太阳能转化原理与技术课件-第七章太阳能热发电原理与技术

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