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文檔簡介

2.5太陽能熱發(fā)電,是將太陽輻射能轉化為熱能,再通過各種發(fā)電裝置將熱能轉換為電能的發(fā)電技術,利用太陽能直接發(fā)電例如:半導體或金屬材料的溫差發(fā)電;堿金屬熱電轉換磁流體發(fā)電特點:發(fā)電裝置本體沒有活動部件,發(fā)電量小,,太陽能蒸汽熱動力發(fā)電:將太陽能通過熱機帶動發(fā)電機發(fā)電,即,1,優(yōu)質材料,1太陽能熱發(fā)電技術,1.1太陽能熱發(fā)電的類型和特點太陽能熱動力發(fā)電,利用反射鏡或集熱器將陽光聚集起來,加熱水或其它介質,產(chǎn)生蒸汽或熱氣流以推動渦輪發(fā)電機發(fā)電;利用熱能直接轉換為電能的裝置,將聚集的太陽光和熱直接發(fā)電。例如溫差發(fā)電、熱離子發(fā)電和磁流體發(fā)電等。目前太陽能熱發(fā)電技術主要為熱動力發(fā)電系統(tǒng)。,2,優(yōu)質材料,太陽能高溫利用示例集中熱動力發(fā)電,3,優(yōu)質材料,2.5.1、太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的組成,太陽能熱發(fā)電的基本工作原理:利用太陽能集熱器將太陽能收集起來,加熱工介,產(chǎn)生過熱蒸汽,驅動熱動力裝置帶動發(fā)電機分機,從而將太陽能轉換為電能。見。,1、電路熱系統(tǒng),常規(guī)熱力發(fā)電廠原理圖,典型太陽能熱發(fā)電系統(tǒng),4,優(yōu)質材料,一般增設蓄熱子系統(tǒng),輔助能源子系統(tǒng),5,優(yōu)質材料,2、電站的循環(huán)效率,卡諾循環(huán)效率,卡諾循環(huán)效率代表一種理論極限。,太陽能熱發(fā)電效率,6,優(yōu)質材料,3、太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)組成,聚光集熱系統(tǒng)熱能傳輸部分蓄熱與熱交換部分汽輪發(fā)電子系統(tǒng)輔助能源子系統(tǒng),7,優(yōu)質材料,(一)集熱部分,作用:收集陽光并將其聚集到一個有限尺寸面上,以提高單位面積上太陽輻射度,從而提高被加熱工質的工作溫度。即將太能輻射聚焦,以提高其功率密度。聚光方式:平面反射鏡和曲面反射鏡(一維拋物面反射鏡、二維拋物面反射鏡和混合平面-拋物面反射鏡)。此外還有線形和圓形菲涅爾透鏡。,1、定目鏡(或聚光系統(tǒng)/聚光器),8,優(yōu)質材料,(1)光化學系統(tǒng),聚光器的鏡面反射率越高越好,(2)機械性能,1)反射鏡面有很好的平整度2)整個鏡面與鏡體有很高的機械強度和穩(wěn)定性3)反射鏡面和保護膜有很強的粘合度,(3)化學穩(wěn)定性,鏡面具有很強的耐腐蝕性能,有滿足嚴格的要求:,9,優(yōu)質材料,作用:通過接收經(jīng)過聚焦的陽光,將太陽能輻射能轉變?yōu)闊崮?,并傳遞給部件。,2、接收器,3、跟蹤裝置,跟蹤方式:單軸跟蹤、雙軸跟蹤;實現(xiàn)方式:程序控制方式、傳感器控制方式,10,優(yōu)質材料,(二)熱能傳輸部分,作用:把集熱器收集起來的熱能傳輸給蓄熱部分。,11,優(yōu)質材料,(三)蓄熱和熱交換部分,蓄熱子系統(tǒng):由于太陽能受季節(jié)、晝夜和氣象條件的影響,為保證發(fā)電系統(tǒng)的熱源穩(wěn)定,需設置蓄熱裝置。,蓄熱:低溫(500)極高溫(1000左右).,蓄熱材料分別是:水化鹽、導熱油、熔化鹽氧化鋯耐火球,12,優(yōu)質材料,蓄熱方式:顯熱蓄熱、潛熱蓄熱和化學儲存。,1、顯熱蓄熱介質:水、油、巖石、砂、礫石,人工制造的氧化鋁球,特點:價格低,易得到,熱容量小。,2、潛熱蓄熱特點:利用物質的潛熱蓄熱,單位容積的蓄熱量很大,蓄熱裝置可望小型化。蓄熱介質需具備以下特點:具備幾千次可逆蓄釋熱循環(huán)性鞥;價格便宜;不腐蝕容器。,13,優(yōu)質材料,3、化學蓄熱特點:蓄熱量大,單位儲能的體積小,質量輕,化學反應物可分別儲存。