72电力生产概论-第5讲-太阳能发电

华北电力大学程瑜[e-mail]第5讲太阳能发电概述光伏发电技术介绍光热发电技术介绍太阳高度角地理纬度大气透明度海拔高度日照时数等太阳高度角◦对于地球上的某个地点，太阳高度角是指太阳光的入射方向和地平面之间的夹角。太阳高度角越大，太阳辐射强度越大。地理纬度◦纬度越高，太阳辐射强度越小。拉萨：约北纬30°；北京：约北纬39°。大气透明度和海拔高度◦晴朗无云的天气，大气透明度高，到达地面的太阳辐射多；◦海拔越高，空气越稀薄，太阳辐射被吸收、散射的就越少，并且大气中的水汽和尘埃含量越少，大气透明度越大。海拔越高，太阳辐射能量越大。拉萨：约北纬30°；成都：约北纬30°美国西南部、非洲、澳大利亚、中国西藏、中东等地区是世界太阳能资源最丰富的地区。大部分地区处于可利用区，太阳能资源相当丰富储量丰富维持长久分布广泛太阳能利用设备的维护方便，运行成本低清洁无污染能量的分散性能量的不稳定性能量的间歇性，不连续能量转换过程◦光伏发电：将太阳的光能转换为电能。◦光热发电：将太阳辐射的热能转换为电能。光子（光波）光电子光伏效应形成电压形成电流太阳能电池◦N型半导体◦P型半导体◦PN结半导体的主要结构掺入硼时（P）◦P型半导体◦空穴多掺入磷时（N）N型半导体电子多硼硼硼硼P型半导体磷磷磷磷硼N型半导体磷磷磷硼硼硼P－N结硼硼硼硼P型半导体磷磷磷磷硼N型半导体硼硼硼硼磷磷磷磷磷PN结内部电场阻止了空穴和自由电子的进一步扩散，达到平衡P型半导体N型半导体PN结第一代太阳能电池单晶硅电池多晶硅电池7000~1万元转换效率：15%转换效率：12%6000~8000元第二代太阳能电池---薄膜电池4000~5000元转换效率：8%第三代太阳能电池---聚光型电池转换效率：30%光伏发电系统的构成◦太阳能电池方阵◦储能蓄电池◦太阳能控制器◦逆变器光伏单元→光伏组件→光伏方阵◦通常：一个光伏组件由36个光伏单元串联在一起光伏组件要为配套的铅酸蓄电池充电铅酸蓄电池额定电压多为12V典型的100c㎡光伏单元最高产生0.45~0.5V电压36个光伏电源串联：保证在多云天气下，总电压大于13V，以便为蓄电池充电控制多路太阳能电池方阵对负荷供电、对蓄电池充电、蓄电池给逆变器负荷供电的自动控制设备光伏发电的不稳定性和不连续性——储能装置◦铅酸蓄电池：性价比最优，应用最广◦硅胶蓄电池◦镍镉蓄电池DC→AC◦光伏电池和蓄电池输出：直流电◦民用电气设备，电网：交流电其他功能：◦最大功率点跟踪控制：随着太阳能电池温度变化和日照强度的变化，相应的输出电压和电流也变化，应自动控制太阳能电池的输出功率始终保持最大值◦防止单独运行：系统侧虽然已停电，但由于有太阳能继续供电，逆变器的输出电压并未变动。此时，就不能正确地检测出是否停电，为保护设备维修人员不受到伤害，应设置防单独运行功能。◦低电压穿越：当电网故障或扰动引起太阳能电站并网点的电压跌落时，在电压跌落的范围内，太阳能发电系统能够不间断并网运行。热电直接转换：利用太阳能提供的热量直接发电（依靠特殊的物理现象或化学反应）蒸汽热动力发电：利用太阳能提供的热量产生的蒸汽，在利用高温高压蒸汽的热动力驱动发电机发电按太阳能采集方式划分，太阳能热发电站：◦槽式◦塔式◦碟式发电原理◦吸收太阳辐射的热能，然后将热能转换为电能。如何吸收并集中太阳光线以产生热能？