2010新能源技术-2.1-太阳能热利用

1太阳能的热利用SolarThermalTechnology2背景之一国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006━2020年）中华人民共和国国务院3十个重点领域——第一是能源五大优先主题——节能;煤;油气;新能源;电网可再生能源低成本规模化开发利用重点研究开发大型风力发电设备；沿海与陆地风电场和西部风能资源密集区建设技术与装备；高性价比太阳光伏电池及利用技术；太阳能热发电技术；太阳能建筑一体化技术（光热及光伏）；生物质能和地热能等开发利用技术。4背景之二可再生能源中长期发展规划（2007年9月）中华人民共和国国家发展和改革委员会5重点发展领域：太阳能1、太阳能发电户用光伏发电系统；建筑物一体化的屋顶太阳能并网光伏发电设施；较大规模的太阳能光伏电站和太阳能热发电电站。2、太阳能热利用太阳能一体化建筑；太阳能集中供热水工程；太阳能采暖和制冷示范工程。水电、生物质能、风电、太阳能、其它可再生能源6太阳并不是一个一定温度的黑体，而是许多层不同波长发射和吸收的辐射体。但在应用太阳能系统时，通常把它看成是温度为6000K的黑色辐射体。太阳黑体辐射7Representstheentireelectromagneticradiation(visiblelight,infrared,ultraviolet,x-rays,andradiowaves)8到达地球的太阳辐射能地球在绕太阳运行过程中，与太阳间的距离变化不大，到达地球大气层上界的太阳辐射强度几乎是一个常量，用太阳常数AM0来表示。太阳常数的数值是指在平均日地距离时，地球大气层上界垂直太阳光线的单位面积表面、单位时间内所接受到的太阳能。近年来测得的太阳常数值AM0=1350W/m2，日地距离的变化造成的影响不超过±3.4%。AM0，太空常用，1350W/m2AM1.5，地面常用，844W/m29太阳辐射穿过地球大气层时的衰减太阳光谱中的x射线及其它波长更短的辐射，因在电离层被氮、氧及其它大气分子强烈吸收而不能穿越大气到达地表大部分紫外线被臭氧吸收可见光能量减弱，主要是地球大气强烈散射引起的红外光谱能量减弱，主要是由于水汽对太阳辐射选择性吸收的结果波长超过2500μm的辐射，在大气上界本来就很低，加上二氧化碳和水对它的强烈吸收，能到达地面的能量就更小因此，到达地面的太阳能，只考虑290μm～2500μm的辐射就行了。10ResourceCharacteristics——地面附近太阳辐射光谱图11Solarresource——我国太阳能资源分布12太阳能热利用的分类高温太阳利用系统(350℃以上)Hightemperatureforelectricpowergeneration中温太阳能利用系统(80－350℃)Heatingforindustrialprocessesand“active”buildingsolarheating(humancomfort)低温太阳能利用系统(80℃以下)Lowtemperatureforwaterheatingandpassivebuildingsolarheating(humancomport)13太阳能热发电技术太阳能供暖技术太阳能热水系统太阳能制冷技术其它太阳能的热利用技术太阳能热利用的分类141太阳能热发电技术1.1太阳能热发电的类型和特点太阳能热动力发电，利用反射镜或集热器将阳光聚集起来，加热水或其它介质，产生蒸汽或热气流以推动涡轮发电机发电；利用热能直接转换为电能的装置，将聚集的太阳光和热直接发电。例如温差发电、热离子发电和磁流体发电等。目前太阳能热发电技术主要为热动力发电系统。15太阳能高温利用示例——集中热动力发电161.1太阳能热发电的类型和特点太阳能是一种能流密度很低的能源，若要提高经济效益，就必须提高热机效率和规模大型化。太阳辐射能很容易以极高的效率转换为热能，但把热能转变为功则受到限制。