浅析太阳能热发电技术(编辑修改稿)

浅析太阳能热发电技术(编辑修改稿)内容摘要：

规矿物能源发电相媲山西大学工程学院毕业设计论文 11 美。 槽式太阳能热发电主要是借助槽形抛物面聚光器将太阳光聚焦反射到接收聚热管上，通过管内热载体将水加热成蒸汽，推动汽轮机发电。 基于槽式系统的太阳能热电站主要包括：大面积槽形抛物面聚光器、跟踪装置、热载体、蒸汽产生器、蓄热系统和常规 朗肯 循环蒸气发电系统。 在太阳能热电系统中配置高温蓄热装置是为解决太阳能的间歇不稳定性而设计的，它可以在太阳光充裕的时候把热能存储下来，当太阳光不足时再放出热能 ，实现电厂的持续发电。 吸收器、聚光器以及跟踪系统构成槽式太阳能热发电系统的集热装置。 吸收器一般采用双层管结构，被置于抛物面聚光器焦线上，内侧为热载体，外侧为真空，以防热流失。 热载体可以是水蒸气、热油或熔盐。 温度一般在 400℃ 左右，属于太阳热能的中低温利用。 聚光镜是一种表面上涂有聚光材料的抛物镜面，它的作用是将分散的低密度太阳光聚焦到吸收器上以产生高温，聚光镜性能的好坏除了与自身的制造精度有关外，还与跟踪装置的好坏有关。 一般的太阳能发电站都采用单轴跟踪方式使抛物面对称平面围绕南北方向的纵轴转动。 与太 阳照射方向始终保持。 以便在任何情况下都能有效的反射太阳光。 然而，近年来人们正在研制一种由多个小型平面反射镜组成的环带太阳能集热器系统，这种技术可以大大降低反射镜的制造难度，但其可靠性和经济性还需作进一步验证。 由多个抛物面聚光器组成的太阳能场将太阳光聚焦到吸收器将冷管中的熔盐热载体加热到 385℃ 并储存到蓄热器中，当系统发热完毕后，热的熔盐载体被送往传热液体加热器，与来自动力系统热管的熔盐热载体进行换热。 热管中的热载体一般为水，水被加热至300℃ 以上后再送回动力系统，同时冷管中的熔盐也再次被送回太 阳场以吸收热能。 槽式太阳能热发电系统工作原理 塔式太阳能光热发电 塔式太阳能热发电系统的基本形式是利用独立跟踪太阳的定日镜群 , 将阳光聚集到固定在塔顶部的接收器上产生高温 , 加热工质产生过热蒸汽或高温气体 , 驱动汽轮机发电机组或燃气轮机发电机组发电 , 从而将太阳能转换为电能。 山西大学工程学院毕业设计论文 12 塔式太阳能热发电系统 , 也称集中型太阳能热发电系统 , 主要由定日镜阵列、高塔、吸热器、传热介质、换热器、蓄热系统、控制系统及汽轮发电机组等部分组成 , 基本原理是利用太阳能集热装置将太阳热能转换 并储存在传热介质中 , 再利用高温介质加热水产生蒸汽 , 驱动汽轮发电机组发电。 塔式太阳能热发电系统中 , 吸热器位于高塔上 , 定日镜群以高塔为中心 , 呈圆周状分布 , 将太阳光聚焦到吸热器上 , 集中加热吸热器中的传热介质 , 介质温度上升 , 存入高温蓄热罐 , 然后用泵送入蒸汽发生器加热水产生蒸汽 , 利用蒸汽驱动汽轮机组发电 , 汽轮机乏汽经冷凝器冷凝后送入蒸汽发生器循环使用。 在蒸汽发生器中放出热量的传热介质重新回到低温蓄热罐中 , 再送回吸热器加热。 塔式太阳能热发电系统的设计思想是 20世纪 50年代由 前苏联提出的。 1950年 , 前苏联设计了世界上第一座塔式太阳能热发电站的小型实验装置 , 对太阳能热发电技术进行了广泛的、基础性的探索和研究。 据不完全统计 ,1981——1991年间 , 全世界建造了兆瓦级太阳能热发电试验电站 20余座 , 其中主要形式是塔式电站 , 最大发电功率为 80MW。 20世纪 80年代末 , 安装在意大利西西里岛的 ,由法国、原联邦德国和意大利等欧洲 9国联合建造的 , 世界上第一座塔式太阳能热电站并网运行。 电站塔高 50米 , 占地 2万 ㎡ , 额定功率为 1MW, 蓄热器由硝酸盐组成 ,采用了 50㎡ 定日镜 70个、 23㎡ 定日镜 112个。 1981年 , 美国在加利福尼亚州南部 Barstow沙漠地区附近建成塔式太阳能热发电站 ,1982年投入运行 , 总耗资 , 共有定日镜 1818台 , 每台定 日 镜面积 40㎡。 中央接收器位于 80m高的塔顶 , 产生 516℃ 的高温蒸汽 , 装机容量 10MW,是当时世界上最大的塔式阳能热发电站。 传热介质为水 , 蓄热介质为导热油和石块 , 所储存的热量可保证 4h的 7MW电能输出 ,保证了在恶劣的气候条件下及夜间正常运行。 