新嵌入到正极材料，并与负极而来的电子结合。可见，锂离子电池的实质为锂离子浓度差电池，依靠锂离子在正负极之间的转移完成充放电过程。电池储能锂离子电池：(-)C/LiPF6+PC-EC/LiCoO2(+)优点：（1）质量小，比能量高。目前锂离子电池的比能量已达到460~600Wh/kg，是铅酸电池的6~7倍；（2）使用寿命长，不同种类的锂离子电池循环寿命可达300~2000次充放电循环；（3）额定电压高，单体锂离子电池的工作电压为3.2V或3.7V；（4）自放电率很低，无记忆效应；（5）生产基本不消耗水，锂离子电池不含有铅、镉、汞等有害物质，不污染环境。电池储能锂离子电池：(-)C/LiPF6+PC-EC/LiCoO2(+)缺点：（1）安全性差，有发生爆炸的危险；（2）不耐受过充过放，在不使用的状态下,存储一段时间后,其部分容量会永久丧失，低温条件（<0℃）下不易实现快充快放；（3）生产要求条件高,成本高。电池储能钠硫电池钠硫电池放电时，负极电子通过外电路负载移动至正极，Na+通过固体电解质与S2-结合形成多硫化钠产物，充电过程刚好相反。电池储能钠硫电池优点：（1）比能量较高，钠硫电池的理论比能量为760Wh/kg，实际可达150～300Wh/kg；（2）运行灵活，充放电效率较高，钠硫电池可进行大电流、高功率放电；（3）原材料成本较低，环境友好。缺点：（1）运行温度较高，钠硫电池通常需要在高温（300℃以上）下工作，工作时还需要保温，对电池的设计、材料以及安全性提出了更高的要求；（2）安全隐患较多，钠与硫或水直接接触会产生剧烈反应，有起火或爆炸的危险；（3）防渗透密封结构成本较高，操作及维护要求严格。抽水蓄能在用电低谷时，发电系统多发的电能驱动水泵将海拔较低的下水库水抽到高处的上水库中，从而将电能转化为水的势能储存起来；在用电高峰时，上水库中的水通过水轮发电机发电，将水的势能转化为电能，以满足系统的调峰需求。抽水蓄能原理图抽水蓄能优点：（1）能源调节能力高效，保证电网稳定。抽水蓄能能够快速地响应电网需求，通过调节上水库的水位实现对电力输出的调节，可作为应急能源使用。同时，抽水蓄能不仅可以消纳可再生能源，其调频调相的作用还可以平抑可再生能源的波动性，保证电网的稳定。（2）储能能力强，能源转换效率高。抽水蓄能具有巨大的储能能力，适合大规模能源存储，其能源转换效率通常可达70%~85%。缺点：对选址要求较高，上下水库需要有一定的落差且需要合适且稳定的水源，占地面积很大，建设周期长，投资大且投资回收期很长。压缩空气储能在用电低谷需要储能时，电动机与压缩机相连，多余的电能驱动电动机和压缩机将空气压缩并存于储气室中，电能转化为空气的热力学能存储起来，此时，燃气轮机并不工作。在用电高峰需要释放能量时，压缩空气储能可通过燃气轮机释放能量，将空气的热力学转化为电能，此时，压缩机不工作。通常有燃料补燃和非补燃两种：燃料补燃指的是在进入燃气轮机前需要将压缩空气与燃料混合并燃烧，以提高入口温度；非补燃指的是利用压缩过程产生的热提高燃气轮机的入口温度。无论采用哪种方式，高温高压气体都会进入燃气轮机膨胀做功，燃气轮机带动发电机发电。压缩空气储能优点：（1）可实现大功率、长周期储能、长时间释放能量。压缩空气储能可满足不同运行功率的应用需求，在实际运行过程中可实现实时调节；只要储能罐不发生泄漏，储存的压缩空气就可以长时间存储并在任意时间得以利用；压缩空气储能系统可以持续工作数小时乃至数天，工作时间长。（2）对场地限制较小，建造与运行成本均比较低。压缩空气可储存于地面的储气罐中，也可以存储于矿井等处，占地面积较小，建设与运行成本低于抽水蓄能电站。（3）安全性和可靠性高。压缩空气储能使用的原料是空气，不会燃烧，不产生任何有毒有害气体。5.1光伏发电系统的分类5.2光伏电池阵列5.3储能设备5.4光伏逆变器5.5光伏控制器第五章光伏发电器件与系统电力电子器件电力电子技术是使用电力电子器件对电能进行变换和控制的技术，其电路称为电力电子电路。将直流电能转化为交流电能的电路称为逆变电路，也称为DC/AC变换电路。电力二极管A表示阳极（Anode），K表示阴极（Cathode）外接正向电压（p正n负）时，电力二极管电阻值很小，处于导通状态；外接负向电压（n正p负）时，电力二极管电阻值增大，处于反向截止状态。晶闸管导通后，需要将阳极电压降至零或施加反向电压才能关断。晶闸管（半可控）内部按p1-n1-p2-n2的顺序组成四层半导体，构成了三个pn结；晶闸管有三个引出端，阳极A和阴极K分别与p1和

