光热发电技术基础

一、什么是集热塔式光热发电简称塔式光热发电。以面聚焦方式，在地面建立集热塔，塔顶安装吸热器，集热塔周围安装定日镜，数千面定日镜将太阳光聚集到塔顶吸热器腔体内，通过加热工质产生高温蒸汽，推动燃气轮发电机组发电。工质可以用水或熔盐。光热发电技术基础第三章集热塔式光热发电技术第一节概述光热发电技术基础•书名：光热发电技术基础•书号：978-7-111-57705-8•作者：李良君•出版社：机械工业出版社2塔式系统聚光比一般在200～1000左右，阵列中的定日镜数目越多，其聚光比越大。当塔式系统聚光比为1000时，吸热器受光面中心温度可达1300℃以上。当采用多个塔式模块集成后，也可使塔式系统发电的单机容量增大。第三章集热塔式光热发电技术光热发电技术基础八达岭塔式太阳能热发电站二、集热塔式太阳能热发电系统组成定日镜系统吸热与热能传递系统(热交换系统)发电系统第三章集热塔式光热发电技术光热发电技术基础光热发电技术基础定日镜系统：由数以千计带有双轴太阳追踪系统的反射镜阵列（称为定日镜）构成，实现对太阳的实时跟踪,将太阳光反射到吸热器。第三章集热塔式光热发电技术光热发电技术基础吸热与热能传递系统(热交换系统)：塔式太阳能热发电站的塔高从50m～165m不等。位于高塔上的吸热器吸收由定日镜系统反射来的高热流密度辐射能，并将其转化为工作流体的高温热能。高温流体通过管道传递到位于地面的蒸汽发生器,产生高压过热蒸汽，推动传统气轮机发电。第三章集热塔式光热发电技术光热发电技术基础由于太阳能的间隙性，必须由蓄热器提供足够的热能来补充乌云遮挡及夜晚时太阳能的不足,否则发电系统将无法正常工作。——蓄热储能系统第三章集热塔式光热发电技术光热发电技术基础三、槽式和塔式光热发电技术的比较光热电站的设计主要考虑太阳能集热场与发电机额定容量的比例（SM），以及储能时间长度。增加储能容量可以降低单位度电成本，主要原因是增加储热可减少集热资源的损失。优化光热发电的设计不仅要考虑经济性，还需考虑光热电站提供给电力系统的能源和容量的价值。第三章集热塔式光热发电技术光热发电技术基础综合来看，带储能的槽式光热电站较类似的塔式光热电站发电成本更高，主要原因是槽式电站的出力季节变化更大，热损失更大，热效率更低。如果根据干冷塔式太阳能发电和槽式太阳能发电的度电系统价值衡量，两种发电方式价值相当。在电厂额定容量较高的情况下，较低SM的光热电站系统边际价值最大，主要得益于储能系统能够避免收集到的能源浪费。第三章集热塔式光热发电技术光热发电技术基础对于不同的SM而言，储能时长为6~9小时度电价值变化较小；长于9小时度电价值开始降低。较小SM的光热电站更利于应对高的负荷，适合承担尖峰负荷；较大SM的光热电站，可以在更长时间内平稳出力，适合承担基荷。较小SM的光热电站容量价值更大。容量是光热电站价值的重要组成部分。如果合理地调度和预测太阳能资源，光热电站可产生类似传统火电站的容量价值。第三章集热塔式光热发电技术光热发电技术基础一、定日镜定日镜是塔式太阳能热发电系统中最基本的光学单元体，单块定日镜的面积从1.2㎡～120㎡不等。由反射镜、镜架和跟踪机构三部分组成。平面镜装在镜架上，由其跟踪装置驱动镜面瞬时自动跟踪太阳。定日镜是一个二维运动机构，分别对应太阳的方位角和高度角，反射镜用于反射太阳光至设定的目标点。第三章集热塔式光热发电技术光热发电技术基础第二节定日镜系统光热发电技术基础光热发电技术基础塔式太阳能热电站的效率直接取决于定日镜的效率。定日镜跟踪太阳方位，将阳光聚焦至吸热器，在吸热器处加热集热工质。