太陽能光熱發(fā)電基礎知識學習201675

1、太陽能光熱發(fā)電（CSP）基礎知識學習2022年3月15日星期二目 錄123456光熱發(fā)電概述槽式光熱發(fā)電塔式光熱發(fā)電碟式光熱發(fā)電菲涅爾式光熱發(fā)電總結討論目前利用太陽能發(fā)電的兩種基本方式 太陽能熱發(fā)電太陽能光伏發(fā)電太陽能熱能發(fā)電太陽能熱動力發(fā)電概述太陽能熱發(fā)電是先將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，再將熱能轉(zhuǎn)化成電能，它有兩種轉(zhuǎn)化方式：一種是將太陽熱能直接轉(zhuǎn)化成電能，如半導體或金屬材料的溫差發(fā)電，真空器件中的熱電子和熱電離子發(fā)電，堿金屬熱電轉(zhuǎn)換，以及磁流體發(fā)電等。（不是光伏）另一種方式是將太陽熱能通過熱機（如汽輪機）帶動發(fā)電機發(fā)電，與常規(guī)熱力發(fā)電類似，只不過是其熱能不是來自燃料，而是來自太陽能。聚光太陽能發(fā)電（

2、Concentrating Solar Power，縮寫CSP），準確表述應是“聚光太陽能熱發(fā)電”，俗稱“光熱發(fā)電”，指使用輻射能匯聚裝置，聚焦太陽的輻射能，加熱工質(zhì)，通過工質(zhì)輸送熱能做功推動發(fā)電機的發(fā)電方式。概 述太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)工作原理太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)與火力發(fā)電系統(tǒng)的工作原理基本上相同的。根本區(qū)別在于熱源不同。太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)組成典型的太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)由4部分組成：u集熱子系統(tǒng)u熱傳輸子系統(tǒng)u蓄熱與熱交換子系統(tǒng)u發(fā)電子系統(tǒng) 蓄熱子系統(tǒng)：蓄熱子系統(tǒng)：由于太陽能受季節(jié)、晝夜和氣象條件的由于太陽能受季節(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。影響，為保證發(fā)電系統(tǒng)的熱源穩(wěn)

3、定，需設置蓄熱裝置。蓄熱蓄熱低溫（低溫（500 ）極高溫極高溫(1000 左右左右)蓄熱材料蓄熱材料水化鹽水化鹽導熱油導熱油熔化鹽熔化鹽氧化鋯耐火球氧化鋯耐火球槽式光熱發(fā)電槽式光熱發(fā)電拋物面槽式拋物面槽式 88 塔式光熱發(fā)電塔式光熱發(fā)電塔式塔式 塔式塔式 塔式電站塔式電站 Power Towers 塔式電站用一個塔式電站用一個。吸收器利。吸收器利用由許多反射鏡聚集的陽光把其中的介質(zhì)用由許多反射鏡聚集的陽光把其中的介質(zhì)( (如水如水) )加熱，并產(chǎn)生溫度加熱，并產(chǎn)生溫度和壓力都相當高的蒸汽。蒸汽驅(qū)動汽輪發(fā)電機組發(fā)電。和壓力都相當高的蒸汽。蒸汽驅(qū)動汽輪發(fā)電機組發(fā)電。 塔式電站的塔式電站的聚光倍數(shù)高

4、聚光倍數(shù)高(1000(10003000)3000)，其介質(zhì)工作溫度通常大，其介質(zhì)工作溫度通常大于于350350，因此通常被稱為，因此通常被稱為高溫太陽能熱發(fā)電高溫太陽能熱發(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(zhuǎn)換效率高。相對較小，光熱轉(zhuǎn)換效率高。 但塔式電站但塔式電站建設費用高建設費用高，其中反射鏡的費用占，其中反射鏡的費用占50%50%以上。太陽以上。太陽能塔式電站的總體效率可以達到能塔

