新能源发电技术3_太阳能热发电技术

1新能源发电技术第3章太阳能热发电技术2目录第3章太阳能热发电技术3.1太阳能热电技术研究发展概况3.2太阳能发电站的基本系统与构成3.3塔式太阳能热发电系统3.4槽式太阳能热发电系统3.5盘式太阳能热发电系统3.6太阳池热发电系统3.7太阳能热气流发电系统3.8太阳能热发电技术发展前景33.1太阳能热发电技术研究发展概况43.1.1太阳能热发电技术的分类(1)太阳能热发电技术定义将吸收的太阳辐射热能转换成电能的发电技术太阳能热发电技术分类利用太阳热能直接发电（发电量小，处于原理性试验阶段）半导体及金属材料的温差发电真空器件中的热电子或热离子发电碱金属热电转换磁流体发电将太阳热能通过热机带动发电机发电（与常规发电设备相似）53.1.2世界太阳能热发电技术发展历程(1)1774年法国和英国科学家进行聚焦太阳能实验1878年，一个小的太阳能动力站在巴黎建立1901年,美国工程师研制成功7350W太阳能蒸汽机1913年，太阳能驱动水泵。36.8kW太阳能动力机随着石油和天然气的大量开采，人们对太阳能动力的兴趣受到限制1950年，原苏联设计了世界上第一座塔式太阳能热发电站小型试验装置。1973年爆发世界性的石油危机，人们对太阳能兴趣增加，太阳能电池价格相对更贵，得到发展1980年年代中期，建造了几十座500kW以上的塔式电站，后由于投资太大，研究变冷。63.1.2世界太阳能热发电技术发展历程(2)1980年年代中期，以色列和美国联合组建的LUZ太阳能热发电国际有限公司，主研制槽式抛物面反射镜太阳能热发电系统，建立了9座槽式太阳能热发电站，除此投资和发电成本分别降到2650美元/kW和8美分/kWh，但是1991年LUZ公司破产。美国分别在1980年和1996年于加州建立了太阳I号和太阳II号10MW塔式太阳能热发电站。1983年美国加州建立盘式斯特林太阳能热发电系统20世纪70年代，以色列在死海建立了3座太阳池热发电站。1983年西班牙建成一座太阳热气流太阳能热发电站其它国家还有海水温差、太阳能热离子发电等73.1.3中国太阳能热发电技术发展(1)1970年代中期开始应用性基础试验研究在天津建造一座功率为1kW的塔式太阳能热发电模拟试验装置在上海建造了一套功率为1kW的平板式低沸点工质太阳能热发电模拟试验装置中科院电工所对槽式抛物面反射镜子太阳能热发电进行了研究最近对碟式太阳能热发电研究较多83.2太阳能热发电站基本系统与构成93.2.1电站热系统(1)常规能源发电过程燃料在锅炉燃烧，加热工质(水)变成过热蒸汽驱动汽轮发电机组发电，将热能转换成电能遵循兰金循环原理工作汽轮发103.2.1电站热系统(2)太阳能热发电工作原理利用太阳集热器将太阳能收集起来，加热工质（水）产生过热蒸汽驱动动力装置带动发电机发电，将热能转换成电能113.2.1电站热系统(3)太阳能热发电过程热力学上与常规热力发电厂完全一样，遵循兰金循环太阳能热发电与常规能源发电区别一次能源：太阳辐射能－矿物锅炉：太阳锅炉(集热器)－普通锅炉太阳能密度低不稳定一般需要设置蓄热子系统或辅助能源子系统，这是由太阳辐射能本身的特点决定的。123.2.2电站循环效率(1)电站循环效率热动力过程，效率最高的热力循环是卡诺循环121211TTTTT要提高卡诺循环效率，提高工质温度和降低放热温度太阳能热电站选择地皮便宜和高纬度，缺水，空气冷却凝汽器133.2.2电站循环效率(2)电站循环效率为提高太阳能热循环系统的效率，重要方法之一是提高循环系统工质的初温。