热力学第二定律和卡诺定律阐述了热转换为功的条件和最大转换效率，提高热机效率的主要途径是提高热源温度。171.2太阳能热发电系统塔式电站碟式电站槽式电站太阳能烟囱发电系统18PowertowerinBarstow,California19PowertowerinBarstow,California20(1)塔式电站PowerTowers塔式电站用一个中心吸收器取代火力发电站的锅炉。吸收器利用由许多反射镜聚集的阳光把其中的介质(如水)加热，并产生温度和压力都相当高的蒸汽。蒸汽驱动汽轮发电机组发电。塔式电站的聚光倍数高(1000～3000)，其介质工作温度通常大于350℃，因此通常被称为高温太阳能热发电。塔式电站的优点是聚光倍数高，容易达到较高的工作温度；能量集中过程由反射光一次完成，方法简捷有效；吸收器散热器面积相对较小，光热转换效率高。但塔式电站建设费用高，其中反射镜的费用占50%以上。太阳能塔式电站的总体效率可以达到20%。21目前世界上较大的太阳能塔式电站功率已达到104kW，太阳能辐射通过多个反射镜聚集到放置在高塔顶的中心吸收器上。计算机控制每块反射镜都能独立的根据太阳的位置来调整各自的方位和倾角，这保障了每块反射镜都能随时把太阳能反射到吸收器上，但这无疑增加了成本。塔式电站的致命缺点是太阳能电站规模越大，反射镜阵列的占的面积越大，吸收塔的高度也要提升。例如，一个计划中的1MW的塔式电站，要用2.93万块反射镜，单镜面积为30m2。这些反射镜布置在3km2的场地上，塔的高度为305m。22100m2定日镜heliostat2324Currentheliostatprices$125to$159m-225(2)碟式电站Dishtechnology采用碟状(也称盘状)抛物镜作集热器。Smallscaledistributedapplications26Becausetheyworkbestunderdirectsunlight,parabolicdishesmustbesteeredthroughoutthedayinthedirectionofthesun.Shadingandlanduseconsiderations27碟式电站缺点——系统复杂抛物镜如建立一个100MW的碟状抛物镜集热器分散布置的太阳能电站，约需要1～2万个直径为6m的抛物镜。高温接收器管路及绝热材料跟踪控制系统28(3)槽式电站ParabolicTroughs槽式电站与碟式电站相似，它把聚焦器分散布置，使载热介质在单个分散的太阳能聚焦集热器中加热成蒸汽，再汇集至汽轮机。如采用双回路系统，则加热后的载热介质不直接送到汽轮机，而是集中在一个热交换器内，然后把热量传递给汽轮机回路中的工质。29槽式聚光器Parabolictroughconcentrator30槽式电站集热器示意图One-axistrackingparabolictroughwithaxisorientedeast-west31CollectorsinsouthernCA3233塔式电站和碟式抛物镜集热器分散布置式电站均为点聚焦，聚光倍数高达500以上。但塔式电站的跟踪代价高，碟式电站的能量集中代价大，二者受到了目前技术水准的限制，实现商业化尚需时日。槽式电站是线聚焦，聚光倍数小于100。但槽式电站跟踪精度低，导致控制代价小，同时采用管状吸收器，工作介质受热流动同时集中能量。槽式电站的总体代价相对小，经济效益相对提高，所以目前槽式电站发展迅速。塔式、槽式和碟式三种电站技术比较：34(4)烟囱发电Solarthermalchimney太阳能烟囱发电系统由太阳能集热棚、太阳能烟囱和涡轮机发电机组3个基本部分所构成太阳能热风发电构想是由德国斯图加特大学的J.Schlaich教授于1978年提出35太阳能热风发电技术原理简图36太阳能集热棚建在一块太阳辐照强、绝热性能比较好的土地上。