5、式電站的總體效率可以達到20%20%。 目前世界上較大的太陽能塔式電站功率已達到目前世界上較大的太陽能塔式電站功率已達到10MW10MW，太，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掌麝柲茌椛渫ㄟ^多個反射鏡聚集到放置在高塔頂?shù)闹行奈掌魃?。計算機控制上。計算機控制，這保障了每塊反射鏡都能隨時把太陽，這保障了每塊反射鏡都能隨時把太陽能反射到吸收器上，但這無疑能反射到吸收器上，但這無疑。 塔式電站的塔式電站的是太陽能電站是太陽能電站。例如，一個計。例如，一個計劃中的劃中的1MW1MW的塔式電站，要用的塔式電站，要用2.932.93萬塊反射鏡，單鏡面積為萬塊反射鏡，單鏡面積為30m30m

6、2 2。這些反射鏡布置在。這些反射鏡布置在3km3km2 2的場地上，塔的高度為的場地上，塔的高度為305m305m。 IVANPAH （美國）392MW延慶延慶1MW光熱電站集熱塔光熱電站集熱塔延慶延慶1MW光熱電站反射鏡光熱電站反射鏡延慶延慶1MW 光熱電站效果圖光熱電站效果圖碟式光熱發(fā)電碟式光熱發(fā)電碟式斯特林碟式斯特林菲涅爾式光熱發(fā)電菲涅爾式光熱發(fā)電線性菲涅爾式線性菲涅爾式線性菲涅爾式光熱發(fā)電線性菲涅爾式光熱發(fā)電工作原理類似槽式光熱發(fā)電，只是采用菲涅爾結構的聚光鏡來替代拋面鏡。這使得它的成本相對來說低廉，但效率也相應降低。此類系統(tǒng)由于聚光倍數(shù)只有數(shù)十倍，因此加熱的水蒸汽質(zhì)量不高，使整個系

7、統(tǒng)的年發(fā)電效率僅能達到10%左右；但由于系統(tǒng)結構簡單、直接使用導熱介質(zhì)產(chǎn)生蒸汽等特點，其建設和維護成本也相對較低。斯特林發(fā)電機斯特林發(fā)電機Schematic of a Stirling systemSchematic of a Dish/Stirling system斯特林發(fā)動機聚焦到太陽能接收器的聚焦到太陽能接收器的太陽能，轉(zhuǎn)換為太陽能，轉(zhuǎn)換為25kW的電力，其峰值轉(zhuǎn)換效的電力，其峰值轉(zhuǎn)換效率約為率約為31.25%。SES公司擁有將太陽能轉(zhuǎn)換公司擁有將太陽能轉(zhuǎn)換為商業(yè)網(wǎng)絡電力為商業(yè)網(wǎng)絡電力31.25 的世界轉(zhuǎn)換效率紀錄的世界轉(zhuǎn)換效率紀錄碟式斯特林系統(tǒng)碟式斯特林系統(tǒng)在中國商業(yè)化推在中國商業(yè)化推

8、廣的主要瓶頸在廣的主要瓶頸在于斯特林發(fā)動機于斯特林發(fā)動機的開發(fā)的開發(fā)聚焦到太陽能接收器的太陽能，其峰值轉(zhuǎn)換效率為聚焦到太陽能接收器的太陽能，其峰值轉(zhuǎn)換效率為31.25%。SES公司擁有將太陽能轉(zhuǎn)換為商業(yè)網(wǎng)絡電力公司擁有將太陽能轉(zhuǎn)換為商業(yè)網(wǎng)絡電力31.25%的世界轉(zhuǎn)換效率紀錄。的世界轉(zhuǎn)換效率紀錄。汽輪機和空冷島汽輪機和空冷島 塔式電站和碟式拋物鏡集熱器分散布置式電站均為塔式電站和碟式拋物鏡集熱器分散布置式電站均為，聚光倍數(shù)高達，聚光倍數(shù)高達500500以上。以上。 但塔式電站的但塔式電站的跟蹤代價高跟蹤代價高，碟式電站的，碟式電站的能量集中代價大能量集中代價大，二者受到了目前技術水準的限制，實現(xiàn)

