太陽能熱發(fā)電技術介紹-20100608-王芳

1、（中環(huán)光伏研發(fā)部/王芳、鄧霞）2010年 6月8日太陽能熱發(fā)電技術介紹太陽能熱發(fā)電-綜述 太陽能熱發(fā)電是利用反光鏡將太陽能聚集起來產生高溫熱能，加熱工質直接或間接驅動發(fā)電機發(fā)電。 到目前為止，世界上主流的或者已經建成運行的或正在建設的太陽能熱發(fā)電站的形式主要有：太陽能塔式發(fā)電系統(tǒng)、太陽能槽式發(fā)電系統(tǒng)和太陽能碟式發(fā)電系統(tǒng)。一、太陽能塔式發(fā)電系統(tǒng) 二、太陽能槽式發(fā)電系統(tǒng) 三、太陽能碟式發(fā)電系統(tǒng) 四、太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)總結 塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是在空曠的地面上建立一高大的中央吸收塔，塔頂上安裝固定一個吸收器，塔的周圍安裝一定數量的定日鏡，通過定日鏡將太陽光聚集到塔頂的接收器的腔體內產生高溫，再將通過吸

2、收器的工質加熱，通過熱交換產生高溫蒸汽，推動汽輪機進行發(fā)電。定日鏡自動跟蹤太陽的移動，保證被反射的太陽光能始終聚焦在接收器上，這種跟蹤是兩維的。構件一：定日鏡 定日鏡是一種由鏡面( 反射鏡) 、鏡架( 支撐結構) 、 跟蹤傳動機構及其控制系統(tǒng)等組成的聚光裝置, 用于跟蹤接收并聚集反射太陽光線進入位于接收塔頂部的集熱器內, 是塔式太陽能熱發(fā)電站的主要裝置之一。構件一：定日鏡 塔式太陽能熱發(fā)電站常設有大量臺數的定日鏡, 并構成龐大的定日鏡陣列( 或稱鏡場)。電站電站數量（臺）數量（臺）單臺面積（單臺面積（m m2 2） 總面積（總面積（m m2 2）Solar One1,8184072,720So

3、lar Two1,926(1,818+108)40/9582,980Eurelios182326,200Solar Tres2,49396239,328PS1062412175,504Solar One /USASolar Two /USASolar Tres /SpainPS10 /Spain構件一：定日鏡 定日鏡在電站中不僅數量最多、占據場地最大, 而且是工程投資的重頭。美國Solar Two電站的定日鏡建造費用占整個電站造價的50%以上。雖然近年來定日鏡成本已經不斷降低, 但在2004年建成的SolarTres塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中, 定日鏡建造費用仍是構成工程總成本的最大部分, 達43

4、%。因此, 降低定日鏡建造費用, 對于降低整個電站工程投資是至關重要的, 仍是今后的一個重要研發(fā)方向。構件二：接收器 太陽能接收器是實現塔式太陽能熱發(fā)電最為關鍵的核心技術，它將定日鏡所捕捉、反射、聚焦的太陽能直接轉化為可以高效利用的高溫熱能，為發(fā)電機組提供所需的熱源或動力源，從而實現太陽能熱發(fā)電的過程。構件二：接收器 間接照射接收器向載熱工質的傳熱過程不發(fā)生在太陽照射面,工作時聚焦入射的太陽能先加熱受熱面, 受熱面升溫后再通過壁面將熱量向另一側的載熱工質傳遞。直接照射接收器也稱空腔式接收器, 特點是接收器向載熱工質的傳熱與入射陽光加熱受熱面在同一表面發(fā)生, 由于特定形狀的內表面具有幾近黑體的特