经过一段时间试验运行后 ,在 SofarOne的基础上又建 造了 Sola Two塔式太阳能热发电站 ,并于 1996年 6月投入运行。 Solar Two的参数如下 : 1926块定日镜 , 其中 40㎡ 定 日 镜 1818台 ,95㎡ 定日镜 108台 ,镜面总面积 82980㎡。 采用熔盐蓄热系统 , 有 2个储热罐 ,一个储存 565℃ 的高温熔盐 ,另一个储存 28℃ 的低温熔盐。 熔盐可有效蓄热 , 日落后 SolarTwo能够向一万个家庭供电 3个小时。 Solar Two由于增加了蓄热系统 ,使太阳塔输送电能的负载因子高达 65%。 Solar Two塔式试验电站蓄热系统从 1996年一直运行到 1999年结束 , 是目 前最成熟的熔盐蓄热系统。 Solar Two验证了采用熔盐技术可以使电站具有较好的技术和经济性 , 极大地推进了塔式太阳能热发电站的商业化进程。 1983年西班牙工业部和能源部开始投资兴建 CESA一 1,采用了面积为 ㎡ 的定日镜300个 ,定日镜双轴跟踪误差 ,反射率 92%。 塔身为钢混结构 ,高 80m ,载荷能力为 IO0t。 目前该装置作为实验平台用于试验塔式接收系统的不同部件 , 如定日镜、接收器、储热器以及控制部分的性能。 法国的 THEMIS电站建于上世纪 80年代 ,发电功率为 , 使用熔盐作 为吸热器和储热器的介质 , 塔高 100m,单面定日镜面积为 45㎡。 该项目是为确立总体设计和部件的技术可行性 , 并评价出口潜力。 该电站在 1983一 1986年成功运行 , 为未来电站的建设提供了大量的资料。 现已停运多年 ,目前定日镜已有 30%以上的玻璃无法满足设计要求 , 因此 40%的定日镜被法国电力公司收购并改造成为跟踪光伏发电场 , 其余 60%左右定日镜被重新改造 ,用于。 建于西班牙 Seville的 PS10发电厂于 2020年 3月发电 ,发电功率 lMW。 该项目初期论证过采用空气吸热器加燃气轮机的 BRAYTON循环技术 ,最后由于成本高和技术风险大 , 转而采用直接产生蒸汽的方式。 PS10塔高 90m ,有 981面 12l㎡ 的定日镜 , PS10电站每年向电网提供 ,年平均发电效率可达 %。 山西大学工程学院毕业设计论文 13 塔式太阳能电站系统流程示意 线性菲涅尔式太阳能光热发电 线性菲涅尔式太阳能热发电技术，尤其是在需要大面积镜场安装时，具有结构简单，制作、运行成本低和抗风性能优良等特点。 线性菲涅尔反射镜聚焦太阳能于集热器，直接加热工质水。 反射镜和集热器合称聚光系统，在电站中，该聚光系统一般布置为三个功 能区：预热区、蒸发区和过热区。 工质水依次经过这三个区后形成高温高压的蒸汽，推动汽轮机发电。 线性菲涅尔聚光系统由抛物槽式聚光系统演化而来，可设想是将槽式抛物反射镜线性分段离散化。 与槽式反射技术不同，线性菲涅尔镜面布置无需保持抛物面形状，离散镜面可处在同一水平面上。 为提高聚光比，维持高温时的运行效率，在集热管的顶部安装有二次反射镜，二次反射镜和集热管组成集热器。 线性菲涅尔式聚光系统的一次反射镜，也称主反射镜，是由一系列可绕水平轴旋转的条形平面反射镜组成，跟踪太阳并汇聚阳光于主镜场上方的集热器，经过二次反射镜后 再次聚光于集热管。 二次反射镜的镜面形状可优化设计成一个二维复合抛物面。 随着电站规模的增大，达到兆瓦级时，电站需要配备多套聚光集热单元。 为避免相邻单元的主镜场边缘反射镜存在相互遮挡的情况，需要抬高集热器的支撑结构，相邻单元间的距离也需增大，土地利用率较低，于是，研究者们提出了紧凑型线性菲涅尔式反射聚光系统的概念。 相邻的主反射镜之间可相互重叠，消减相互遮挡的状况，提高了土地利用率，也避免了因抬高集热器支撑结构所带来的成本增加。 采用直接蒸汽式工质加热系统，即集热管内即为做功工质，避免了采用中间传热工质的 各种技术问题，但该技术在蒸发段处存在两相流的问题。 在两相流的区域，集热管中的温度分布不均匀，同一根管子上会出现较大的温度梯度。 参考直接蒸汽的槽式发电系统，直接蒸汽的菲涅尔式聚光集热系统也可存在三个基本加热模式：一次通过模式、注入模式以及循环模式。 