n2连接，作为主电路的两个功率引出端，门极G与p2连接，为控制引出端。可用控制信号控制器件的导通但不能控制其关断晶闸管（半可控）当门极G不加控制信号时，晶闸管无论加正向偏置还是接反向偏置，内部的三个pn结总有至少一个为处于反向截止状态，晶闸管呈现阻断状态。晶闸管（半可控）当晶闸管阳极A和阴极K分别施加正向电压VAK，门极施加足够的门极电压VG时，门极电流IG流入NPN管T2的基极，T2导通。经放大后的T2管集电极电流Ic2也是流出PNP管T1的基极电流，该电流使T1导通，经放大后的T1集电极电流将流入T2的基极，形成如下正反馈。电力MOSFET广泛应用于不超过10kW的逆变器。源极S和漏极D接主电路，栅极G接控制电路。当栅源电压VGS为0时，漏极D和源极S之间是典型的NPN结构，无论漏-源之间接正向电压还是负向电压，总有一个pn结处于反向截止状态，漏-源之间处于断开状态。电力MOSFET当栅极G与源极S之间施加正向栅源电压VGS，p型半导体中的多子（空穴）将远离栅极，而少子（自由电子）将被吸引至p型半导体表面。当自由电子浓度大于空穴浓度时，p型半导体将会变成n型半导体，形成“反型层”。反型层将源区与漏区联通，形成导电沟道，电力MOSFET即可导通。IGBT当栅极G与发射极E之间施加正向栅发电压VGE时，p型半导体中的多子（空穴）将远离栅极，而少子（自由电子）将被吸引至p型半导体表面。当自由电子浓度大于空穴浓度时，p型半导体将会变成n型半导体，形成“反型层”和导电沟道，此时IGBT导通。IGBT当栅极G与发射极E之间不施加电压或施加负向栅发电压时，IGBT不导通。电压型逆变器原理单相桥式逆变电路单相桥式逆变电路电压型逆变器原理单相桥式逆变电路单相桥式逆变电路的输出电压和电流波形当负载为阻性负载时，输出电流波形与电压相同；当负载为阻感性负载时，电流滞后于电压。单相逆变电路单相推挽逆变电路单相推挽逆变电路原理VT1和VT2交替导通与关断优点：结构较为简单；缺点：原边绕组只有一半在工作，效率较低，不适合压力过高的场合。单相逆变电路全桥式逆变电路全桥式逆变电路原理VT1+VT4，VT2+VT3交替导通与关断优点：结构较为简单；缺点：原边绕组只有一半在工作，效率较低，不适合压力过高的场合。单相逆变电路半桥式逆变电路半桥式逆变电路原理VT1和VT2交替导通与关断变压器输出交替变化的矩形波电压三相逆变电路半桥式逆变电路三相桥式逆变电路原理逆变器的触发脉冲彼此相差120°。每个功率型开关按180°导通或关断，同一桥臂的两个功率型开关交替导通和关断，各相导通开始时间相差120°。正弦波脉宽调制技术控制光伏逆变器主要采用正弦波脉宽调制（SinusoidalPulseWidthModulation，简称SPWM）将矩形波转化为近似的正弦波。SPWM的工作原理正弦波脉宽调制技术SPWM可采用单极性或双极性控制方法，其原理都是在信号波和三角波载波的交点时刻来控制电力电子开关的通断。单极性控制方法中，每半个周期内，三角波只有一种极性，所以，每半个周期内，SPWM波只会有一种极性。单极性SPWM双极性SPWM光伏逆变器的其他基本功能（1）自动运行和停机光伏逆变器可以监测光伏电池阵列的输出功率，只有其达到所需的输出功率后，光伏逆变器才会持续运行，否则，光伏逆变器则处于待机状态。光伏逆变器的其他基本功能（2）防止孤岛效应在并网光伏发电系统中，当电力系统由于某种原因发生异常而停电时，如果光伏发电系统不能随之停止运行或与电力系统脱开，则光伏电池阵列则会向电力输电线路继续供电，这种运行状态称为孤岛效应。孤岛效应将会严重威胁电力系统的安全，威胁维修作业人员及设备的安全，容易造成触电事故；当电力系统突然恢复供电后，电网电压、并网逆变器的输出电压在相位上就可能有较大差异，会在瞬间产生很大的冲击电流而有可能损坏设备。被动式检测通常需要实时检测电网电压的幅值、频率和相位，当电网停止运行时，上述参数会产生跳变信号；主动式检测可通过计算电网阻抗来判断，当电网停止运行时，电网阻抗将产生较大改变。光伏逆变器的其他基本功能（3）最大功率点跟踪最大功率点跟踪通常是光伏控制器的功能，但并网光伏逆变器和光伏控制器往往合二为一，因此，也可视为光伏逆变器的功能之一。5.1光伏发电系统的分类5.2光伏电池阵列5.3储能设备5.4光伏逆变器5.5光伏控制器第五章光伏发电器件与系统光伏控制器的作用对于离网型光伏发电系统而言，光伏控制器主要对蓄电池的充放电过程加以控制，防止蓄电池频繁过充过放，以延长蓄电池寿命；光伏控制器还可以通过最大功率点跟踪技术，实时调整光伏电池阵列的工作点，使之始终工作在最大功率点附近；并网光伏发电系统而言，光伏控制器往往和逆变器合为一体。光伏控制器对蓄电池充放电控制的原理通过控制充电控制开关和放电控制开关来完成对光伏充放电的控制。（1）串联型光伏控制器串联型控制器是指充电控制开关串联于充电回路，以控制充电过程。光伏控制器对蓄电池充放电控制的原理（1）串联型光伏控制器串联型控制器是指充电控制开关串联于充电回路，以控制充电过程。S1为充电控制开关：当开关S1导通时，光伏电池阵列对蓄电池充电；当出现蓄电池过充电时，开关S1断开，光伏电池阵列停止对蓄电池充电。S2为放电控制开关：当开关S2导通时，蓄电池对负载放电；当出现蓄电池过放电时，开关S2断开，蓄电池停止对负载放电；当蓄电池再次充电并达到预先设定的条件时，开关S2还能自动导通，蓄电池恢复对负载放电。光伏控制器对蓄电池充放电控制的原理（2）并联型光伏控制器并联型控制器指的是充电控制开关并联于充电回路。放电控制开关S2、防反充二极管VD1和防反接二极管VD2的工作原理与串联型控制器基本相同当开关S1断开时，光伏电池阵列向蓄电池充电；当出现蓄电池过充电时，开关S1导通，光伏电池阵列输出的电流通过S1旁路泄放，光伏电池阵列停止向蓄电池充电，此时，光伏电池阵列输出的能量将在旁路电阻器或功率模块以热的形式消耗掉。光伏控制器对蓄电池充放电控制的原理（3）脉宽调制型控制器通过脉冲方式控制光伏电池阵列输出的开关。对于串联型脉宽调制控制器而言，当蓄电池逐渐趋于充满时，其端电压逐渐升高，脉冲宽度变窄，使得导通时间缩短，充电电流逐渐趋于零；当蓄电池电压逐渐下降时，脉冲宽度变宽，充电电流变大。对于并联型脉宽调制控制器则刚好相反，这里不再赘述。光伏电池阵列最大功率点跟踪控制技术在一定光照和环境温度下，当光伏电池阵列的输出电压为某一值时，光伏电池阵列的输出功率才能达到最大，即达到了输出功率-电压曲线的最高点，该最大点也称为最大功率点（MaximumPowerPoint，MPP）。存在的问题：如果将光伏电池阵列与蓄电池直接相连，由于蓄电池内阻不变，无法调节光伏电池阵列的输出电压；光伏电池阵列的输出电压也会因辐照条件等外部因素的变化而变化，从而导致蓄电池充电电压不稳定并影响蓄电池寿命。实时调整光伏电池阵列的工作点，使之始终工作在最大功率点附近，该技术称为最大功率点跟踪（MaximumPowerPointTracking，MPPT）光伏电池阵列最大功率点跟踪控制技术A和B点分别为对应的最大功率点。如果辐照条件由1变到2，如果负载1保持不变，则运行状态点为A1，该点偏离了相应的最大功率点。为了保证辐照改变后，光伏电池阵列依然保持最大功率点运行，则需要将负载1调整为负载2，以保证系统在新的最大功率点B运行。光伏电池阵列最大功率点跟踪方法恒电压跟踪法（ConstantVoltageTracking，CVT）原理：若忽略温度效应的影响，不同辐照条件下的最大功率点A、B和C所对应的电压将基本位于Vm附近。存在的问题：若光伏电池阵列直接与某一负载连接，则在不同辐照条件下对应的工作点分别为A1、B1和C1，光伏电池阵列输出的功率无法达到最大值。方法：在光伏电池阵列与负载之间通过一定的阻抗变换，使得光伏电池阵列的输出电压稳定在Vm附近。光伏电池阵列最大功率点跟踪方法恒电压跟踪法（ConstantVoltageTracking，CVT）优点：控制简单、可靠性高、稳定性好且易于实现缺点：忽略了温度对最大功率点电压的影响，对于四季或昼夜温差较大的地区而言，恒电压跟踪法并不能保证在所有温度环境下均能完全跟踪到光伏电池阵列的最大功率点。光伏电池阵列最大功率点跟踪方法干扰观察法原理：每隔一段时间通过增加或减少光伏电池阵列的输出电压或输出电流，来观察调整前后输出功率的变化情况，从而决定调整方向。优缺点：在数学上易于理解，但在实际应用中响应速度较慢，适合于辐照条件变化比较缓慢的场合。通过改变电压进行“试探”，会产生一定的功率损失。光伏电池阵列最大功率点跟踪方法电导增量法电导增量法也是目前最大功率点跟踪的最常用方法之一。光伏电池阵列最大功率点跟踪方法电导增量法采用电导增量法后，光伏电池阵列输出电压的调整方向完全取决于该时刻电导和电导变化率的和，与前一时刻的功率和工作点电压无关，因此，可适应辐照条件快速变化的场合，但该控制方法对传感器等硬件要求较高，成本较高。（1）了解光伏系统的分类，掌握光伏电池阵列、储能设备、光伏逆变器、光伏控制器等关键设备的作用；（2）掌握光伏电池组件的串并联特性，了解光伏电池组件热斑效应产生的原因，掌握旁路二极管、防逆流（防反充）二极管的作用及在电路中的位置；（3）掌握常见电池储能技术的原理和优缺点，了解抽水蓄能技术和压缩空气储能技术的原理和优缺点；（4）掌握光伏逆变器的主要作用，了解电力MOSFET和IGBT的原理，能够通过电路图解释电压型逆变器的原理，了解SPWM的原理；（5）掌握光伏控制器的主要作用，能够解释光伏控制器对蓄电池充放电控制的原理，了解常见的最大功率点跟踪技术。本章小结太阳能转换原理与技术6.1平板型太阳能集热器6.2太阳能空气集热器6.3真空管太阳能集热器6.4槽式太阳集热器第六章