9、商業(yè)化尚需時日。二者受到了目前技術水準的限制，實現(xiàn)商業(yè)化尚需時日。 槽式電站是槽式電站是，聚光倍數(shù)小于，聚光倍數(shù)小于100100。但槽式電站跟。但槽式電站跟蹤精度低，導致控制代價小，同時采用管狀吸收器，工蹤精度低，導致控制代價小，同時采用管狀吸收器，工作介質(zhì)受熱流動同時集中能量。槽式電站的總體代價相作介質(zhì)受熱流動同時集中能量。槽式電站的總體代價相對小，經(jīng)濟效益相對提高，所以目前對小，經(jīng)濟效益相對提高，所以目前。塔式、槽式和碟式三種電站技術比較 光熱發(fā)電技術比較光熱發(fā)電技術比較優(yōu)優(yōu) 點點缺缺 點點槽式同步跟蹤降低跟蹤控制代價，成本低；具有商業(yè)化運行經(jīng)驗。中、高溫過程，可以蓄熱儲能、聯(lián)網(wǎng)發(fā)電運行。

10、管道系統(tǒng)比塔式復雜得多，熱量及阻力損失大，真空管破損更換增加成本。塔式采用高溫熔融鹽蓄熱儲能，聚光比高，易達到較高工作溫度；接收器散熱面積相對較小。技術復雜，投資較大，發(fā)電成本高，配套設備還不成熟。蝶式熱力發(fā)電效率高，單臺裝置可獨立運行，也可進行模塊化組合，自動化控制性好，維護量少；建設周期短，運行成本低。造價昂貴，商業(yè)化可行性需要證實。菲涅爾式集熱管固定，連接簡單，反射鏡為平面鏡，便于制造與清洗，同時近地安裝，風阻??；直接產(chǎn)生蒸汽，參數(shù)高；造價相對便宜。投運機組少，效率不夠高，儲能時間較小。發(fā)電方式塔式槽式碟式規(guī)模10MW20MW30KW320KW5KW25kW運行溫度/5001000260

11、4005001500聚光方式平凹面反射鏡拋物面反射鏡旋轉(zhuǎn)對稱的拋物面反射鏡跟蹤方式兩軸跟蹤單軸跟蹤兩軸跟蹤聚光倍數(shù)60010008802003000光熱轉(zhuǎn)換效率/%607085年凈效率/%72011161225發(fā)展狀態(tài)提供高溫過程熱，可聯(lián)網(wǎng)發(fā)電運行。處于實驗示范階段，最大容量10MW提供中溫過程熱，可聯(lián)網(wǎng)發(fā)電運行。商業(yè)化階段，最大容量80MW。提供高溫過程熱，分散獨立運行。處于實驗示范階段，獨立系統(tǒng)容量小于50MW。優(yōu)點長遠看前景很好，效率高，可以通過開發(fā)定日鏡及其跟蹤方式和蓄熱來降低成本。跟蹤裝置簡單，投資成本低，有商業(yè)化運行的經(jīng)驗。較高的轉(zhuǎn)化效率，可以獨立運行也可以集成使用，具有高效、模塊

12、化和組成混合發(fā)電系統(tǒng)的能力缺點聚光場與吸熱場優(yōu)化配合問題還需要研究，造價高，產(chǎn)業(yè)化困難。熱載體的工作溫度低，熱損耗較大，真空管的壽命還沒有得到大規(guī)模的驗證，反光鏡更換成本高。造價昂貴，沒有商業(yè)化的與 碟 式 聚 光 器 配 合 的Stirling機。太陽能聚光熱發(fā)電技術比較太陽能聚光熱發(fā)電技術比較三種類型太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)主要性能參數(shù)三種類型太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)主要性能參數(shù) 參 數(shù)塔式系統(tǒng)槽式系統(tǒng)碟式系統(tǒng)年容量因子/%峰值效率/%2077232350202524商業(yè)化情況示范階段可商業(yè)化試驗樣機階段技術開發(fā)風險中低高可否儲能可以有限制蓄電池可否組成混合系統(tǒng)可以可以可以成本 美元/ 美元/W 美元/W