塔式太阳能热发电系统中聚光技术采用面聚焦技术，通过建立高塔架设吸热器使得可以铺设数千上万面聚光镜，其镜面采用平面或微曲面，利用刚性金属结构支持并跟踪太阳光线，通过控制系统进行方位角度调整。第三章集热塔式光热发电技术光热发电技术基础由于定日镜场的规模宏大，使得塔式太阳能热发电系统与槽式太阳能热发电系统相比,其集热温度更高,易生产高参数蒸汽,因此,其热动装置的效率相应提高。第三章集热塔式光热发电技术光热发电技术基础定日镜面现有两种：第一种是金属张力膜，通过调节反射镜内部压力来调整张力金属膜的曲度。优点：其镜面由一整面连续的金属膜构成,可以仅仅通过调节定日镜的内部压力调整定日镜的焦点,而不像玻璃定日镜那样由多块拼接而成。难以逾越的缺点：反射率较低、结构复杂。第三章集热塔式光热发电技术光热发电技术基础1、反射镜第二种是玻璃反射镜，采用的大多是玻璃背面反射镜。优点：重量轻,抗变形能力强,反射率高,易清洁等太阳能光热发电技术第三章集热塔式光热发电技术定日镜须承受大风环境，因此需对定日镜镜架和底座做防风抗沙校核。通常情况下，圆形底座式支架稳定性好，抗风性能好，运行能耗低，机械强度也好，可以较好地起到防风稳定镜面的作用，但其结构复杂，而且其底座轨道防沙问题需要进一步解决。而独臂支架式定日镜具有体积小、结构简单、较易密封等优点,但其稳定性、抗风性却较差,为了达到足够的机械强度,防止被大风吹倒,必须消耗大量的钢材和水泥材料为其建镜架和基座,其代价高昂。第三章集热塔式光热发电技术光热发电技术基础2、镜架定日镜需对太阳进行追踪，方可获得较大的聚光比。第三章集热塔式光热发电技术光热发电技术基础3、跟踪机构及其控制(1)跟踪方式现有的太阳能追踪方式主要为方位角-仰角方式和自旋—仰角方式。方位角-仰角跟踪方式是指定日镜运行时采用转动基座(圆形底座式)或转动基座上部转动机构(独臂支架式)来调整定日镜方位变化,同时调整镜面仰角的方式。自旋-仰角跟踪方式是指采用镜面自旋,同时调整镜面仰角的方式来实现定日镜的运行跟踪。自旋-仰角追踪系统由我国陈应天教授发现，可以达到更高的聚光效率。第三章集热塔式光热发电技术光热发电技术基础(2)控制方式在追踪控制中则采用以下三种方式：传感器控制程序(或时钟)控制程序传感器混合控制这三种方式都有其难以克服的缺点。第三章集热塔式光热发电技术光热发电技术基础传感器控制能够实时测量太阳光的方向，但跟踪精度差，响应慢，适应性差，在多云、阴雨天气中找不到太阳的正确位置,需要人工干预。程序控制按照太阳运行规律计算聚光镜的位置，开始可以实现高精度定位，由于机构加工精度等原因存在积累误差,需要定期校正之后误差会累积，只能利用成本高的位置传感器来调整。第三章集热塔式光热发电技术光热发电技术基础混合控制系统需要有两台高精度的角度传感器，计算过程复杂，控制过程不完善。国外目前都用开环控制，利用位置传感器实现高精度聚焦，国内则利用开环系统启动，启动后用闭环系统消除误差。第三章集热塔式光热发电技术光热发电技术基础2.定日镜场数千面定日镜组成定日镜场，每面定日镜通过独立的跟踪系统集体将太阳光聚焦于吸热器上，获得较高的聚光比，得以加热集热介质得到高参数的蒸汽驱动汽轮机做功发电。第三章集热塔式光热发电技术光热发电技术基础定日镜场的布置主要考虑：（1）布置方式：定日镜场一般多采用辐射网络排列，避免定日镜之间的光学阻挡损失；（2）定日镜之间间距：需保证每个定日镜有足够的追踪空间，避免机械相撞，同时还需考虑在定日镜安装、维修所需的操作空间；（3）定日镜场需与吸热器之间进行配合：依照吸热器开口大小，倾斜角度确定定日镜场范围。第三章集热塔式光热发电技术光热发电技术基础