5、性, 可有效吸收入射的太陽能, 避免選擇性吸收涂層的問題間接照射接收器直接照射接收器構件二：接收器 管式接收器腔式接收器構件三：傳熱/蓄熱工質 傳熱/蓄熱工質是儲存太陽能的主要載體，工質溫度上升, 存入高溫蓄熱罐, 然后用泵送入蒸汽發(fā)生器加熱水產生蒸汽, 利用蒸汽驅動汽輪機組發(fā)電, 汽輪機乏汽經冷凝器冷凝后送入蒸汽發(fā)生器循環(huán)使用，蓄熱工質能夠在光照較弱時保證系統(tǒng)正常工作一段時間，從而實現太陽能熱發(fā)電的過程。系統(tǒng)缺點：聚焦的光斑在一天之內呈現大幅度變化導致聚 光光強大幅度波動眾多的定日鏡圍繞中心塔而建立，占地面積巨大各個定日鏡需要單獨進行兩維控制, 控制系統(tǒng)復雜為了減少眾多定日鏡的余弦效應，中心

6、塔必須建得足夠高才行塔式太陽能熱發(fā)電示范項目電站名稱電站名稱國家國家功率功率(MW)(MW)熱載體熱載體儲存介質儲存介質年代年代SSPS西班牙0.5液態(tài)鈉鈉1981EURELIOS意大利1蒸汽硝酸鹽/水1981SUNSHINE日本1蒸汽硝酸鹽/水1981SOLAR ONE美國10蒸汽油/巖石1982CESA-1西班牙1蒸汽硝酸鹽1983MSEE/CatB美國1硝酸鹽硝酸鹽1983THEMIS法國2.5鹽鹽1984SPP-S烏克蘭5蒸汽水/蒸汽1986TSA西班牙1蒸汽陶瓷1996SOLAR TWO美國10硝酸鹽硝酸鹽1996SOLAR TRES西班牙15硝酸鹽硝酸鹽2006PS10西班牙11蒸

7、汽蒸汽2007一、太陽能塔式發(fā)電系統(tǒng) 二、太陽能槽式發(fā)電系統(tǒng) 三、太陽能碟式發(fā)電系統(tǒng) 四、太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)總結 槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是利用柱形拋物面的槽式聚光系統(tǒng)將太陽能聚焦到管狀的吸收器上，并將管內傳熱工質加熱。槽式系統(tǒng)以線聚焦代替了點聚焦，并且聚焦的吸收器管線隨著柱狀拋物面反射鏡一起跟蹤太陽而運動。與塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)不同，槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的跟蹤是一維的。構件一：聚光集熱子系統(tǒng) 聚光集熱子系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心，由聚光器、集熱管和跟蹤裝置構成。集熱管主要有兩種：真空管式和腔式；跟蹤方式采用一維跟蹤，有南北、東西和極軸三種方式。構件一：聚光集熱子系統(tǒng)-聚光器槽式太陽能熱發(fā)電聚光器, 將普

8、通太陽能光聚焦形成高能量密度的光束, 加熱吸熱工質, 其作用等同于塔式太陽能熱發(fā)電的定日鏡。一般槽式聚光器的工作原理如圖所示, 反光鏡放置在一定結構支架上, 在跟蹤機構幫助下, 使其反射的太陽光聚焦到放置在焦線上的集熱管吸熱面。 構件一：聚光集熱子系統(tǒng)-聚光器同定日鏡一樣,聚光器應滿足以下要求： 具有較高的反射率 有良好的聚光性能 有足夠的剛度 有良好的抗疲勞能力 有良好的抗風能力 有良好的抗腐蝕能力 有良好的運動性能 有良好的保養(yǎng)、維護、運輸性 構件一：聚光集熱子系統(tǒng)-聚光器 與塔式太陽能熱發(fā)電的定日鏡相比, 槽式太陽能熱發(fā)電聚光器的制作難度相對更大：一是拋物面鏡曲面比定日鏡曲面弧度大；二是