蓄熱介質需具備以下特點:蓄熱和釋熱反應可逆,無副作用;反應速度快;反應生成物易分離,且能穩(wěn)定儲存;價格便宜;反應物和生成物無毒,無腐蝕,無可燃性;反應熱大。,14,優(yōu)質材料,(三)蓄熱和熱交換部分,熱交換部分作用:為適應汽輪發(fā)電的需要,將傳輸和存儲的熱能,轉化為高溫高壓蒸汽。,15,優(yōu)質材料,(四)汽輪發(fā)電子系統(tǒng),作用:太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)用的動力發(fā)電裝置。種類:現(xiàn)代汽輪機、燃氣輪機、低沸點工質汽輪機、斯特林熱發(fā)動機等。選擇依據(jù):太陽集熱系統(tǒng)可提供的工質參數(shù)。,16,優(yōu)質材料,(五)輔助能源子系統(tǒng),作用:維持電站能夠一直持續(xù)運行。構成:就是在系統(tǒng)中增設常規(guī)燃料鍋爐,用于陰雨天,夜間起動。,17,優(yōu)質材料,2.5.2、太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本構成,槽式線聚焦系統(tǒng);塔式定日鏡聚焦系統(tǒng);碟式點聚焦系統(tǒng)不用聚焦結構,采用真空管集熱器,根據(jù)太陽能聚光跟蹤理論和實現(xiàn)方法的不同,可以分為3個基本類型,18,優(yōu)質材料,一、槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)(SEGS,solarenergygeneratingsystems),槽式拋物聚光鏡面:,(一)系統(tǒng)原理及構成,1、原理:利用槽式拋物面反射鏡聚光,槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng):,19,優(yōu)質材料,(3)槽式電站ParabolicTroughs,槽式電站與碟式電站相似,它把聚焦器分散布置,使載熱介質在單個分散的太陽能聚焦集熱器中加熱成蒸汽,再匯集至汽輪機。如采用雙回路系統(tǒng),則加熱后的載熱介質不直接送到汽輪機,而是集中在一個熱交換器內,然后把熱量傳遞給汽輪機回路中的工質。,20,優(yōu)質材料,2、系統(tǒng)(電站)構成,聚光集熱裝置(子系統(tǒng)):聚光鏡、接收器、跟蹤裝置;輔助能源裝置(子系統(tǒng))蓄熱裝置;汽輪發(fā)電裝置,21,優(yōu)質材料,22,優(yōu)質材料,23,優(yōu)質材料,24,優(yōu)質材料,3、槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的工作模式:,直通模式:水經(jīng)過預熱、蒸發(fā)、過熱后直接推動汽輪機發(fā)電;最簡單,投資少,控制復雜,注射模式:水分別從集熱管不同的地方注入;正常運行需要必要的測試系統(tǒng),系統(tǒng)投資大,不具競爭力,循環(huán)模式:安裝水汽分離裝置,過量的水被循環(huán)泵送回到入水口,蒸汽集熱管的過熱段;可控性高,系統(tǒng)投資大,25,優(yōu)質材料,4、聚光集熱裝置(子系統(tǒng)),(1)、聚光器,、槽型拋物面反射鏡,、混合平面拋物面反射鏡:采用一組跟蹤太陽的平面鏡,將陽光反射到一臺拋物面反射鏡上,陽光經(jīng)過二次聚焦,26,優(yōu)質材料,槽式聚光器Parabolictroughconcentrator,27,優(yōu)質材料,CollectorsinsouthernCA,28,優(yōu)質材料,29,優(yōu)質材料,(2)、接收器:一根做了良好保溫的金屬圓管,、真空集熱管,優(yōu)點:熱損失小缺點:封接技術要求高,很難做到長期保持夾層內的真空度。,30,優(yōu)質材料,真空管吸收器的結構圖,(1)真空管式吸收器,31,優(yōu)質材料,真空管吸收器的優(yōu)缺點,真空管吸收器的優(yōu)點是金屬管與玻璃管之間不存在對流熱損,玻璃管外徑較小且透明,從而既減少了對陽光的遮影,也通過增大熱阻降低了外表面的對流熱損;有選擇性涂層的金屬管壁對陽光的吸收率很高,但發(fā)射率卻非常低。