太阳能集热器平板型太阳能集热器的工作原理原理：太阳辐射透过透明盖板并照射在表面涂有选择吸收性涂层的吸热体上，吸热体吸收太阳辐射并将其转化为热能后温度升高，吸热体再将热量传递给流经金属流道内的传热介质，从而使传热介质的温度提升。传热介质在平板型太阳能集热器内不断循环升温，从而实现利用太阳能加热的目的。平板型太阳能集热器的几何聚光比为1，即采光面积等于集热面积，不具备聚光的功能，因此，平板型太阳能集热器只能提供低温热源，其集热温度通常为50~70℃。平板型集热器特点采光面等于集热面；集热面可以采集太阳能直接辐射能、散射辐射能和反射辐射能；集热面固定安装，不跟踪太阳位置；热损失系数较大，工作温度通常在80℃以下；结构简单，成本较低。平板型集热器平板集热器主要由吸热板、透明盖板、保温层和外壳等几部分组成。吸热板：集热器吸收太阳辐射并向流提供之传递热量的部件。材料：铜、铝合金平板、不锈钢、铜铝复合材料等。要求：提高吸收率、降低发射率平板型集热器平板集热器主要由吸热板、透明盖板、保温层和外壳等几部分组成。透明盖板：平板集热器中覆盖吸热板并由透明或半透明材料组成的板状部件。作用：透射太阳光、保护吸热板、形成温室效应（尽量让0.3-3μm的太阳总辐射进入，不让3.0μm的长波波长出去）。层数的要求：单层居多；北方地区可以采用双层。极少情况用三层或以上（降低太阳透射比）平板型集热器平板集热器主要由吸热板、透明盖板、保温层和外壳等几部分组成。保温层：平板型集热器中抑制吸热板经传导向周边环境散热的部件要求：导热系数；厚度（30-50mm）。材料：<0.05W/(m℃)，岩棉、玻璃棉、聚氨酯、聚苯乙烯平板型集热器平板集热器主要由吸热板、透明盖板、保温层和外壳等几部分组成。外壳：保护固定吸热板、透明盖板和保温层的部件要求：强度、刚度、密封、耐腐蚀材料：铝合金、不锈钢、碳钢、玻璃钢平板型太阳能集热器的能量平衡方程单位时间内吸热体吸收的太阳辐射能式中，Is为单位时间单位面积吸热体吸收的太阳辐射能，W/m2；

Ac为集热面积，m2。单位时间内吸热体吸收的太阳辐射能单位时间内吸热体吸收的太阳辐射能单位时间内吸热体吸收的太阳辐射能解：本题需要分别考虑直射辐射、散射辐射和地面反射辐射三种情况。单位时间内吸热体吸收的太阳辐射能单位时间内吸热体吸收的太阳辐射能单位时间内集热器的热损失单位时间内集热器的热损失（1）顶部热损失单位时间内集热器的热损失吸热体与玻璃盖板的辐射和对流换热单位时间内集热器的热损失吸热体与玻璃盖板的辐射和对流换热单位时间内集热器的热损失hpg,conv的计算可以采用Hollands提出的实验关联式单位时间内集热器的热损失玻璃盖板与环境之间的传热方程单位时间内集热器的热损失（1）顶部热损失单位时间内集热器的热损失（2）底部和侧面热损失式中，λc为隔热层的导热系数，W/(m·K)；δb为底部隔热层的厚度，m；δe为侧面隔热层的厚度，m。单位时间内集热器的热损失（3）集热器的总散热损失式中，kL为集热器的总传热系数，W/(m2·K)。单位时间内集热器的热损失例题6‑2单层玻璃盖板的集热器，其长、宽、高分别为10m、3m和75mm，玻璃盖板与吸热体的间距为25mm，吸热体的发射率εp=0.95，环境温度ta=10℃，玻璃盖板与环境之间的对流表面传热系数hw=10W/(m2·K)，吸热体的平均温度为tp=100℃，玻璃盖板的发射率εg=0.88，集热器倾角为β=45°。隔热层的导热系数为λ=0.045W/(m2·K)，底部隔热层的厚度为50mm，侧面隔热层的厚度为25mm，求吸热体与环境之间的顶部传热系数、底部传热系数和侧面传热系数，最后求集热器的总传热系数。单位时间内集热器的热损失单位时间内集热器的热损失单位时间内集热器的热损失单位时间内集热器的热损失单位时间内传热介质吸收的太阳辐射能单位时间内传热介质吸收的太阳辐射能单位时间内传热介质吸收的太阳辐射能平板型太阳能集热器的效率平板型太阳能集热器的效率平板型太阳能集热器的效率平板型太阳能集热器的效率6.1平板型太阳能集热器6.2太阳能空气集热器6.3真空管太阳能集热器6.4槽式太阳集热器第六章

太阳能集热器太阳能空气集热器的分类

太阳能空气集热器是以空气为传热介质的平板型太阳能集热器，主要用于太阳能干燥、建筑采暖和海水淡化等。与液体传热介质相比，用空气作为传热介质不存在冬季的结冰问题、液体的渗漏或吸热板的承压等问题，加热后的空气可直接用于干燥或供热，无需设置换热器。由于空气的导热率、密度和比热容都远小于液体传热介质，在相同条件下，太阳能空气集热器效率较低，风机输送消耗功率更大。太阳能空气集热器的分类

太阳能空气集热器与平板型太阳能集热器在结构上大体相似，都有壳体、透明盖板、吸热体和隔热体等部件。但是，二者的吸热体结构有较大差异。平板型太阳能集热器的吸热体包含吸热板和金属流道，而太阳能空气集热器的吸热体只有吸热板，空气在吸热板上方或下方的空间流动。此外，根据空气是否能穿过吸热板，太阳能空气集热器又可分为非渗透型空气集热器和渗透型空气集热器两类。太阳能空气集热器的分类