9、平放時, 槽式聚光器迎風面比定日鏡要大, 抗風要求更高；三是運動性能要求更高。 構件一：聚光集熱子系統(tǒng)-集熱管 槽型拋物面反射鏡為線聚焦裝置, 陽光經聚光器聚集后, 在焦線處成一線型光斑帶, 集熱管放置在此光斑上, 用于吸收聚焦后的陽光, 加熱管內的工質。集熱管必須滿足以下五個條件：吸熱面的寬度要大于光斑帶的寬度, 以保證聚焦后的陽光不溢出吸收范圍具有良好的吸收太陽光性能在高溫下具有較低的輻射率具有良好的導熱性能具有良好的保溫性能構件一：聚光集熱子系統(tǒng)-集熱管槽式太陽能集熱管分類： 直通式金屬/玻璃真空集熱管 熱管式真空集熱管 雙層玻璃真空集熱管 聚焦式真空集熱管 空腔集熱管構件一：聚光集熱子

10、系統(tǒng)常用聚光集熱器型號：LS-1;LS-2;LS-3;LS-4; DS-1;ET-100;ET-150構件二：換熱子系統(tǒng) 由預熱器、蒸汽發(fā)生器、過熱器和再熱器組成。當系統(tǒng)工質為油時，采用雙回路，即接收器中工質油被加熱后，進入換熱子系統(tǒng)中產生蒸汽，蒸汽進入發(fā)電子系統(tǒng)發(fā)電。直接采用水為工質時，可簡化此子系統(tǒng)。構件二：換熱子系統(tǒng) 槽式太陽能直接蒸汽發(fā)電系統(tǒng)(DSG)具有三種工作模式，分別稱為直通模式，注射模式以及循環(huán)模式： 直通模式中的水經過預熱，蒸發(fā)和過熱后直接推動汽輪機發(fā)電，該模式最簡單，投資較少，但控制復雜。 注射模式中水分別從集熱管不同的地方注入，該模式的正常運行需要必要的測試系統(tǒng)，由于系統(tǒng)

11、的復雜性和系統(tǒng)投資較大，該模式已經不具有競爭力。 循環(huán)模式是目前最有競爭力的方式，在集熱管路的蒸發(fā)段的末端安裝一個水汽分離裝置，注入到蒸發(fā)段的水量大于系統(tǒng)可以蒸發(fā)的水量，過量的水就通過分離器被循環(huán)泵送到集熱環(huán)路的進水入口段。而蒸汽經過水汽分離器進入到集熱管的過熱段，這種模式具有高度可控性，但是有循環(huán)管路的存在以及水汽分離裝置等增加了系統(tǒng)的投資。構件三：發(fā)電子系統(tǒng) 基本組成與常規(guī)發(fā)電設備類似，但是需要配備一種專用裝置，用于工作流體在接收器與輔助能源系統(tǒng)之間的切換。構件四：蓄熱子系統(tǒng) 太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)在早晚或云遮擋期間必須依靠儲存的能量維持系統(tǒng)正常運行。蓄熱的方法主要有顯式、潛式和化學蓄熱三種方式

12、。構件五：輔助能源子系統(tǒng) 在夜間或陰雨天，一般采用輔助能源系統(tǒng)供熱(可配備一個輔助燃燒爐，用天然氣或燃油來產生蒸汽)，否則蓄熱系統(tǒng)過大會引起初始投資的增加。系統(tǒng)缺點：槽式系統(tǒng)的抗風能力較差，不適宜工作在大風地區(qū)；槽式系統(tǒng)的接收器長, 散熱面積大美國加州SEGS1-9運行特性槽式太陽能發(fā)電項目地點地點年份年份容量（容量（MWMW）循環(huán)類型循環(huán)類型西班牙19810.5蒸汽循環(huán)日本19811蒸汽循環(huán)美國加州1985-1999354蒸汽循環(huán)西班牙DISS1996-19992DSG希臘克里達島199750蒸汽循環(huán)埃及2000120-140ISCCS以色列2001100蒸汽循環(huán)印度2001100蒸汽循環(huán)摩