真空管吸收器的缺點是由于玻璃和金屬的熱膨脹系數(shù)不同,玻璃管與金屬管之間存在溫差,造成中溫時(略低于350)真空封口處的玻璃容易脆裂,從而難以在室外環(huán)境下長期維持真空度;在中溫時光學選擇性涂層容易老化和脫落,難以長期維持大規(guī)模光學選擇性吸收表面的熱穩(wěn)定性。,32,優(yōu)質材料,工作原理:利用空腔體的黑體效應,充分吸收聚焦后的陽光;,、空腔集熱管,優(yōu)點:集熱效率高,不用抽真空;沒有玻璃和金屬的封接;集熱管壁不要涂層;熱性能可以長期保持穩(wěn)定缺點加工工藝復雜,33,優(yōu)質材料,(2)腔體式吸收器,腔體式吸收器的結構為一柱形腔體,外表面覆隔熱材料,由于腔體的黑體效應,使其能充分吸收聚焦后的陽光。腔體式吸收器主要適用于長焦聚光器。圖2-4為腔體式吸收器集熱器剖面圖。,腔體式吸收器集熱器剖面圖,34,優(yōu)質材料,腔體式吸收器的優(yōu)點,吸熱過程不是發(fā)生在最強聚焦區(qū),而是在聚焦過后和發(fā)射時,并以較大的內表面積向工作流體傳熱,致使和真空管吸收器相比具有較低的投射輻射能流密度;腔體壁溫較均勻,可減小與流體之間的溫差,使開口的有效溫度降低,從而最終使熱損降低;經(jīng)優(yōu)化設計的腔體式吸收器,熱性能比真空管吸收器穩(wěn)定,在同樣情況下,工作介質平均溫度大于230時,腔體式吸收器既不需要抽真空,也不需要涂光學選擇性涂層,僅采用傳統(tǒng)的材料和制造工藝;成本低和便于維護也是腔體式吸收器的特性。腔體式吸收器的集熱效率大于真空管吸收器,這使它成為槽形拋物鏡集熱器的吸收器。腔體式吸收器的發(fā)展已受到重視。,35,優(yōu)質材料,(3)、跟蹤裝置:使槽式聚光器時刻對準太陽,根據(jù)入射光線和主光軸位置關系分為:兩軸跟蹤系統(tǒng):具有最理想的光學性能;設備結構復雜,制造維修成本高;單軸跟蹤系統(tǒng):結構簡單,跟蹤難度不高;,單軸跟蹤,只做定期跟蹤調整,36,優(yōu)質材料,(二)應用情況,美國魯茲(LUZ)公司19851991在美國南加州建成9座槽式太陽能熱電站,總裝機容量353.8MW,37,優(yōu)質材料,二、塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)(集中型),(一)系統(tǒng)原理及構成,1、原理:,38,優(yōu)質材料,(1)塔式電站PowerTowers塔式電站用一個中心吸收器取代火力發(fā)電站的鍋爐。吸收器利用由許多反射鏡聚集的陽光把其中的介質(如水)加熱,并產(chǎn)生溫度和壓力都相當高的蒸汽。蒸汽驅動汽輪發(fā)電機組發(fā)電。塔式電站的聚光倍數(shù)高(10003000),其介質工作溫度通常大于350,因此通常被稱為高溫太陽能熱發(fā)電。塔式電站的優(yōu)點是聚光倍數(shù)高,容易達到較高的工作溫度;能量集中過程由反射光一次完成,方法簡捷有效;吸收器散熱器面積相對較小,光熱轉換效率高。但塔式電站建設費用高,其中反射鏡的費用占50%以上。太陽能塔式電站的總體效率可以達到20%。,39,優(yōu)質材料,目前世界上較大的太陽能塔式電站功率已達到104kW,太陽能輻射通過多個反射鏡聚集到放置在高塔頂?shù)闹行奈掌魃稀S嬎銠C控制每塊反射鏡都能獨立的根據(jù)太陽的位置來調整各自的方位和傾角,這保障了每塊反射鏡都能隨時把太陽能反射到吸收器上,但這無疑增加了成本。塔式電站的致命缺點是太陽能電站規(guī)模越大,反射鏡陣列的占的面積越大,吸收塔的高度也要提升。例如,一個計劃中的1MW的塔式電站,要用2.93萬塊反射鏡,單鏡面積為30m2。這些反射鏡布置在3km2的場地上,塔的高度為305m。