非渗透型太阳能空气集热器中，空气流不能穿过吸热板，因此，空气可以在吸热板正面流动，可以在吸热板背面流动，也可以同时在吸热板的正反两面流动。相比而言，当空气在吸热板正面流动时，吸热板与玻璃盖板之间的对流散热损失将增加，因此，空气在吸热板背面流动的设计更为常见。非渗透型太阳能空气集热器的主要优点为结构简单且价格低廉，主要缺点为空气与吸热板之间的换热不够充分。为了增加空气与吸热板之间的换热性能，通常可将吸热板背面加工得粗糙些，以增加气流扰动，提高对流传热系数；同时，可以在吸热板背面增加肋片或者波纹等结构，以增加传热面积或气流扰动，从而达到强化对流传热的目的。太阳能空气集热器的分类

渗透型太阳能空气集热器，又称为多孔吸热板型空气集热器，有金属丝网式、蜂窝结构式、重叠玻璃板式、碎玻璃多孔床式等不同结构，是针对改进非渗透型太阳能空气集热器而设计的。一方面，由于太阳辐射可以更深地透射到多孔吸热板之中，吸热板的太阳吸收率更高，空隙的存在相当于增加了空气与吸热板之间的换热面积，因此，渗透型太阳能空气集热器的传热效果更好；另一方面，由于单位截面上的流通面积更大，在同等空气体积流量下，渗透型太阳能空气集热器的流动阻力更低。太阳能空气集热器的分类

太阳能空气集热器是以空气为传热介质的平板型太阳能集热器，主要用于太阳能干燥、建筑采暖和海水淡化等。与液体传热介质相比，用空气作为传热介质不存在冬季的结冰问题、液体的渗漏或吸热板的承压等问题，加热后的空气可直接用于干燥或供热，无需设置换热器。由于空气的导热率、密度和比热容都远小于液体传热介质，在相同条件下，太阳能空气集热器效率较低，风机输送消耗功率更大。太阳能空气集热器的热性能分析太阳能空气集热器的热性能分析太阳能空气集热器的热性能分析太阳能空气集热器的阻力分析6.1平板型太阳能集热器6.2太阳能空气集热器6.3真空管太阳能集热器6.4槽式太阳集热器第六章

太阳能集热器全玻璃真空集热管的结构全玻璃真空集热管由内玻璃管、外玻璃管、弹簧支架、消气剂等组成。真空管集热器真空管集热器是将吸热体与透明盖层之间抽成真空的太阳能集热器。优点：（1）消除了气体的对流和传导热损（2）采用选择性吸收涂层，使真空集热管的辐射热损降到最低1-内玻璃管；2-外玻璃管；3-选择性吸收涂层；4-真空夹层；5-弹簧支架；6-消气剂全玻璃型真空管集热器全玻璃真空管集热器由外玻璃管、内玻璃管、选择性吸收涂层、弹簧支架、消气剂等部件组成。优点：（1）透过率和吸收率高、热反射率低、对流热损小；（2）全年使用时间长；（3）制造工艺简便，技术成熟可靠，成本较低。1-内玻璃管；2-外玻璃管；3-选择性吸收涂层；4-真空夹层；5-弹簧支架；6-消气剂封接：一端开口，将内玻璃管和外玻璃管的管口进行环状分接，另一端分别封闭成半球形圆头内玻璃管，用弹簧支架支撑于外玻璃管上，以缓冲热胀冷缩引起的应力。排气嘴：在外玻璃管端尾部一般粘结一只金属保护帽，以保护抽真空后封闭的排气嘴。选择性吸收涂层：内玻璃管吸气剂：维持真空度金属吸热体真空管集热器金属吸热体真空管集热器工作温度高、承压能力大、耐热冲击。热管式真空集热器构成：热管、铝翼、集热管、联集箱等集热过程描述：太阳光透过集热管，照射在集热管内管的选择性吸收膜上，将太阳能转化为热能，热量通过铝翼传递到内置热管上，迅速将热管蒸发段内的工质加热至冷凝段，使冷凝段快速升温，并通过冷凝套管将能量传导、汇集至通过流道管的介质(水、乙二醇等)中；热管工质放出汽化潜热后，冷凝成液体、在重力作用下流回热管蒸发段，接收集热管的热量后，再次上升汽化，然后冷凝回流，循环往复工作。金属吸热体真空管集热器集热过程描述：太阳辐射穿过真空管玻璃外壳，投射在内层玻璃吸热管上。吸热管将太阳辐射能转换为热能，通过吸热管和圆柱形肋片将热量传递给管内的工质，使工质不断升温。同时，被加热的吸热管也会向周围环境散热。U型管式真空集热器储热式真空集热器构成：玻璃管、储热管、内插管。吸热管内储存水，外表面有选择性吸收涂层。集热过程描述：白天太阳辐射能被吸热管转化成热能后直接用于加热管内的水，使用时冷水通过内插管逐渐注入，并将热水从吸热管顶出。夜间由于有真空隔热吸热，管内的热水温度降的很少。特点：（1）不需要附加储水箱，真空管本身既是吸热管，又是储水箱；（2）打开自来水龙头后，热水可立即放出。金属吸热体真空管集热器构成：真空玻璃管、吸热管、翅片等翅片装于吸热管外，吸热管和翅片装有选择吸收性涂层，两端用可伐合金封接直通式真空集热器同心套管式真空集热器太阳光穿过玻璃管，投射在金属吸热板上，吸热板吸收太阳辐射能并将其转换为热能，传热介质从内管进入真空管，被吸热板加热后，通过外部玻璃管流出。内聚光式真空集热器内聚光真空集热管采用CPC（复合式抛物面）设计，可以令正射光线和斜射光线均反射到吸热管上，无需跟踪。全玻璃真空集热管的热性能分析（1）投射到集热管正面的直射太阳辐照度全玻璃真空集热管的热性能分析（2）投射到集热管正面的散射太阳辐照度全玻璃真空集热管的热性能分析（3）直射辐射经反射板反射到集热管上的太阳辐照度全玻璃真空集热管的热性能分析（4）直射辐射经反射板反射到集热管上的太阳辐照度式中，Fdt为散射光带对集热管的辐射角系数，当W=2d2时，Fdt≈0.34。单位时间内投射到真空集热管的太阳辐射能真空集热管的主要散热途径为先经过内外玻璃管之间的辐射换热，再经过外玻璃管与环境的对流和辐射换热。6.1平板型太阳能集热器6.2太阳能空气集热器6.3真空管太阳能集热器6.4槽式太阳集热器第六章