13、洛哥230（PV30-50）ISCCS西班牙/德國20045DSG美國南部20062*50蒸汽循環(huán)6h熱儲存美國內達華州200664蒸汽循環(huán)DISS/SpainSEGS /USA 一、太陽能塔式發(fā)電系統(tǒng) 二、太陽能槽式發(fā)電系統(tǒng) 三、太陽能碟式發(fā)電系統(tǒng) 四、太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)總結 碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是利用旋轉拋物面的碟式反射鏡將太陽聚焦到一個焦點，接收器在拋物面的焦點上，接收器內的傳熱工質被加熱后，驅動發(fā)動機進行發(fā)電。和槽式系統(tǒng)類似，碟式系統(tǒng)太陽能接收器的位置也是不固定的，隨著碟形反射鏡跟蹤太陽的運動而運動，因此可以克服塔式系統(tǒng)較大余弦效應造成的損失，光熱轉換效率大大提高。和槽式不同的是，碟式接

14、收器將太陽聚焦于旋轉拋物面的焦點上，而槽式接收器則將太陽聚焦于圓柱拋物面的焦線上。 碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)包括： (1)碟式太陽能收集器； (2)斯特林發(fā)動機； (3)發(fā)電站自動控制系統(tǒng)具有壽命長、效率高（30%）、靈活性強等特點，可以單臺供電，也可以多套并聯(lián)使用，適合邊遠地區(qū)發(fā)電。構件一：碟式太陽能收集器 碟式太陽能收集器的主體是碟狀拋物面聚焦型反射鏡。由于碟狀拋物面鏡是一種點聚焦集熱器，其聚光比高達數百到數千，可以產生非常高的溫度。碟狀拋物面鏡直徑一般在10-20m之間，聚光比約1 0004 000。拋物面盤采用背面鍍銀玻璃或正面貼有反光薄膜的鋁材制成。構件二：熱機 碟式太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，應根

15、據熱力循環(huán)方式選用不同的熱機，通常采用的熱力循環(huán)有斯特林(Stirling)循環(huán)和布雷頓(Brayton)循環(huán)兩種，前者使用的熱機是斯特林發(fā)動機（已大規(guī)模使用），后者使用燃氣輪機。除這兩種循環(huán)外，還有一種郎肯循環(huán)正處于研發(fā)探索階段。構件二：熱機-斯特林原理 斯特林外燃機是一種外燃的閉式循環(huán)往復活塞式熱力發(fā)動機。新型外燃機使用氫氣作為工質，在4個封閉的氣缸內充有一定容積的工質。氣缸一端為熱腔，另一端為冷腔。工質在低溫冷腔中壓縮，流到高溫熱腔中迅速加熱，膨脹做功。燃料在氣缸外的燃燒室內連續(xù)燃燒，通過加熱器傳給工質，工質不直接參與燃燒，也不更換。 外燃機可以燃燒各種可燃氣體，也可以燃燒柴油、液化石油

16、氣等液體燃料，還可以利用太陽能等。只要熱腔達到700OC，設備即可做功運行，環(huán)境溫度越低，發(fā)電效率越高。構件二：熱機-斯特林循環(huán) 斯特林循環(huán)由4個換熱過程組成：1-2為等溫壓縮，熱量從工質傳遞給外部低溫熱源；2-3為等容過程，熱量從回熱器傳給工質；3-4為等溫膨脹，熱量從外部高溫熱源傳遞給工質；4-1為等容過程，熱量由工質傳遞給回熱器。構件二：熱機-斯特林循環(huán) 斯特林循環(huán)利用高溫高壓的氫氣或氦氣作為工質，通過2個等容過程和2個等溫過程組成可逆循環(huán)。氣缸中裝有2個對置的活塞，中間設置1個回熱器用于交替的吸熱和放熱，活塞和回熱器之間為膨脹腔和壓縮腔。膨脹腔始終保持高溫，壓縮腔則保持低溫。構件二：熱

