太阳能光热应用技术-第六章

6.1太阳能热动力系统目前，太阳能热动力（CSPConcentratingSolarPower）发电是太阳能应用领域的一个不可忽视的方向，全球运行和建设的太阳能热动力电站已分别超过了800MW和900MW的装机规模，规划中的工程高达12.5GW以上；而国内在建的仅仅52MW左右，未来规划有4000MW，增长空间巨大。据估计，2030年，新能源电力将从目前的5%提高到18%，到2050年，太阳能发电将占有20%～25%的供电份额，未来太阳能热动力发电将与太阳能光伏（PV）发电平分秋色，分别提供11%左右的电力份额。1GW=1000兆瓦=100万千瓦6.1.1太阳能热动力系统原理太阳能热动力的原理是利用平板型或聚集型集热器将太阳能转变为热能，然后用这种热能来驱动热机，从而实现太阳能到机械能的转变。太阳能热动力系统，一般包括上述的太阳能集热器和热机两个部分。前者主要是将太阳辐射转变为热能并作为热机的热源，而后者则从前者获得热量并将其中一部分转变为功，另一部分由冷凝器排除给环境。6.1.2太阳能热力发电系统构成太阳能热动力发电系统一般由聚光器、集热器、输热系统、储热、热机和发电系统组成。太阳辐射能投射在组成阵列的集热器上而被集热器中的介质吸收，受热的介质通过输热回路，把热量传送到储热-热交换装置中，再由热交换器将能量提供给热力机，并将其中一部分转变为功。1．太阳能聚光器由于太阳辐射能量的密度很小，为了能够达到发电所需的温度，必须用聚光器把近似平行入射的大面积的太阳光汇聚到一个很小的面积上，从而使该面积上的能流密度增大，温度达到可以用于发电的程度。反射面面积和吸收面面积之比就是几何聚光比。实际应用中，我们更关心聚光器的能量聚光比，即吸收体的平均能流密度和入射能流密度之比，其数值上等于几何聚光比和光学效率的乘积。2．太阳能集热器太阳能集热器，是吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热介质的装置。它的主要用途是用来收集热量，然后再与其他装置进行热交换。在太阳能的热利用中，关键是将太阳的辐射能转换为热能。由于太阳能比较分散，必须设法把它集中起来，所以，集热器是各种利用太阳能装置的关键部分。太阳能集热器的种类很多，分类方法也不尽相同。（1）按传热介质分类：可分为液体集热器和空气集热器两大类，其中以液体为传热介质的大多用水作介质，即构成各种太阳能热水器；以空气为传热介质的，则构成多种太阳能干燥器。太阳能集热器的核心是吸热板，它的功能是吸收太阳的辐射能，并向传热介质传递热量。在以液体为介质时，此种吸热板有管板式、翼管式、扁盒式、蛇管式等，可用金属材料和非金属材料制成。吸热板的向阳表面涂有黑色吸热涂层。以空气为传热介质的太阳能集热器吸热板的结构常有网格式、蜂窝式和多孔床式等。（2）按采光方式分类：可分为聚光型集热器和非聚光型集热器两大类。非聚光型集热器是利用热箱原理（也称温室效应）将太阳能转变为热能的设备。最常见的太阳能集热器是非聚光型平板型集热器。它的吸热体基本上为平板形状，吸热面积与采光面积近似相等。聚光型集热器利用聚焦原理，即利用光线的反射和折射原理，采用反射器或折射器使阳光改变方向，把太阳光聚集并集中照射在吸热体较小的面积上，增大单位面积的辐射强度，从而使集热器获得更高的温度。（3）按吸热体周围的状态分类：可分为普通集热器和真空管集热器。真空管集热器是将玻璃壁与吸热体之间抽成一定的真空度，以抑制空气的对流和传导热损。吸热体表面镀上一种特殊的涂层代替黑色的吸热板，还可抑制吸热体的辐射热损。因此，真空管集热器具有比普通平板型集热器更优良的热性能。在高温和低温环境下均有较高的集热效率。真空管集热器按其材料结构可分为全玻璃型和金属吸热体型两大类。其中全玻璃真空太阳能集热器具有透过率和吸收率高、热反射率低、对流热损小以及全年使用时间长等优良特性，同时制造工艺简便、技术成熟可靠、成本较低。