三种模式各有优缺点：一次通过模式结构简单，但两相流问题难以控制；注入模式理论上可对两相流进行调节，但结构复杂，需要额外增加多个阀门和管道，控制也较为复杂；循环模式采用气液分离器，可较为有效的控制两相流的问题，可谓最为传统的一种方式，系统的稳定性最好，但成本也最高。 目 前，直接蒸汽模式的一些组件设计较为灵活，以上三种模式可结合使用。 根据上述特点，从系统稳定性和可靠性的角度出发，循环模式实属优选，但需要考虑降低其成本。 山西大学工程学院毕业设计论文 14 表 1 太阳能光热发电方式对比 槽式 塔式 碟式 理想电站规模 100MW 以上 100MW 以上 100KW（单台） 目前电站最大规模 80MW 10MW 50KW（单台） 聚光比 10——30 500——3000 500——6000 接收器 空腔式、真空管式 空腔式、外露式 空腔式 运行温度（ ℃ ） 200——400 1000——1500 800——1000 工质 油 /水、水 熔盐 /水、水、空气 油 /甲苯、氦气 跟踪方式 单轴 双轴 双轴 可否蓄能 有限制 可以 蓄电池 可否有辅助能源 可以 可以 可以 可否全天候工作 有限制 有限制 可以 目前最高效率（ %） 28 28 年平均效率（ %） 11——16 7——20 12——25 现有电站最低发电 成本（美分 /min） 8 聚光方式 抛物面发射镜 平面、凹面反射镜 旋转对称反射镜 光热转换效率（ %） 70 60 85 峰值效率（ %） 20 23 29 单位面积造价（美元 /平方米 ） 275——630 200——475 320——3100 单位瓦数造价（美元 /W） —— —— —— 发展状态 可商业化 试验示范阶段 试验示范阶段 开发风险 低 中 高 应用前景 可并网 可并网 可独立可并网 优点 ，投资成本低 ，有很好开发前景 方式降低成本 山西大学工程学院毕业设计论文 15 缺点 的蒸汽 管技术有待提高 化配合还需研究 高，商业化程度不够 ，无与之配套的商业化斯特林热机 ，大规模生产还需研究 山西大学工程学院毕业设计论文 16 第 3 章 关键技术 储热材料 自 20世纪 80年代以来 ,美国、法国、西班牙、以色列、澳大利亚等国相继建立起各种不同类型的试验示范装置和商业化聚光太阳能热发电站 (Concent rating solar power ,CSP),促进了 CSP 技术的发展和商业化进程。 据不完全统计 , 1981——1991年全世界共建成了500kW以上 的 CSP系统 20多座。 20世纪 90年代 CSP的研究进入了相对的低谷。 但自进入 21世纪以来 ,由于能源的紧张 ,各国又进入研究 CSP系统的热潮。 我国于 20 世纪 70 年代末开始太阳能热发电的研究。 天津建造了一套功率为 1kW的塔式太阳能热发电模拟实验装置 ,上海建造了一套功率为 1kW的平板式低沸点工质太阳能热发电模拟实验装置 , 湖南湘潭电机厂与美国公司合作设计并研制出功率为 5kW 的盘式 ( 蹀式 )太阳能热发电装置样机。 从 2020 年到 2020年在张耀明院士主持下 , 南京春辉科技实业有限公司、河海大学等开展了塔式太阳能 热发电系统的研究和开发 , 建成了国内首座塔式 70kW 太阳能热发电系统 , 并通过了鉴定验收。 科技部 ―十一五 ‖更大力支持我国的太阳能热发电的研究 , 中国科学院电工所制定了塔式太阳能热发电技术发展行动计划 , 在 2020年北京延庆将要建成一座 1MW以水 /水蒸气为工质的塔式电站。 由于储热材料可在电力调峰和工业及民用节能领域实现能量在时间和空间上大容量转移的特性 , 正好能补偿太阳能因阴雨多云等天气或晚上而出现的间歇性缺点 , 因此储热技术在太阳能热发电中起着十分重要的作用。 研究储热材 料 , 特别是高温储热材料 , 对提高太阳能热电发电效率、优化系统管道的设计和降低成本具有重要意义。 储热材料的腐蚀性、不稳定性等严重影响着其在 CSP 系 统的应用。 国内外大量研究人员正在研究可应用于 CSP系统的高温储热材料 , 主要集中在高温储热材料的研制及其腐蚀性、稳定性、热物性能、系统设计等方面。 目前 , 正在或探索中可以应用于 CSP系统的高温储热材料一般有熔盐、高温混凝土、金属合金等。 储热材料及储热系统在 CSP 系统中起着很重要的作用。 研究稳定可靠和高效低成本的储热材料及储热系统一直是该领域的研究方向和目标。 储热材料在 CSP系统中的 应用。