集热棚和地面有一定间隙，可以让周围空气进入系统；集热棚中间离地面一定距离处安装烟囱，在烟囱底部装有涡轮机。太阳光照射集热棚，集热棚下面的土地吸收透过覆盖层的太阳能辐射能，并加热土地和集热棚覆盖层之间的空气使集热棚内空气温度升高，密度下降，并沿着烟囱上升，集热棚周围的冷空气进入系统，从而形成空气循环流动。由于集热棚内的空间足够大，当集热棚内的空气流到达烟囱底部的时候，在烟囱内将形成强大的气流，利用这股强大的气流推动装在烟囱底部的涡轮机，带动发电机发电。太阳能热风发电技术原理37太阳能热风发电技术优点：太阳能几乎是取之不尽，用之不竭的清洁能源，太阳能热风发电对环境无污染；太阳能热风电厂通过设置蓄热系统，可实现全天候运行；太阳能热风电厂设备简单，透平发电机组是唯一的运动部件，维护费用低；不需冷却水、不产生二氧化碳气体，对缓解全球变暖有积极作用。381.3太阳能集热吸收器太阳能发电站与火力发电站之间的最重要的区别是用集热器取代锅炉。集热器的功用是有效的吸收太阳能而又不向外扩散。以槽式电站为例，集热器的主要类型有：真空管吸收器和腔体式吸收器。39真空管吸收器的结构图(1)真空管式吸收器40真空管吸收器的优缺点真空管吸收器的优点是金属管与玻璃管之间不存在对流热损，玻璃管外径较小且透明，从而既减少了对阳光的遮影，也通过增大热阻降低了外表面的对流热损；有选择性涂层的金属管壁对阳光的吸收率很高，但发射率却非常低。真空管吸收器的缺点是由于玻璃和金属的热膨胀系数不同，玻璃管与金属管之间存在温差，造成中温时(略低于350℃)真空封口处的玻璃容易脆裂，从而难以在室外环境下长期维持真空度；在中温时光学选择性涂层容易老化和脱落，难以长期维持大规模光学选择性吸收表面的热稳定性。41(2)腔体式吸收器腔体式吸收器的结构为一柱形腔体，外表面覆隔热材料，由于腔体的黑体效应，使其能充分吸收聚焦后的阳光。腔体式吸收器主要适用于长焦聚光器。图2-4为腔体式吸收器集热器剖面图。腔体式吸收器集热器剖面图42腔体式吸收器的优点吸热过程不是发生在最强聚焦区，而是在聚焦过后和发射时，并以较大的内表面积向工作流体传热，致使和真空管吸收器相比具有较低的投射辐射能流密度；腔体壁温较均匀，可减小与流体之间的温差，使开口的有效温度降低，从而最终使热损降低；经优化设计的腔体式吸收器，热性能比真空管吸收器稳定，在同样情况下，工作介质平均温度大于230℃时，腔体式吸收器既不需要抽真空，也不需要涂光学选择性涂层，仅采用传统的材料和制造工艺；成本低和便于维护也是腔体式吸收器的特性。腔体式吸收器的集热效率大于真空管吸收器，这使它成为槽形抛物镜集热器的吸收器。腔体式吸收器的发展已受到重视。432太阳能供暖技术太阳能采暖技术直接利用太阳辐射能供暖，也称太阳房(SolarHouse)。现代技术不断扩展和完善太阳能的功能，新式太阳房具有太阳能收集器、热储存器、辅助能源系统和室内暖房风扇系统，可以节能75－90%。太阳房具有良好的环境效益和经济效益，与建筑设计有机结合，日益成为太阳能利用的重要领域。442.1被动式太阳房PassiveSolarHouseThesimplestandmosteconomicalapproachNofans,pumps,oractivecirculationofheat45PlasticGreenHouse46GlassGreenHouse4748（1）利用温室效应的被动式太阳房集热墙，排气孔,通风孔当太阳照射到集热墙时，墙内的空气在被加热后会由于冷热空气密度不同而产生对流。由于热的空气上升，会源源不断进入室内，而室内底层的冷空气则被集热墙吸收，形成循环对流后，室内的温度慢慢升高。当没有阳光时，关闭集热墙的通风孔，房屋的四壁和顶蓬的保温性得到保障，室温可以保持。当天气炎热时，将集热墙上部通向室内的通风孔关闭，再打开顶部的排气孔，如有地下室还可引入冷空气。这种集热墙将起抽风作用，使室内的空气加速运动，达到降温的目的。49带集热墙式的被动式太阳房5