太阳能集热器6.4.1抛物面槽式聚光器（1）反射镜作用：将太阳能反射到抛物面槽式吸热器，因此，需要提升反射镜的加工精度，提高并保持反射镜的镜面反射率反射镜的镜面反射率就是在规定的光源和接收角条件下，样品在镜面反射方向的反射光通量与入射光光通量的比值。反射镜的镜面反射率会随着时间推移逐渐下降。抛物面槽式集热器示意图6.4.1抛物面槽式聚光器（2）支架作用：支架是反射镜和抛物面槽式吸热器的支撑机构，也是反射镜跟踪的传动机构要求：支架应与反射镜紧密贴合，防止镜面变形损坏；支架应有足够的刚度、强度、抗风性、耐候性和抗疲劳能力，以抵御转动时产生的扭矩并满足寿命要求；支架重量还应尽量小，以便于传动并减少跟踪能耗。6.4.1抛物面槽式聚光器（3）跟踪机构作用：太阳入射角越大，余弦损失越大。为了降低抛物面槽式聚光器的余弦损失，跟踪机构需要调整抛物面槽式聚光器开口朝向，以尽可能时时刻刻减少太阳入射角。水平东西轴跟踪条件下的太阳入射角水平南北轴跟踪条件下的太阳入射角（1）玻璃外管（目标：提高透光率）特点：（保护）防风防水防沙→玻璃材料应当硬度高、耐化学腐蚀（热稳定）辐照频繁变化，玻璃外管温度波动性大→玻璃材料应当具有热稳定性（高硼硅玻璃）（安全）金属内管受热弯曲→玻璃管的直径不宜太小（115-120mm，厚度3-5mm）对光热转化的影响：玻璃外管的透射率。硼硅玻璃（92%），使用凝胶-溶胶工艺在玻璃管外沉积减反射膜，可以使得透光率增加到97%以上。6.4.2抛物面槽式吸热器（2）金属内管：金属内管是抛物面槽式吸热管的吸热部件。①直径要求：热学要求+光学要求光学要求：光斑要打在吸热管，直径越大越容易满足要求热学要求：直径越大，散热面积就会增加。通常选取：开口宽度5-6m时，70mm。②涂层要求：外表面应涂有选择性吸收涂层。（提高金属管对可见光区和近红外光区有高吸收率，降低在远红外区的发射率）③材料要求：导热性强、结构强度、耐腐蚀性、焊接方便321H，316L，304L6.4.2抛物面槽式吸热器（3）金属-玻璃封接件方式：在金属管和玻璃管两端焊接可伐合金，可伐合金与金属管之间需要放置金属波纹管，以缓解金属管在高温工作下由于轴向热膨胀产生的热应力。（4）金属管与玻璃管之间的真空夹层作用：金属管与玻璃管之间的夹层需要抽真空，其主要目的在于减少金属管与玻璃管之间的对流散热。在高温工作条件下，各部件及传热介质可能会释放气体并渗透到此夹层并破坏其真空度。为了保持真空度，夹层内会放置吸气剂，用于吸附夹层内的氮气、氧气、氢气和氦气等气体。6.4.2抛物面槽式吸热器6.4.3抛物面槽式聚光器的光学效率聚光器的光学效率（ηopt）是指金属管表面接受的太阳能量与入射在聚光器采光口面积上的法向直射总辐照度之比。6.4.3抛物面槽式聚光器的光学效率入射角修正系数K用于修正非垂直入射条件与垂直入射条件下聚光器光学效率的偏差。式中，C1、C2和C3为拟合系数。槽式真空集热管简化模型的假设：①玻璃管和金属管沿圆周方向的温度是相等的；②可以忽略支架的导热；③流体的速度是恒定的。6.4.4抛物面槽式吸热器效率真空集热管是槽式太阳能热发电的核心元件，其光热转换与传热包含光能聚焦、转换、散热和吸热等的复杂传热过程。抛物面槽式吸热器的一维传热模型抛物面槽式吸热器的热阻分析图根据能量守恒，可得：6.4.4抛物面槽式吸热器效率1、组成：玻璃套管的传热损失，波纹管的传热损失，吸热管端部连接件的传热损失。2、影响因素：（1）金属管的发射率：选择性涂层（发射率越高，集热量越大）（2）环形空间真空度：来源：导热油分解产生氢气（透过金属管）；大气中的氦气危害：环形空间压力高于100Pa，选择性吸收涂层加速老化。（3）风速：影响较小，影响玻璃管外的散热抛物面槽式吸热器效率的影响因素（1）掌握平板型太阳能集热器的工作原理、主要结构及其功能，了解平板型太阳能集热器的能量方程及效率计算方法；（2）能够对太阳能空气集热器进行热性能分析和阻力计算分析；（3）了解真空管太阳能集热器的结构，能够对全玻璃真空集热管进行热性能分析；（4）了解槽式太阳集热器聚光器和吸热器的结构及主要技术要点，能够计算槽式太阳集热器的光学效率和吸热器效率。本章小结太阳能转换原理与技术7.1太阳能热发电系统的热功转化原理7.2太阳能储热原理与技术7.3抛物面槽式太阳能热发电7.4线性菲涅尔式太阳能热发电7.5塔式太阳能热发电7.6非聚光式太阳能发电技术第七章

太阳能热发电原理与技术7.1.1水/蒸气朗肯循环(a)通过太阳能集热器加热工质(b)通过蒸汽发生器/换热器加热工质水/蒸气朗肯循环系统图7.1.1水/蒸气朗肯循环(a)T-s图(b)p-v图水/蒸气朗肯循环7.1.2有机朗肯循环(a)通过太阳能集热器加热工质(b)通过蒸汽发生器/换热器加热工质基本有机朗肯循环系统图7.1.2有机朗肯循环(a)T-s图(b)p-v图有机朗肯循环7.1.3Kalina循环*优点：（1）由于氨水的冷却及蒸发温度与氨的质量分数有关，可以通过调节氨水的浓度实现太阳能利用；（2）利用氨水在低温段变温的相变特性减少了不可逆热损失，提高了整体的循环热效率；（3）循环耗水量较传统的朗肯循环有较大的降低，适用于贫水缺水地区。KCS34循环系统图7.1.4布雷顿循环1-2为在压气机中的绝热压缩过程，2-3为在太阳能吸热器中的定压加热过程，3-4为在燃气轮机中的绝热膨胀过程，4-1为在环境中的定压放热过程。布雷顿循环系统图7.1.4布雷顿循环(a)T-s图(b)p-v图等压加热理想布雷顿循环7.1.5斯特林循环(a)过程1-2(b)过程2-3(c)过程3-4(d)过程4-1斯特林循环的过程示意图7.1.5斯特林循环(a)T-s图(b)p-v图斯特林循环7.1太阳能热发电系统的热功转化原理7.2太阳能储热原理与技术7.3抛物面槽式太阳能热发电7.4线性菲涅尔式太阳能热发电7.5塔式太阳能热发电7.6非聚光式太阳能发电技术第七章

