太陽能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

太陽能發(fā)電技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

能源和能源不足嚴(yán)重影響了人們的生活和社會發(fā)展。各國正在研究清潔和可支配能源的應(yīng)用，如能源行業(yè)、風(fēng)能、地?zé)崮?、生產(chǎn)能力、朝照能和太陽能。美國、德國、以色列、澳大利亞及日本等國家在太陽能應(yīng)用技術(shù)研究方面起步較早,也是當(dāng)今太陽能應(yīng)用技術(shù)強國。我國太陽能的利用雖然起步較晚,但太陽能熱水器等行業(yè)已形成千億元規(guī)模的產(chǎn)業(yè),可見太陽能應(yīng)用前景之廣闊。太陽能熱水器的應(yīng)用節(jié)約了能源,但不能從根本上解決能源短缺的問題。利用太陽能發(fā)電是解決當(dāng)前能源、資源和環(huán)境等問題的一種有效途徑和方法。一太陽能熱發(fā)電技術(shù)太陽能發(fā)電分為太陽能直接光發(fā)電和太陽能間接光發(fā)電。太陽能直接光發(fā)電有太陽能光伏發(fā)電、太陽能光感應(yīng)發(fā)電等。太陽能間接光發(fā)電有太陽能熱發(fā)電、太陽能光化學(xué)發(fā)電、太陽能光生物發(fā)電等。太陽能熱發(fā)電分為太陽能熱直接發(fā)電和太陽能熱間接發(fā)電。太陽能熱直接發(fā)電有太陽能熱離子發(fā)電、太陽能熱光伏發(fā)電、太陽能熱溫差發(fā)電和太陽能熱磁流體發(fā)電等。太陽能熱間接發(fā)電分為非聚光類太陽能熱發(fā)電(低溫)和聚光類太陽能熱發(fā)電(中、高溫)。非聚光類太陽能熱發(fā)電有太陽池?zé)岚l(fā)電、太陽能熱氣流發(fā)電等。聚光類太陽能熱發(fā)電有塔式太陽能熱發(fā)電、槽式太陽能熱發(fā)電、碟式太陽能熱發(fā)電。目前,較為成熟的太陽能發(fā)電技術(shù)是光伏發(fā)電和太陽能熱發(fā)電。在太陽能熱發(fā)電中,通過聚光產(chǎn)生高溫進而發(fā)電的,效率較高,更具應(yīng)用前景。二聚光源太陽能熱能源技術(shù)(一)太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本形式是利用獨立跟蹤太陽的定日鏡群,將陽光聚集到一個固定在塔頂部的接收器上,用以產(chǎn)生高溫。加熱工質(zhì)產(chǎn)生過熱蒸汽或高溫氣體,驅(qū)動發(fā)電機組發(fā)電,從而將太陽能轉(zhuǎn)換為電能(圖1)。塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)包括:聚光子系統(tǒng)、集熱子系統(tǒng)、發(fā)電子系統(tǒng)、蓄熱子系統(tǒng)和輔助能源子系統(tǒng)。具有規(guī)模大、熱傳遞路程短、熱損耗少、聚光比和溫度較高等特點,極適合于大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)電。1.定日鏡的反射包括定日鏡群和跟蹤裝置。采用雙軸跟蹤,以確保每臺定日鏡的反射光線進入集熱系統(tǒng)的接收器內(nèi);定日鏡微弧度的鏡面保證太陽光聚焦到塔頂?shù)慕邮掌?定日鏡群的成本占總投入的一半以上。2.豎塔的高度分析包括定日鏡場中間或南方的豎塔和豎塔頂部的接收器。豎塔的高度取決于電站容量;接收器主要有空腔式和外露式兩種型式,豎塔在鏡場中間時一般選用外露式接收器,豎塔在鏡場南方時選用空腔式接收器。3.燃?xì)廨啓C組的組成按照工質(zhì)是水還是氣體選用汽輪機組或燃?xì)廨啓C組,其基本組成與常規(guī)發(fā)電設(shè)備類似,但需要設(shè)置工作流體在接收器和輔助能源系統(tǒng)之間循環(huán)的切換裝置。4.美國模式2太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)在早晚或云遮間隙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(xué)蓄熱三種方式,美國在10MW太陽1號(SolarOne)塔式太陽能熱發(fā)電站基礎(chǔ)上,增加潛式蓄熱裝置,建成10MW的太陽2號(SolarTwo)(圖2),效率提高了40%。5.輔助能源系統(tǒng)在夜間或陰雨天,一般采用輔助能源系統(tǒng)供熱,否則蓄熱系統(tǒng)過大會引起初始投資的增加。(二)太陽能供熱發(fā)電系統(tǒng)槽式太陽能熱發(fā)電是將多個槽型拋物面聚光集熱器經(jīng)過串并聯(lián)的排列,產(chǎn)生高溫,加熱工質(zhì),產(chǎn)生蒸汽,驅(qū)動汽輪機發(fā)電機組發(fā)電的系統(tǒng)(圖3)。槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)具有規(guī)模大、壽命長、成本低等特點,非常適合商業(yè)并網(wǎng)發(fā)電。整個系統(tǒng)包括:聚光集熱子系統(tǒng)、換熱子系統(tǒng)、發(fā)電子系統(tǒng)、蓄熱子系統(tǒng)和輔助能源子系統(tǒng)。聚光集熱子系統(tǒng)是系統(tǒng)的核心,由聚光鏡、接收器和跟蹤裝置構(gòu)成。換熱子系統(tǒng):當(dāng)系統(tǒng)工質(zhì)為油時,采用雙回路。即接收器中工質(zhì)油被加熱后,進入換熱子系統(tǒng)中產(chǎn)生蒸汽,蒸汽進入發(fā)電子系統(tǒng)發(fā)電。換熱子系統(tǒng)一般由預(yù)熱器、蒸汽發(fā)生器、過熱器和再熱器組成。直接采用水為工質(zhì)時,可簡化此子系統(tǒng)。發(fā)電子系統(tǒng)、蓄熱子系統(tǒng)和輔助能源子系統(tǒng)的功能與塔式太陽能熱發(fā)電基本相同。美國魯茲(LUZ)公司是槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)應(yīng)用的先行者,1985～1991年間,公司在美國南加州先后建成9座槽式太陽能熱發(fā)電站,總裝機容量353.8MW,是世界上規(guī)模最大、成效最高的太陽能熱發(fā)電工程。最為典型的是80MW裝機容量的SEGSⅧ電站(圖4),8號電站的循環(huán)效率為38.4%,峰值太陽能熱電轉(zhuǎn)換效率為24%,年平均太陽能熱電轉(zhuǎn)換效率為14%,電站的初始投資為2650美元/kW,發(fā)電的成本為8美分/kWh。3碟式(parabolicdish)太陽能熱發(fā)電碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)是利用旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡,將入射陽光聚集在焦點上,放置在焦點處的太陽能接收器收集較高溫度的熱能,加熱工質(zhì),驅(qū)動發(fā)電機組發(fā)電;或在焦點處直接放置太陽能斯特林(stirling)發(fā)電裝置發(fā)電。(圖5)。碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)具有壽命長、效率高、靈活性強等特點,可以單臺供電,也可以多套并聯(lián)使用,非常適合邊遠(yuǎn)地區(qū)和山區(qū)發(fā)電。整個系統(tǒng)包括:聚光集熱子系統(tǒng)、發(fā)電子系統(tǒng)、蓄熱子系統(tǒng)。美國、德國等國家的科研部門相繼展開碟式太陽能熱發(fā)電的研制開發(fā),樣機光電轉(zhuǎn)換效率最高達(dá)29.4%,吸熱器的效率為65%～90%。三種聚光熱發(fā)電系統(tǒng)性能和特點比較見表1。三新疆阿中南地區(qū)太陽能利用現(xiàn)狀根據(jù)《中國新能源和可再生能源1999白皮書》介紹,我國是世界太陽能豐富的國家,全國2/3以上地區(qū)年日照大于2000小時,陸地面積每年接受的太陽輻射能相當(dāng)于2.4×104億噸標(biāo)準(zhǔn)煤,約相當(dāng)于數(shù)萬個三峽工程發(fā)電量的總和。根據(jù)國土資源部發(fā)布的2004年國土資源公報,全國荒漠化土地面積已達(dá)262萬平方公里,每年新增荒漠化面積2400多平方公里,大部分在太陽能資源豐富的西部地區(qū)。僅新疆地區(qū),166萬平方公里的土地面積中就有荒漠戈壁111萬平方公里,按每年發(fā)電量160kWh/m2估算,如果用新疆地區(qū)的荒漠戈壁面積接受的太陽能來發(fā)電,全年發(fā)電量達(dá)到約1.8×106億kWh,約相當(dāng)于兩千個三峽的發(fā)電量;新疆荒漠戈壁1%的太陽能發(fā)電量與我國2004年總發(fā)電量(約為19000多億kWh時)相當(dāng)。在過去的很長一段時間里面,中國科學(xué)院、上海交通大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等單位一直在從事太陽能熱發(fā)電單元技術(shù)和基礎(chǔ)試驗研究,建立了相應(yīng)的熱發(fā)電模擬裝置,積累了一定的工作經(jīng)驗和理論基礎(chǔ)。最近幾年,中國材料集團南京玻璃纖維研究設(shè)計院春輝科技實業(yè)有限公司和河海大學(xué)新材料新能源開發(fā)研究院組成的聯(lián)合攻