采用聚光集热器，还要涂高温选择性吸收膜决定太阳能热发电效率的另一个重要因素是太阳能集热器效率c理想的太阳能热发电系统总效率s=c由上式选择最佳工作温度143.2.3太阳能热发电系统组成(1)系统组成4大部分聚光集热子系统蓄热子系统辅助能源子系统汽轮发电子系统聚光集热子系统聚光器：收集阳光将其聚集到一个有限尺寸面上，提高单位面积上的太阳辐射度聚光方式：平面反射镜，曲面反射镜和菲涅尔透镜平面反射镜：聚光比100-1000，工质温度500-2000℃曲面反射镜：一维（槽型）抛物面反射镜、二维（盘式）抛物面反射镜和混合平面－抛物面反射镜槽型抛物面反射镜：聚光比10-30,集热温度400℃盘式抛物面反射镜：聚光比50-1000,集热温度800-1000℃菲涅尔透镜：线形聚光比3-50,圆形聚光比50-1000153.2.3太阳能热发电系统组成(2)聚光集热子系统聚光器的性能要求光学性能：镜面反射率越高越好；保持镜面清洁机械性能：反射镜面平整度好；镜面与镜体有很高的机械轻度与稳定性；镜面与保护膜有很强的粘合度化学稳定性：很强的耐腐蚀性能接收器接收经过聚焦的阳光，将太阳能辐射能转变为热能，并传递给工质接收阳光的表面必须涂覆选择性吸收膜跟踪装置跟踪方式：单轴跟踪（槽型）和双轴跟踪(盘式塔式)控制方式：程序控制、传感器控制、程序传感器结合控制163.2.3太阳能热发电系统组成(3)蓄热子系统蓄热器采用真空或隔热材料作良好的贮热容器，对蓄热材料进行贮热和取热。蓄热方式有：显热蓄热价格低，易于得到；热容量小，蓄热器体积大潜热蓄热单位容积蓄热容量大;熔点不稳定和均匀,毒性和火灾化学储能A吸收太阳热能转变为B+C；B+C=A释放热能蓄热量大，体积小、质量轻等；目前仍存技术困难173.2.3太阳能热发电系统组成(4)辅助能源子系统维持电站能够一直持续运行如果没有辅助能源子系统则需要很大的蓄热子系统容量增设常规燃料作为辅助能源，用于阴雨天和夜间常规燃料可以是天然气、石油和煤汽轮发电子系统动力发电装置种类及适合的发电系统:现代汽轮机；燃气轮机；低沸点工质汽轮机；斯特林发动机现代汽轮机和燃气轮机工作参数高：大型塔式和槽式太阳能热发电系统斯特林发动机：盘式抛物面发电系统低沸点汽轮机：太阳池太阳能发电系统183.3塔式太阳能热发电系统193.3.0引言(1)塔式太阳能热发电系统也称集中型太阳能热发电系统基本过程利用众多的平面反射镜阵列，将太阳辐射反射到置于高塔顶部的太阳能接收器上，加热工质产生过热蒸汽，驱动汽轮机发电，将太阳能转化为电能。203.3.1电站系统构成(1)塔式太阳能热发电系统由四部分组成聚光装置，集热装置，蓄热装置和汽轮发电装置213.3.1电站系统构成(2)聚光装置定日镜：平面镜、镜架、跟踪机构镜场设计:理想镜场每平方米镜面反射的太阳功率中冬春末中夏最大功率的95%(W)470680710超过最大功率95%的时间(h)3.64.65.8超过300W的时间(h)6.19.010.6有用的总功率(W)320059007200功率大于300W的总功率(W)270056006800功率大于300W的平均功率(W)5200223.3.1电站系统构成(2)聚光装置跟踪与监测控制装置：定日镜多，控制系统最为复杂233.3.1电站系统构成(3)中心接收塔：也称动力塔，是塔式太阳能热发电站的集热装置。由接收器与高塔组成接收器（太阳辐射直流锅炉）：空腔型和外部受光型热分析：接收器吸收太阳的太阳辐射总功率P=IbAgsorIb入射光幅度Ag镜场地面面积反射镜覆盖镜场面积的百分数s反射镜利用系数o入射到反射镜面的阳光中经反射实际到达接收器上的百分数r接收器表面对入射阳光的吸收率243.3.1电站系统构成(3)中心接收塔塔结构：钢筋混凝土和钢架竖塔的高度决定与镜场的规模蓄热装置两个开式贮热槽：冷盐槽和热盐槽一般贮热效率大于90%253.3.2典型塔式太阳能热发电站介绍(1)太阳I号电站简况美国能源部联合南加州几家公司合资兴建该电站位于北纬34.87°，西径116.83°，美国南加州沙漠地区附近1979年3月开始建设，1981年12月建成运行时间1982年4月12日至9月27日电站设计容量：10MW，夏季8h,冬季4h聚光集热装置定日镜1818台，四象限布置，单台定日镜反射镜面39.9m2，由12块背面镀银的微凹镜片组成。