太阳能热发电原理与技术7.2.1太阳能储热技术的意义由于太阳辐射能存在很大的波动性，储热对太阳能光热发电系统的稳定运行非常重要。对于光热发电系统而言，储热可以缓解太阳辐射能瞬时变化（如云层遮挡）对发电系统的冲击，以提高发电系统的稳定性；储热系统通过将白天收集的一部分太阳辐射以热能的方式加以存储并在夜间等太阳辐射不足的时候加以使用，以转移发电时间并增加设备的年运行小时数。7.2.1太阳能储热技术的意义太阳能储能可分为直接存储和间接存储两种：直接存储就是将太阳辐射直接投射到蓄热体上，由蓄热体直接吸收，太阳能将储存在蓄热体中。间接存储就是先将太阳辐射能转化为其他形式的能量，然后借助于常规能量存储技术存储起来，实现间接存储太阳辐射能的目的。7.2.1太阳能储热技术的意义太阳能储能可分为直接存储和间接存储两种：直接存储就是将太阳辐射直接投射到蓄热体上，由蓄热体直接吸收，太阳能将储存在蓄热体中。间接存储就是先将太阳辐射能转化为其他形式的能量，然后借助于常规能量存储技术存储起来，实现间接存储太阳辐射能的目的。太阳能光热发电系统广泛使用太阳能间接存储技术，既可以对终产品（电能）进行存储，也可以对中间产品（热能）进行存储。本章主要讨论对热能的存储。7.2.1太阳能储热技术的意义根据储热介质是否在储热器中流动，还可以将储热系统分为主动型储热系统和被动型储热系统。主动型储热系统所用的储热介质通常为流体，储热介质自身在太阳能吸热器、蒸汽发生器等换热设备中进行强迫对流换热。被动型储热系统通常为双介质系统，储热介质自身不在换热设备中进行强迫对流换热，而是通过传热介质的热量传递实现储放热。根据储热介质是否同时作为传热流体，主动型储热系统又分为主动型直接储热系统和主动型间接储热系统。主动型直接储热系统中的储热介质与电站中的传热介质为同一种物质，主动型间接储热系统中的储热介质仅进行热量的存储和释放，不用于集热场中的传热介质。7.2.1太阳能储热技术的意义根据储热系统中热量储存机理的不同，储热技术分为显热储热、潜热储热和可逆化学反应热存储。7.2.2显热储热显热储热主要通过储热介质温度的变化来实现储热单位体积储热介质的储热量或放热量Δqs7.2.2显热储热对于液体储热介质而言，需要一个或多个储热罐将冷热储热介质分开存储。按照储热罐的数量，可以分为单罐储热系统、双罐储热系统和多罐储热系统。太阳能光热发电商业化电站中，熔融盐和导热油是最为常见的液体储热介质。对于固体储热介质而言，可以通过改变传热介质的流动方向来实现储放热，砂石、混凝土是常见的固体储热介质。西班牙Gemasolar商业化运行塔式电站使用了15小时的熔盐大规模蓄热，在7月实现了24小时发电。太阳能热发电的核心技术是熔盐传热蓄热技术7.2.2显热储热双罐显热储热双罐储热：最常见熔融盐储热，熔融盐既是传热介质又是储热介质。运行过程：吸热阶段：冷罐熔融盐→熔盐泵→集热塔吸热器→①热罐//②蒸汽发生器放热阶段：热罐熔融盐→熔盐泵→蒸汽发生器→冷罐双罐显热储热（a）导热油或熔融盐作为传热介质和储热介质（b）导热油为传热介质，熔融盐为储热介质双罐储热子系统与集热场的集成对于双罐储热而言，储热罐的总体积必须为储热介质容积的两倍以上，每个储热罐必须能容纳所有的储热介质，因此，储热罐体积庞大，储热罐的容积利用率较低。多罐显热储热三储罐储热系统的储放热过程三储罐系统的储罐总容积是储热工质容积的1.5倍，每个储热罐的容积为储热工质容积的1/2。随着储热罐数量的增加，储罐总容积和每个储热罐的容积都会减少，但在实际应用层面，随着储热罐数量的增加，其控制的复杂程度也会增加，储热罐之间的管道网络和阀门等设备导致的热损和安装维护费用也会增加。单罐显热储热理想情况下，储热罐内密度较小的热流体会浮到密度较大的冷流体之上，并在罐的中间形成一个温度梯度很大且很薄的自然分层，即斜温层或跃温层斜温层在储热罐中的位置变化单罐储热系统的储放热过程放热：高温储热工质在罐的顶部被高温泵抽出，经过换热器放热冷却后，由罐底部进入罐内；储热：低温储热工质在罐的底部被低温泵抽出，经过换热器加热后，由罐顶部进入罐内。混凝土显热储热北京华强兆阳张家口一号15MW光热电站混凝土储热系统储热介质：混凝土，水泥、砂石、其他添加材料，无需昂贵的密封罐体；换热：水/水蒸气管道，成本低，强度高优点：混凝土储热温度变化速率较低，对结构强度影响较小，没有冷凝冻结风险。缺点：导热系数低，可加入金属或石墨碎片提高混凝土材料运行过程：吸热阶段：蒸汽放热→混凝土升温放热阶段：混凝土降温→水变为过热蒸汽7.2.3潜热储热潜热储热又称为相变储热，是指储热介质发生相变时通过吸收或释放热能来进行能量的存储或释放。7.2.3潜热储热常用的潜热储热材料主要是无机盐和金属合金。相变材料导热性能较差，提高换热器导热性的方法包括添加翅片、热管或者高导热材料，多种相变材料的耦合以及胶囊结构等。胶囊结构金属和合金能够应用于太阳能热发电高温储热领域，其优点为导热系数较高，储放热速率较快，但其成本较高，容器和管道需要耐腐蚀。7.2.4可逆化学反应热存储*利用可逆的吸热和放热化学反应储存热量就是可逆化学反应热存储的基本原理。7.2.4可逆化学反应热存储*可逆化学反应热存储主要具有以下优点：（1）储能密度高，可达到显热储热或潜热储热的2~10倍；（2）储热材料成本普遍不高；（3）可实现环境温度储热，可实现在无损耗或极少损耗条件下的长期热存储，可用于太阳能的季节性热存储。可逆化学反应热存储也具有如下缺点：（1）热存储系统的总效率偏低；（2）系统的运行与维修费用高。7.1太阳能热发电系统的热功转化原理7.2太阳能储热原理与技术7.3抛物面槽式太阳能热发电7.4线性菲涅尔式太阳能热发电7.5塔式太阳能热发电7.6非聚光式太阳能发电技术第七章