,40,優(yōu)質材料,聚光比高,工作溫度較高;系統(tǒng)容量大效率高熱損耗小適合于大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電,特點:,41,優(yōu)質材料,PowertowerinBarstow,California,42,優(yōu)質材料,PowertowerinBarstow,California,43,優(yōu)質材料,2、系統(tǒng)構成:,聚光子系統(tǒng);集熱子系統(tǒng);蓄熱子系統(tǒng);發(fā)電子系統(tǒng);輔助能源子系統(tǒng),44,優(yōu)質材料,圖塔式太陽能集熱發(fā)電系統(tǒng)原理,45,優(yōu)質材料,46,優(yōu)質材料,3、聚光子系統(tǒng):,定日鏡群;跟蹤裝置;,47,優(yōu)質材料,(1)、定日鏡:,平面鏡;鏡架;跟蹤裝置;,鏡架很輕,跟蹤結構的電功率消耗小,48,優(yōu)質材料,采用鋁或銀作用反光材料的玻璃背面鏡,49,優(yōu)質材料,50,優(yōu)質材料,Currentheliostatprices$125to$159m-2,51,優(yōu)質材料,對定日鏡性能具有嚴格的要求,鏡面反射率高;鏡面平整度誤差??;整體機械結構強度高,運行中能抗8級臺風;運行穩(wěn)定;全天候工作;可以大批生產(chǎn);易于安裝;維護少,工作壽命長;,52,優(yōu)質材料,4、中心接收塔(動力塔)太陽能熱發(fā)電站的集熱裝置,太陽能輻射接收器:功能:將太陽能轉化成工作流體的熱能分類:空腔式,外漏式(外部受光式)高塔:鋼筋混凝土鋼架構,53,優(yōu)質材料,(二)、應用情況,1950年,前蘇聯(lián)收集了世界上第一座塔式太陽能熱發(fā)電站的小型試驗裝置;1980年,意大利等9個歐盟國家在西西里島聯(lián)合建造了世界上首座并網(wǎng)運行的塔式太陽能熱電站:塔高50m;聚光鏡:5m2的70臺,23m2的112臺;額度功率:1000KW;占地:2萬m2水蒸氣溫度:5000C,54,優(yōu)質材料,1982年,美國在加利福尼亞州南部的Bartow沙漠地區(qū)附件興建了一座大型的的塔式太陽能熱電站solarone:塔高91.5m;聚光鏡:1818臺;額度功率:10MW;占地:7萬m2水蒸氣溫度:5160C,55,優(yōu)質材料,56,優(yōu)質材料,1996年,美國在solarone的原址上建造了solartwo:聚光鏡:1926臺:40m2的1818臺95m2的108臺鏡場占地:8.3萬m2硝酸鹽溫度:5650C,57,優(yōu)質材料,58,優(yōu)質材料,2009年,西班牙的安達盧西亞(Andalucian)沙漠中投入運行了目前全球最大的太陽能電站:,塔高:120m;聚光鏡:1200臺:水蒸汽溫度:10000C,59,優(yōu)質材料,2005年底,國內首座“70KW塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)”在南京市江京太陽能試驗場順利建成,并網(wǎng)發(fā)電:,塔高:33m;聚光鏡:20m2的32臺;工質溫度:9000C,60,優(yōu)質材料,三、碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng),利用旋轉拋物面反射鏡,將入射陽光聚集在一點上,在焦點上安放熱能接收器,收集的熱能將接收器內的傳熱工質加熱到很高溫度,驅動發(fā)動機進行發(fā)電;或是在焦點處直接放置太陽能斯特林(stirling)發(fā)電裝置發(fā)電。,(一)系統(tǒng)原理及構成,1、原理:,61,優(yōu)質材料,聚光比高,可達3000以上;體積小,吸熱面積小,能量損失小;效率高,太陽能轉化電能效率達30%;壽命長,靈活性強,投資少,安裝方便;可單臺供電,也可多套并聯(lián)使用,主要適合分布式應用;,特點:,62,優(yōu)質材料,碟式電站缺點系統(tǒng)復雜,拋物鏡如建立一個100MW的碟狀拋物鏡集熱器分散布置的太陽能電站,約需要12萬個直徑為6m的拋物鏡。高溫接收器管路及絕熱材料跟蹤控制系統(tǒng),63,優(yōu)質材料,2、系統(tǒng)構成:,旋轉拋物面聚光器;接收器;跟蹤裝置;熱機系統(tǒng);,64,優(yōu)質材料,3、聚光器(反射鏡):,結構:鍍銀玻璃背面鏡,幾十塊組構而成;鋼結構環(huán)作

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