17、機-斯特林循環(huán) 構件三：自動控制系統(tǒng) 為了保證太陽能發(fā)電站安全穩(wěn)定運行，配備了微機控制系統(tǒng)。 控制系統(tǒng)的主要功能如下：(1)碟狀拋物面集熱器采用雙軸跟蹤，控制系統(tǒng)主要功能是使反射鏡精確地跟蹤太陽。(2)太陽能發(fā)電站內裝有測量環(huán)境模擬量的傳感器，包括日照度、風速、風向和環(huán)境溫度等，控制系統(tǒng)應保證太陽能發(fā)電站的安全經濟運行。系統(tǒng)特點：優(yōu)點 系統(tǒng)組成簡單、體積小、重量輕、效率高等； 可獨立運行供電，也可以模塊組合成碟群，其裝機容量為幾十至幾百千瓦，甚至到兆瓦級； 碟式斯特林太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)可以與生物質能氣化發(fā)電系統(tǒng)結合起來，構成太陽能生物質能混合發(fā)電系統(tǒng)。其基本原理是當太陽落山或陽光不足時，斯特林外

18、燃機自動關閉熱腔改為生物質燃氣發(fā)電，一機兩用，節(jié)省了蓄電池投資，提高了設備的利用率。系統(tǒng)特點：缺點 造價昂貴，在三種系統(tǒng)中也是位居首位. 盡管碟式系統(tǒng)的聚光比非常高，可以達到2000的高溫，但是對于目前的熱發(fā)電技術而言，如此高的溫度并不需要甚至是具有破壞性的； 熱儲存困難，熱熔鹽儲熱技術危險性大而且造價高。2002年，美國能源部在內華達實施1MW的碟式系統(tǒng)；2004年，美國SES公司(Stirling Energy Systems)在Sandia國家實驗室建造出5套25kW碟式斯特林（Stirling）系統(tǒng)；2005年8月，SES公司實施由40套25kW系統(tǒng)組成的1MW碟式項目。一、太陽能塔式

19、發(fā)電系統(tǒng) 二、太陽能槽式發(fā)電系統(tǒng) 三、太陽能碟式發(fā)電系統(tǒng) 四、太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)總結 塔式塔式槽式槽式碟式碟式工作溫度（OC）50010002604005001500太陽聚光倍數60010008802003000光熱轉換效率(%)607085年凈效率(%)11167201225投資成本(和其他燃料組成混合系統(tǒng)) (萬元/kW)3.42.24.7投資成本(單獨使用太陽能發(fā)電) (萬元/kW)4.84.46.4u內蒙古50MW級槽式太陽能熱發(fā)電示范項目位于內蒙古鄂爾 多斯市杭錦旗境內巴拉貢可再生能源開發(fā)區(qū)；u廠址平均海拔高度1160米，地勢屬高原丘陵，地貌屬于荒漠草原；u全年主導風向為西南，年平均風

20、速4.1米/秒，最大風速28.7米/秒u內蒙古50MW級槽式太陽能熱發(fā)電示范項目本期開發(fā)建設85MW，太陽能集熱面積為510120平方米 ，安裝1臺85MW凝汽式汽輪發(fā)電機組u在太陽能熱電站內擬建設一座110千伏升壓站，電站所發(fā)電量以單回110千伏線路送至庫布其220千伏變電站110千伏側；u項目技術方案的系統(tǒng)配置分為以下幾部分：聚光集熱系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)；u聚光集熱系統(tǒng)由槽式拋物面反光鏡、支架、集熱管和跟蹤裝置構成；u換熱系統(tǒng)由預熱器、蒸汽發(fā)生器、過熱器和再熱器組成。當工質為導熱油時，采用雙回路；u發(fā)電系統(tǒng)部分與常規(guī)火力發(fā)電廠的技術要求和配置基本相同；名稱參數單位預熱器給水溫度，進口240給水溫度，出口312導熱油溫度，進口325導熱油溫度, 出口301蒸汽發(fā)生器蒸汽壓力（飽和）Bar103導熱油溫度，進口380導熱油溫度, 出口325過熱器蒸汽溫度，進口314蒸汽