太阳能热发电原理与技术7.3.1槽式光热发电系统概述利用单轴跟踪的槽式抛物面反射镜把太阳光聚集到线性吸热器，加热吸热管内的传热工质，加热后的传热工质可以用储热，也可以直接进入换热装置，与水/水蒸汽换热产生过热蒸汽进入汽轮机发电。工质：导热油（常见）；水蒸气、熔融盐（示范）。导热油槽式太阳能热发电系统主要包括集热场、储热子系统、蒸汽发生子系统、热工转换子系统以及辅助能源子系统等构成。导热油槽式热发电工作原理：导热油工质在真空集热管中被加热后，进入储罐或换热器，用于加热水产生过热蒸汽，再利用蒸汽动力循环推动汽轮发电机组发电。导热油槽式太阳能发电系统示意图导热油槽式热发电（1）集热场。集热场的作用是将太阳辐射会聚并加热导热油，主要包括抛物面槽式聚光场和抛物面槽式吸热系统。（2）储热子系统。储热子系统的作用是将集热场输出的热量加以存储和利用，可以增加太阳能热发电系统的工作时间和稳定性。通常在太阳辐射较强时，储热子系统将集热场输出的多余热量加以储存，并在太阳辐照不足或夜间时释放供能。（3）蒸汽发生子系统。蒸汽发生子系统是由太阳能加热产生蒸汽并用于汽轮机做功的系统，其实质就是传热介质（导热油）与朗肯循环工质（水/水蒸气）间的一系列换热器。为了提升循环效率，热功转化大多包含再热过程，即一部分高温导热油依次通过过热器、蒸气发生器和预热器放热后将水加热为高温高压的过热蒸汽，另一部分高温导热油通过再热器放热后将高压缸排汽加热为再热蒸汽。导热油槽式热发电（4）热功转化子系统。热功转化子系统利用蒸汽发生子系统产生的高温高压蒸汽推动汽轮机组做功发电。这部分与火电机组类似，由汽轮机、凝汽器、给水泵和除氧器等构成。为了提升热源温度和汽轮机排汽干度，热功转化大多包含回热过程，即在汽轮机中分级抽出部分已经做功的蒸汽用于加热进入锅炉之前的给水。（5）辅助能源子系统。辅助能源子系统由一套与汽轮机功率相匹配的备用加热器和备用锅炉组成。主要作用是在汽轮机启动、太阳辐照不足且储热不够的时候提供能源。导热油槽式发电系统的缺点（1）导热油存在温度上限，限制了循环效率的进一步提升。目前，导热油的温度上限普遍为400℃左右，超过温度上限则会导致导热油的气化分解、循环泵的汽蚀，并引起管内传热恶化，进而影响集热系统的安全性。（2）导热油流速必须控制在2m/s以上。流速越小，单位长度的集热管温升越高，越容易导致导热油的结焦。（3）导热油温度应降至80℃以下时，循环泵才能停止工作。（4）高温导热油泄露将增加火灾风险。熔融盐槽式发电系统的优缺点优点：相比导热油，熔融盐导热性能更好，可在更高温度下保持稳定。熔融盐槽式热发电可进一步提升朗肯循环主蒸汽和再热蒸汽的温度以及朗肯循环的循环效率。缺点：（1）熔融盐的高熔点。（2）硝酸盐的强氧化性。（3）集热管长时间在高温集热条件下性能将下降。直接蒸汽槽式热发电优点：（1）水/水蒸气既是传热介质也是朗肯循环工质，因此，无需传热介质与朗肯循环工质之间的一系列换热器，即无需额外的蒸汽发生子系统，减少了成本和换热损失，简化了系统。（2）集热场的集热温度升高，提高了循环热效率。（3）水/水蒸气对环境无污染。直接蒸汽槽式热发电热力系统图直接蒸汽槽式热发电（1）两相区流动换热的控制问题。在吸热器中，传热介质吸热后将经过由热水到汽水混合再到过热蒸汽的过程，相变换热控制具有较大的难度，因此，集热系统的可靠性仍需进一步加强。（2）储热较难实现。（3）集热场同时产生主蒸汽和再热蒸汽有一定难度，蒸汽参数与现有火电机组仍有很大差距，其循环效率仍有较大的提升空间。直接蒸汽槽式热发电热力系统图7.3.2槽式太阳集热场的能量损失端部损失：由于入射角的存在，长度为l的抛物面槽式吸热器有部分区域无法接收到反射光线。式中，f为抛物面槽式聚光器的焦距，m；l为抛物面槽式吸热器的长度，m。7.3.2槽式太阳集热场的能量损失阴影损失：由于聚光器采光面被其他聚光器遮挡而造成的能量损失称为阴影损失7.3.3槽式太阳集热场的集热场效率槽式太阳集热场效率（EfficiencyofCollectorField）指的是传热介质从槽式太阳集热场中获得能量与入射在聚光场采光面积上的太阳法向直射总辐照度之比。可以理解为在单个抛物面槽式聚光器光学效率的基础上去掉端部损失和阴影损失后的结果7.3.4系统的额定发电功率通过采光面口投射的太阳直射辐射能集热场传热介质单位时间得到的能量槽式太阳发电系统的发电功率式中，ηex为蒸汽发生子系统的换热效率；

ηc为循环热效率。通常用光电转化效率ηse7.3.4系统的额定发电功率7.1太阳能热发电系统的热功转化原理7.2太阳能储热原理与技术7.3抛物面槽式太阳能热发电7.4线性菲涅尔式太阳能热发电7.5塔式太阳能热发电7.6非聚光式太阳能发电技术第七章

太阳能热发电原理与技术7.4.1系统概述线性菲涅尔式太阳能热发电是指太阳能集热场由跟踪太阳运动的菲涅尔式聚光器和位于菲涅尔镜焦点处的吸热管组成的太阳能热发电方式。优点：线性菲涅尔式太阳能热发电的聚光器采用平面反射镜代替抛物面槽式反射镜，其结构简单，离地面较近，风载荷较低，反光镜可以紧密布置，提高了土地利用率；吸热管也无需进行真空处理，因此，技术难度和成本均有所降低。缺点：几何聚光比较低，集热温度和系统效率不太高。7.4.2线性菲涅尔式聚光器设计对于第一块玻璃镜：求出α1后，可由下式求出后续玻璃镜的宽度、角度、位置：线性菲涅尔聚光器与平板接收器相组合的聚光系统示意图7.4.2线性菲涅尔式聚光器设计根据以下公式可得到所有玻璃镜的宽度、安放角度、偏离中心的位置：线性菲涅尔聚光器与平板接收器相组合的聚光系统示意图7.1太阳能热发电系统的热功转化原理7.2太阳能储热原理与技术7.3抛物面槽式太阳能热发电7.4线性菲涅尔式太阳能热发电7.5塔式太阳能热发电7.6非聚光式太阳能发电技术第七章

太阳能热发电原理与技术塔式光热发电系统南京江宁70kW示范电站东南大学建成于南京江宁科技开发区的70kW塔式太阳能热发电系统试验示范工程，是由中国工程院院士张耀明主持研制的中国首座塔式太阳能热发电系统示范工程。它填补了我国太阳能热发电技术空白。这项示范工程是于2005年10月建成的，经过两年的调试、完善，和连续发电运行测试表明，该系统运行稳定、操控方便、安全可靠。塔式太阳能热发电系统的集热场由定日镜和位于高塔上的吸热器组成。目前并网的商业化电站中，聚光器大多采用双轴跟踪，主要以熔融盐作为传热介质，热功转化多采用水/水蒸气朗肯循环，熔融盐与水/水蒸气需要通过换热器换热。7.5.1系统概述熔融盐塔式太阳能热发电系统图7.5.2定日镜场的结构定日镜场：塔式太阳能电站的聚光装置，有一个由大量反射镜按照一定排列方式而成额定日镜阵列群，按四个象限分布在接受塔的四周，形成一个巨大的镜场。特点：定点追踪，反射光路固定不变。7.5.2定日镜场的结构镜面尺寸：20-140m2镜面反射率>0.9，钢化玻璃镀银或镀铝面型误差小于16’工作中抵御8级台风突袭设计寿命25年以上定期清洗7.5.2定日镜场的结构跟踪方式：双轴跟踪（1）极轴跟踪：极轴（平行于地轴）+赤纬轴（垂直于地轴）特点：极轴转速与地球自转角速度相同，方向相反；赤纬轴用于俯仰运动，需要定期调整。缺点：定日镜重心不通过极轴轴线，轴线支撑设备设计难度大。（2）高度角-方位角跟踪：高度轴（垂直于地平面）+方位轴（平行于地平面）特点：需同时调整优点：跟踪精度高，机械称重设计难度低7.5.3定日镜的跟踪规律定日镜的跟踪规律7.5.3定日镜的跟踪规律定日镜的跟踪规律7.5.4定日镜场的光学效率定日镜场的光学效率是指经定日镜场反射至吸热器采光面的太阳辐射能与入射至定日镜场采光面积上的总法向直射辐照度之比。1、衰减损失（大气透射效率）（1）定义：阳光从定日镜反射至吸热器的过程中，太阳辐射能在大气中传播时发生衰减所导致的能量损失（2）大气透射效率ηair（3）因素：距离越远，损失越大7.5.4定日镜场的光学效率2、余弦损失（1）定义：由于定日镜倾斜导致的定日镜实际接收到的太阳能辐射小于理论最大接收辐射的现象（2）余弦效率ηcos（3）因素：入射角θi，损失刚好是cosθi7.5.4定日镜场的光学效率3、阴影和遮挡效率（1）阴影损失定义：定日镜的反射面处于相邻一个或多个定日镜阴影下而不能接收太阳辐射能的情况（2）遮挡损失定义：反射的太阳能被相邻一个或多个定日镜背面遮挡而不能被塔顶吸热器接收所造成的的损失7.5.4定日镜场的光学效率4、截断损失（1）定义：截断损失是由于镜子的面型误差、追踪误差、光线散射、太阳形状误差等因素的影响，经定日镜反射后的太阳辐射能没有到达吸热器表面或入口，而逸散到外界大气中所引起的损失。（2）成因：光的发散性、镜面变形误差及镜面追踪误差7.5.5定日镜场的布置1、直线型布置直线形布局的定日镜场相对比较简单，其特点是定日镜按照直线进行排布，同一行定日镜镜间距相等，相邻行之间的定日镜东西方向交错布局，不同行之间可以等间距或不完全间距。采用直线型布置可以尽可能地提高土地利用率，定日镜场的定日镜密度较大，但阴影与遮挡损失也相对较大，特别是每一列两端的定日镜。该布置形式适用于定日镜场规模较小或土地面积限制较大的情形。直线形布局的定日镜场示意图7.5.5定日镜场的布置2、辐射网络排列定日镜布置于以吸热塔为圆心的同心圆环上，同一圆环上的定日镜间距相等，相邻圆环之间的定日镜交错布置。直线形布局的定日镜场示意图7.5.6吸热器的分类及热效率优点：①结构简单，造价低；②可以接收来自360°范围内定日镜反射聚焦的太阳光，有利于定日镜场的布置和大规模利用。缺点：吸热管都暴露在环境中，辐射、反射和对流热损失较大，尤其是在有风天气，吸热效率会降低。优点：①管束布置在腔体内，其辐射、反射和对流损失都较小，热效率较高；②有保温层的绝热作用，减少了与环境间的对流热损失；③吸热面上热流密度可以二次调控；④吸热管束短，压降小。缺点：定日镜场的布置受到一定限制，只能单侧布局。7.1太阳能热发电系统的热功转化原理7.2太阳能储热原理与技术7.3抛物面槽式太阳能热发电7.4线性菲涅尔式太阳能热发电7.5塔式太阳能热发电7.6非聚光式太阳能发电技术第七章