反射率为0.903，风速22m/s下可以运行，镜面收藏到低位时，可以抗风速40m/s。263.3.2典型塔式太阳能热发电站介绍(2)太阳I号电站蓄热装置汽轮发电机组运行概况初试和评估期2年，正常发电3年,14周每周运行5天。电站初次投资比例定日镜52％发电机组、电气设备18％蓄热装置10％接收器5％塔3%管道及换热器8%其他设备4％273.3.2典型塔式太阳能热发电站介绍(3)太阳II号电站概况设计容量10MW位于美国南加州Mojare沙漠地区1996年4月建成，6月发电定日镜1926台，40m2小型定日镜1818台，95m2的大型定日镜108台。定日镜双轴跟踪塔高91m蓄热系统2个钢制的蓄热盐槽283.4槽式太阳能热发电系统293.4.0引言(1)槽式太阳能热发电系统全称槽式抛物面反射镜太阳能热发电系统(SEGS)也称分散型太阳能热发电系统将众多槽型抛物面聚光集热器，经过串并联的排列，收集较高温度的热能，加热工质，产生过热蒸汽，驱动汽轮发电机组发电。303.4.1电站系统(1)电站系统组成聚光集热装置，辅助能源装置，蓄热装置，汽轮发电装置与塔式太阳能热发电系统相比，区别在于聚光集热装置313.4.2聚光集热装置(1)聚光集热装置组成聚光器、接收器和跟踪机构聚光器槽型抛物面反射镜由许多抛物面反射镜单元组成采用低碳玻璃制作，背面镀银混合平面－抛物面反射镜单抛物面聚光器聚光倍数低，只有几十倍采用一组跟踪太阳的平面镜将阳光反射到抛物面上，经过二次聚焦，提高聚光倍数接收器是一根作了良好保温的金属圆管目前有真空集热管和空腔集热管323.4.2聚光集热装置(2)接收器真空集热管金属圆管，涂选择性吸收膜，外面套真空的玻璃套管。用于短焦距抛物面反射镜空腔集热管：与塔式太阳能热发电系统的相同集热管不承压：双循环系统工作温度低于400℃跟踪机构分为东西向和南北向布置南北向布置：单轴跟踪，比塔式简单东西向布置：定期跟踪调整多个抛物面反射镜只作同步跟踪，跟踪装置简化，投资降低333.4.3LUZ槽式太阳能热发电站介绍(1)简介20世纪80年代，LUZ公司在美国加州沙漠地区建成9座槽式太阳能热发电系统，总装机353.8MW电站系统太阳能与天然气双能源未设置蓄热子系统工质为联二苯和二苯醚的混合物真空集热管工质温度393℃343.4.3LUZ槽式太阳能热发电站介绍(2)聚光集热器型号从LS-1到LS-4LS-3以油为工质，阳光吸收率0.96，为真空集热管。LS-4以水为工质，取消了大量换热器总体指标设计寿命30年发电效率8.5%太阳能依存率50%SEGSVIII初始投资2650美元/kW，发电成本8美分/kWh，上网电价13－14美分/kWh353.5盘式太阳能热发电系统363.5.0引言(1)19世纪70年代，法国巴黎建立了点聚焦盘式太阳能热发电系统近20年来，开发盘式太阳能热发电系统为了空间应用以单个旋转抛物面反射镜为基础，构成完整的聚光集热和发电单元。单个容量功率较小，一般5－50kW可以分散的单独进行发电，也可以由多个组成较大的系统发电。373.5.1装置构成(1)旋转抛物面反射镜与槽式抛物面反射镜镜面结构相同聚光比为500－6000接收器有机工质兰金循环动力机发电直流式空腔锅炉载热工质用硅油有机工质为甲苯气体工质布劳顿循环斯特林发动机发电将斯特林发电机直接安装在反射镜焦点处，运行温度800－1000℃,工质为氦气，效率高跟踪装置：双轴跟踪383.5.2曲型盘式斯特林太阳能热发电装置介绍1982年美国加州盘式斯特林太