较小的放大镜→巨型曲面镜◦超白玻璃制成：纯净、薄（4mm）——最大程度地进行光的反射吸热管◦安置在曲面镜的焦点上◦传热工质：合成油，温度可达400℃；熔融盐，温度可达600℃；等。吸热管吸热管◦外层：带有防反射涂层的玻璃管◦钢管上的特殊漆：吸收95%从镜子发射出的太阳能◦真空空间：隔热，防止热量外溢铝制框架◦传感器和电动机：用于移动框架以便全天精确跟踪太阳，最大程度地吸收太阳热能。液体通过吸热管，聚集越来越多的热能，高温液体送至热交换器中，将水加热成蒸汽。蒸汽推动汽轮机旋转→发电机发电致命缺陷：晚上如何发电？储能系统◦直接储存电能？——大规模储存成本昂贵◦储存热能：把白天积蓄的热量储存起来，夜间产生蒸汽发电。熔融盐：加热时变成液体，温度可达600℃（足以使水蒸发）；当温度低于238℃时凝固。白天将熔融盐从固态变成液态，晚上再用熔融盐将水变成蒸汽发电冷却水——在蒸汽通过汽轮机后需要大量的冷却水使蒸汽凝结◦每生产1兆瓦时的电能需要消耗3000公升水，而在沙漠地区要找到这么多水不是件容易的事并不是所有沙漠都可以建造光热电站，需要有充足的水资源支持空气冷却：用水量就可以减少90%，但冷却的效率要远远低于水冷却远距离输电◦光热发电占地面积巨大（如内华达太阳能一号电站，占地141公顷，约265个足球场），电站远离负荷中心。◦高压直流输电技术已商业化运行，但存在以下问题：◦系统机械笨重◦抗风能力较差，不适宜工作在大风地区◦接收器长，散热面积大。美国内华达太阳能一号电站◦装机容量：64MW◦投产时间：2007年7月◦供电区域：拉斯维加斯《国家地理：伟大工程巡礼—太阳引擎》高塔接收器定日镜优点：◦聚光倍数高，容易达到较高的工作温度◦能量集中过程是靠反射光线一次完成，方法简捷有效◦接收器散热面积相对较小，热损失较小缺点◦太阳在塔上聚焦的光斑在一天之内呈现大幅度变化，导致聚光光强大幅度波动。◦众多的定日镜围绕中心塔而建立，占地面积巨大。◦各个定日镜需要单独进行两维控制，控制系统极其复杂。◦单位装机容量投资过大(目前塔式系统的初投资成本为3.4～4.8万元/kW)西班牙的安达卢西亚电站◦装机容量：20MW（1.1万个家庭用电）◦投产时间：2009年6月利用旋转抛物面的碟式反射镜将太阳光聚焦到一个焦点。斯特林发动机◦斯特林发动机为闭环活塞式发动机，通过气体在冷热环境转换时的热胀冷缩做功◦聚焦的阳光直接落在发动机头部的吸热组件上，加热其内部的气体工质氦气膨胀，推动活塞做功，通过曲柄连杆机构带动发电机发电优点◦光热转换效率高达85%◦使用灵活。既可以作分布式系统单独供电也可以并网发电◦无需消耗大量水资源，特别适合在沙漠、山丘等缺水地区◦占地面积小缺点◦造价昂贵,在3种系统中位居首位。目前碟式热发电系统的初投资成本高达4.7~6.4万元/kW。◦尽管碟式系统的聚光比非常高，可以达到2000的高温。对于目前的热发电技术而言，如此高的温度并不需要，甚至是具有破坏性的。碟式系统的接收器一般并不放在焦点上，而是根据性能指标要求适当地放在较低的温度区内。高聚光度的优点实际上并不能得到充分的发挥。太阳能发电一厂◦由美国南加州爱迪生公司在加州莫哈韦沙漠兴建◦500MW（30万家庭用电），将扩大到850MW◦使用2万－3.4万个碟型斯特林系统槽式、塔式、碟式：◦高科技让镜子和管子产生更多的热降低发电成本造价昂贵线性菲涅尔系统◦低科技低能效便宜平面镜取代昂贵的曲面镜数据来源：长城证券研究所报告（2009）