太阳能热发电原理与技术7.6.1太阳池发电技术太阳池热发电系统主要由加热子系统和热功转化子系统构成，热功转化子系统主要采用的是有机朗肯循环，有机工质在换热器中被太阳池底部的热盐水加热。太阳池热发电系统的系统图7.6.2太阳能热气流发电太阳能热气流发电系统（SolarChimneyPowerPlantSystem,SCPPS）又称为太阳能烟囱热气流动力发电，主要由太阳能集热棚、热动力烟囱、风轮发电机组等部分组成。太阳能热气流发电的原理图西班牙50kW太阳能热气流发电试验性电站7.6.2太阳能热气流发电冷空气从太阳能集热棚的吸风口进入，太阳辐射透过太阳能集热棚加热冷空气，冷空气在到达热动力烟囱底部的过程中，温度逐渐变高，密度逐渐变低。因此，烟囱底部的热空气与外界环境的空气形成了压力差。随后，在压力差的作用下，烟囱底部的热空气形成了上升气流，并在上升的过程中推动风轮发电机组发电，热空气温度逐渐下降。7.6.2太阳能热气流发电太阳能热气流发电具有设计简单、节水环保等优点，适合于干旱或半干旱地区，但是，该技术的发电效率较低，一般低于3%，其初始投资成本普遍较高，因此，太阳能热气流发电还未实现商业化应用。（1）掌握常见太阳能热发电系统的热功转化原理，重点掌握水/水蒸气朗肯循环和布雷顿循环及其相关计算，了解有机朗肯循环、Kalina循环以及斯特林循环；（2）了解太阳能储热的意义，掌握显热储热、潜热储热和可逆化学反应热存储的原理并能够分析其优缺点；（3）能够描述抛物面槽式太阳能热发电系统，掌握端部损失和阴影损失，能够计算集热场效率并分析影响槽式太阳发电系统额定发电功率的主要因素；（4）能够描述线性菲涅尔太阳能热发电技术的系统，了解线性菲涅尔太阳能热发电系统聚光器的设计原理；（5）能够描述塔式太阳能热发电系统，掌握定日镜的跟踪规律及光学效率计算计算方法，了解定日镜场的布置原理、吸热器的分类及热效率。本章小结太阳能转换原理与技术8.1太阳能热水系统8.2

太阳能热水系统设计8.3太阳能制冷8.4太阳能干燥8.5太阳能海水淡化第八章

太阳能中低温热利用技术8.1.1太阳能热水系统的分类太阳能热水系统（SolarWaterHeatingSystem）是将太阳能转化为热能并加热水的装置，包括太阳能集热系统和热水供应系统。太阳能集热系统（SolarCollectorSystem）是吸收太阳能并将产生的热能传递到传热介质并最终得到热水的装置。太阳能集热系统通常包括太阳能集热器、储热水箱、泵、连接管道和控制系统等。热水供应系统（HotWaterSupplySystem）是将储热水箱中的热水通过泵、配水管道和控制系统等输送到各个热水配水点的装置，通常还包括必要的辅助加热设备。8.1.1太阳能热水系统的分类按循环方式分类（1）直流式：传热工质通过集热器加热后进入储热水箱或直接利用，不再循环。属于直接式热水系统。（2）自然循环式：传热工质内部的温度梯度产生密度差，进而通过形成的自然对流进行循环的太阳能热水系统，属于直接式太阳能热水系统。储水箱要高于集热器顶部（3）强制循环式：利用外部动力迫使传热工质通过集热器并进行循环加热的太阳能热水系统。直接式或间接式按集热系统与热水供应系统之间的关系分类（1）直接式系统又称为一次循环系统，指的是太阳能集热器加热的热水直接供给用户（2）间接式系统又称为二次循环系统，指的是太阳能集热器先加热某种传热介质，该传热介质再通过换热器加热水并供给热用户8.1.1太阳能热水系统的分类按有无辅助加热设备分类（1）对于有辅助热源加热设备的系统而言，当没有太阳能或太阳能不足时，可利用辅助加热设备为热用户提供热水（2）对于没有辅助热源加热设备的系统而言，只能依靠太阳能提供热水，当没有太阳能或太阳能不足时，系统无法产出热水按传热介质与大气的连通状况分类（1）敞开系统：传热介质与大气有大面积接触，接触面主要在蓄热系统的敞开面（2）开口系统：传热介质与大气的接触仅限于补给箱和膨胀箱的自由表面或排气口的系统（3）封闭系统：传热介质与大气完全隔绝的系统。8.1.2自然循环太阳能热水系统自然循环式：依靠水自身温差所产生的浮升力进行集热循环。过程简介：水在集热器中通过吸收太阳辐射能被加热，水温升高且密度减小，与储水箱中未被加热的冷水形成密度差和热虹吸压头。被加热的水在浮升力的推动下在集热器内上升并经过上循环管进入储水箱；而储水箱中的冷水温度较低且密度较大，将经过下循环管流入集热器下部被集热管加热。经过不断地循环加热，储水箱中的水最终会达到某一平衡温度。自然循环系统示意图8.1.2自然循环太阳能热水系统过程简介：该系统装有一套温度传感器，当所测水温达到预设的温度后，电磁阀打开，循环水箱中的热水通过热水管流入位置较低的储水箱中；同