全玻璃真空管热水器的使用日益广泛。图6-1所示为全玻璃真空管太阳能集热器的结构示意图。3．热传输系统将热能从吸收体中传送到储热装置，一般由载热流体通过输热管道来完成。（1）载流热体：可供选择的载流热体有水、气体、有机液体、液态金属等。各种载流热体各具特点：水具有价格便宜、来源充分、使用安全、操作容易以及良好的热力学特性，但是它的蒸汽压力较高，必须增温，而且高温下水还具有腐蚀性；气体（如氢气、氦气、二氧化碳等）安全、易于操作，可在高温下进行工作，缺点是容积比热低；有机液体的蒸汽压一般说来比水低，而且侵蚀作用极为微弱，具有较好的物理、化学特性，但是它们在高温下容易发生分解，而且价格也比较昂贵；液态金属也具有较低的蒸汽压，热传导率和比热都较高，缺点是它们具有化学反应性和腐蚀性，因而要求价格高昂的结构材料以及专门的操作技术，液态金属（如钠）的价格也是比较昂贵的。（2）管道材料：输热的管道，必须具有能承受管内流体的压力和温度的能力，同时具有适当的抗老化和机械疲劳的能力。（3）绝缘材料：主要有两种做法，一种是在输热管道外面加上绝热材料，另一种是利用热管输热。4．储热装置通常，储热装置使用真空绝热或以绝热材料包覆的储热容器来完成。按照太阳能集热器得到热能的温度范围，一般把太阳能热动力系统的储热分为以下几种类型。（1）低温储热：对于以平板集热器作为热源和以低沸点工质作动力工质的小型太阳能动力系统，常采用低温储热，如用水储热。也有人提出用潜热储热器，如水化盐等。（2）中温储热：一般指300℃左右的储热，这时可采用高压热水或有机流体如导热姆等。（3）高温储热：一般指500℃左右或500℃以上的高温储热装置，高温储热材料有钠及熔化盐（如氯化物、氟化物等）。5．热机系统太阳能热机的工作原理和一般的热机一样，通过工质从高温热源吸热，向低温热源放热而同时对外做功。下面以采用朗肯循环的蒸汽机和采用斯特林循环的热气机为模型，简单介绍一下太阳能热机。（1）蒸汽机小型太阳能蒸汽机由于效率低、价格贵，使用较少，但有时使用低沸点介质的汽轮机如氟利昂汽轮机。它的工作流程是从集热器-储热交换器系统将热量传给氟利昂，使加压后的氟利昂液态蒸发成为氟利昂蒸汽，再进入汽轮机膨胀做功。降压后的氟利昂蒸汽从汽轮机排出后经冷凝液化，再由泵对其加压，然后开始新的循环。（2）热气机按照斯特林循环工作的热气机是一种外部供热的闭式循环往复式发动机。斯特林热机在运转过程中，工作气体被持续加热及冷却，其体积也不停地膨胀及压缩。其理想循环由定温压缩、定容加热、定温膨胀和定容放热四个过程组成。过程①→②：左活塞（动力活塞）不动，右活塞（位移活塞）向左进行，使工质空气被定温TL压缩到最小容积，同时放出热QL；过程②→③：两活塞以相同速度同时向左行进以保持空气在定容下从再生器中吸收热量Qr，使空气温度由TL提高到TH；过程③→④：右活塞不动，左活塞在继续加热QH时定温膨胀做功；过程④→①：两活塞以相同速度同时向右行进以保持空气在定容下向再生器放出热量Qr，使空气温度由TH降低到TL。6.1.3太阳能热动力水泵1．太阳能热动力水泵的系统组成太阳能热动力水泵系统也属于太阳热动力系统，其系统组成与工作原理如下。总体而言，整个系统主要由三部分组成。载热流体回路：在低温系统下，载热流体大多数情况为水。其在集热器中被太阳辐射加热，然后进入蒸发器中，液体工质在蒸发器中通过热交换后被汽化，流体本身在回路中变冷，再次回到集热器中重新加热，新的循环就此开始。工质回路：在这个回路中，包括了蒸发机、膨胀机、增压泵在内的三大主要部件。对于液态工质来说，在蒸发机里边被汽化以后，具有高温、高压，此时进入膨胀机中会做功失去热量，这个过程结束后又回到冷凝器中，再次变为液体，增压泵此时开始工作，将液体重新加热蒸发，开始新的循环。泵水回路：此回路中，液压泵由集热器驱动水泵抽水。一般来说，太阳能热动力水泵采用低温热力循环系统，工质通常采用制冷剂氟利昂。若采用集热器的效率能达到50%以上，热力循环系统的最大效率可达10%。