13、p4752004.42.52.40.96302754.02.74.01.33100320012.61.312.61.1國內(nèi)外典型工程案例國內(nèi)外典型工程案例光熱發(fā)電吸引了各路資本的關注。業(yè)內(nèi)普遍對光熱發(fā)電的前景看好，并且興建了大批電站，典型項目如下：美國Ivanpah電站（392MW）和新月沙丘電站（110MW） 浙大中控德令哈50MW 塔式光熱電站首航節(jié)能敦煌110MW 塔式光熱電站龍騰太陽能內(nèi)蒙古烏拉特中旗600米1.6MWth槽式回路蘭州大成200kW槽式光熱發(fā)電示范項目北京延慶八達嶺1MW塔式太陽能發(fā)電站北京延慶八達嶺北京延慶八達嶺1MW塔式太陽能發(fā)電站塔式太陽能發(fā)電站2012年8月9日

14、下午13:18分，位于北京延慶八達嶺地區(qū)的我國首個光熱發(fā)電示范項目1MW塔式光熱發(fā)電示范項目電站首次全面運行發(fā)電實驗成功。該項目總投資1.2億元，于2006年啟動。這是我國光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展史上具有里程碑意義的標志性事件。發(fā)電裝機容量1MW；定日鏡場采光面積10,000平米；吸熱塔高118米；傳熱介質(zhì)為水/蒸汽；儲熱介質(zhì)為飽和蒸汽和導熱油；2.35MPa, 390蒸汽輪機發(fā)電。2011年7月17日產(chǎn)汽，2012年8月9日發(fā)電。美國這兩座電站，在光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展上具有重要意義。 Ivanpah電站為全球最大的光熱電站，該電站于2013年12月31日開始首次投入商業(yè)運營； Crescent Dune

15、s（新月沙丘）為全球最大的熔鹽塔式電站，該電站于2014年2月12日開始進入調(diào)試階段。兩大電站的建成投運開啟了塔式光熱發(fā)電技術的新紀元。 美國Ivanpah電站（392MW）和新月沙丘電站（110MW） 浙大中控德令哈50MW 塔式光熱電站中控太陽能公司投資建設，總裝機容量為50MW，是中國第一座商業(yè)化運營的太陽能熱發(fā)電站。項目場址位于青海省海西州德令哈市西出口太陽能工業(yè)園區(qū)。 項目一期10MW工程于2013年7月5日成功上網(wǎng)發(fā)電，并實現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定運行。 中控太陽能德令哈10MW塔式光熱電站投資數(shù)據(jù)該項目預計總投資9.96億元，為50兆瓦塔式光熱發(fā)電項目。一期10兆瓦采用DSG技術，總投資額2

16、.1億元，包括與50兆瓦裝機配套的公用設施建設。該工程共建設6個熱功率為40MW的鏡場和吸熱塔，1套熔融鹽蓄熱系統(tǒng)，1套蒸汽發(fā)生器系統(tǒng)，1套汽輪發(fā)電機系統(tǒng)以及輔助發(fā)電系統(tǒng)；全場共設置定日鏡217440面，每個鏡場設置36240面，每面鏡子2平米；吸熱塔高度80m。 首航節(jié)能敦煌110MW 塔式光熱電站該項目規(guī)劃裝機規(guī)模100MW+1*10MW塔式光熱電站，一期的1*10MW高溫高壓凝氣式汽輪機發(fā)電機組，帶15小時熔鹽儲熱，總投資4.4億元。 首航節(jié)能中廣核德令哈50MW槽式項目中廣核德令哈50MW槽式光熱電站是中國首個開工的大規(guī)模商業(yè)化光熱發(fā)電項目，為亞開行低息貸款項目且面向全球招標，此次中標后，結合正在敦煌建設的110MW塔式熔鹽光熱電站，這將使首航光熱成為中國唯一一家同時擁有商業(yè)化塔式和槽式光熱電站EPC能力和業(yè)績的公司。首航節(jié)能天津1MWt槽式項目該