根据公式计算，总效率此时可以达到2%～3%。2．太阳能热动力水泵的分类太阳能热动力水泵有很多种类，按照工作温度可分为低温型、中温型、高温型，若按照热循环方式可分为郎肯循环和斯特林循环等。目前应用最为广泛的热动力水泵为郎肯式热动力水泵，但郎肯式热动力水泵的效率较低，一般来讲，只有2%～3%。而斯特林热动力水泵的工作效率却要高得多，达到了10%以上，同时，斯特林热动力水泵还有寿命长、噪音低、可靠性高的特点。因此，斯特林热动力水泵已经逐步受到了各个国家的关注。到目前为止，已经有大量的太阳能热动力水泵在世界各地投入了生产，其中墨西哥与塞内加尔两国的太阳能热动力水泵的数量是相对较多的。同时，在发展中国家，太阳能热动力水泵的发展趋势也比较明显。（补充）理想的朗肯循环1-2绝热膨胀过程2-c定温（定压）放热过程c-5绝热压缩过程5-1定温（定压）吸热过程实际核动力装置并不用卡诺循环，尽管1-2可以在汽轮机中近似实现，2-c过程可以在冷凝器中近似实现，5-1可以在蒸发器中近似实现，但状态c处于饱和水和饱和汽相混合的湿蒸汽区，使用泵实现绝热压缩过程c-5极为困难。（补充）理想的朗肯循环1-2绝热膨胀过程2-3定温（定压）放热过程3-4绝热压缩过程4-5吸热过程5-1定温（定压）吸热过程朗肯循环与卡诺循环的区别：乏汽的凝结是完全的，这使循环过程中多了给不饱和水加热的4-5的过程，减小了循环的平均温差，使热效率降低，但压缩水较压缩汽水混合物方便得多，因而有利于简化设备。（补充）理想朗肯循环除了水力发电外，差不多所有的电能都是采用朗肯循环的热电站，图6-2为这种电站主要的结构示意图。其中，工质（一般情况下为水）在蒸发器中被蒸发为水蒸气并且过热，从而进入蒸汽机，通过喷管加速后驱动叶轮旋转带动发动机发电。离开蒸汽机的工质仍为水蒸气，但压力与温度都已经大大降低，成为饱和的蒸汽后进入冷凝器，从而向冷却介质释放潜热，凝结成液体。此时，凝结成为液体的工质会被重新通过泵送回蒸发器。以上便是整个系统的工作循环。在热源不断加热蒸发器的情况下，系统就会不断地发电。此时，热源如果采用太阳能，此系统就成了太阳能热动力系统。但是，由于太阳能只能在白昼的情况下得以利用，因此，为了保证其在夜间也可以继续工作，一个蓄热器就显得非常必要，具有存储功能的蓄热器因而出现在新的系统当中。从理论上讲，热动力装置最有效的循环是卡诺循环，然而，实际的所有热力系统都不能按这种循环工作。这是因为实际热机中的热和摩擦损失降低了卡诺热机的实际效率，比朗肯循环所能达到的效率还要低。如果想要得到确定太阳能热动力的某些变量的感性认识，对理想下的太阳能热驱动的卡诺系统进行深入的研究是非常有意义的。如果摩擦损失可以忽略，对于独立的动力装置的效率来讲，动力循环效率可表示为：式中，WS为循环轴的功率，Qim为循环的热输入，Q0为循环排出的热量。在理想的卡诺循环中，吸热和排热的过程发生在等温的过程T1、T2，同时，工质的压缩和膨胀发生在等熵的过程。由于等温吸热为T1ΔS，等温排热为T2ΔS（ΔS为熵的变化），所以，卡诺热机效率为式中，T1为热源温度，T2为冷源温度。由式（6-8）可以看出，提高B的有效办法就是尽量提高热源温度T1并降低冷凝器的温度T2。与此同时，对于太阳能热动力系统来说，冷凝器的温度主要由环境决定。一般来讲，水和空气为常用介质。因此，在河边或者水源充足的地方，使用便携式的动力装置较为常见。对于太阳能热动力装置来讲，选址时需要考虑到环境因素，诸如土地广阔、日照高的地方（如沙漠或高原）。但是，这些地方又面临着水源稀少的问题，因此，空气代替水源变得必要起来了。而对于空气冷凝器来说，其对流传热系数是远小于水的，这就要求工质与冷凝器有着较大温差和较大的换热面积。提高热源的温度对提高这个系统的效率是功不可没的，但并不意味着，温度越高越好，高温对结构材料及工艺都会提出更加苛刻要求，这样会提升热源的成本。每一种太阳能热动力装置的特性都受另外一个