太阳能热发电系统.pptx

思考题1.简述太阳能气流发电的工作原理.2.常规的火力发电的工作过程.3.火力发电为何要用过热蒸汽?4.常规的火力发电要解决的主要问题是什么?5.你认为太阳能热发电的难点是什么?6.太阳能气流发电与太阳能热发电相比,各有何优缺点?第1页/共114页目前可见到的发电类型火力发电（煤发电、油发电）最常见的，应用最广泛的，耗能最多的型式水力发电 三峡、丰满电站（纪念邮票）要有自然资源、地域优势，人工建站，百年大计三峡几十年筹划，高峡出平湖，百万移民，鱼鸟迁居，同时解决发电、航运、灌溉三大问题核电站（秦山、大亚湾）太阳能发电（光-热发电、光-伏发电）潮汐能发电（要有自然资源、地域优势）风力发电第2页/共114页太阳能热发电系统 通过水或其他工质和装置将太阳辐射能转换为电能的发电方式，称为太阳能发电。太阳能发电目前主要有两种基本途径：一种是先将太阳辐射能转换为热能，然后再按照某种发电方式将热能转换为电能，即太阳能热发电；另一种是通过光电器件直接将太阳辐射能转换为电能，即太阳能光伏效应发电。这里先介绍一种少见的太阳能气流发电气流发电第3页/共114页太阳能气流发电太阳能气流发电 1978年，前联邦德国史兰赫博士的一个奇妙构思，在德国政府支持下，一个新奇的电站建成了，并获得试验成功。它为人类利用大阳能发电开辟了一条新的途径。史兰赫独辟蹊径的设计思想受到了人们的高度赞扬，在当代科学界传为美谈。太阳能气流电站的中央，竖立着一个大“烟囱”。它是用波纹薄钢板卷制而成，其直径达10.3米，高200米，重约20万千克。在“烟囱”的周围，是巨大的环形曲面半透明塑料大棚。第4页/共114页太阳能气流发电太阳能气流发电 大棚的中央部分高8米，边缘高2米，周长252米。这个庞然大物是在金属骨架上装半透明塑料板制成的。在“烟囱底部安装有气轮发电机。当大棚内的空气经太阳曝晒以后，其温度比棚外空气约高20。由于空气具有热升冷降的特点，再加上大“烟囱”向外排风的作用，就使热空气通过“烟囱”快速地排出，因而底部进风口抽力很大，流速很快，从而使设在“烟囱”底部的气轮发电机发电。这座电站，白天可发电10万千瓦，夜间虽没阳光，但棚内空气温度高，仍可发电40千瓦。它的发电成本与核电站相近，相当低廉。第5页/共114页太阳能气流发电太阳能气流发电 气流电站的试验成功，鼓舞了史兰赫，并积累了经验。于是，他又提出了建造大规模太阳能气流电站的计划。这个未来的气流电站，将要建在阳光充足、地面开阔的沙漠地区。它的发电能力预计为100万千瓦，“烟囱”高1000米以上，塑料大棚的直径则达10千米，并且使用寿命长达20年。太阳光透过半透明的塑料大棚，将其中的空气加热到2050，使热空气以每秒2060米的速度从“烟囱”排出。第6页/共114页太阳能气流发电太阳能气流发电 更为可贵的是，塑料大棚也可以利用起来作暖房，种植蔬菜和栽培早熟的农作物。史兰赫将太阳能气流电站的设想变成现实，标志着人类利用太阳能的技术得到进一步的提高，并为利用和改造沙漠创造了良好的条件。但沙漠地域建高塔有较大难度，如地基问题。第7页/共114页澳大利亚太阳能发电塔 澳大利亚计划建造一座高1 000 m的太阳能发电高塔，2005年交付使用。该塔的主体部分是一个高达1 000 m的管道，底部塔身宽1 30 m，塔身周围是7X106平方米的温室，该发电塔的工作原理是：地面空气受到太阳光的照射变热后，被吸入塔管内，热空气沿着管道上升，带动管道内的涡轮发电机发电。这座发电塔计划建在澳大利亚新威尔十州和维多利亚州交界处，建成后可以解决20万户居民的用电问题。澳大利亚工业部为此项目投资3.8亿美元。第8页/共114页 本章将对太阳能热发电系统的工作原理、系统组成、基本类型及发展现状与未来展望等内容加以介绍。太阳能热发电技术可分为两大类型：一类是利用太阳能直接发电，如利用半导体材料或金属材料的温差发电，真空器件中的热电子和热离子发电，碱金属的热电转换，以及磁流体发电等。其特点是发电装置本体无活动部件。但它们目前的功率均很小，有的仍处于原理性试验阶段，刚进入商业化应用，我们下一节介绍。第9页/共114页 另一类是太阳能热动力发电，利用太阳集热器将太阳能收集起来，加热水或其他工质，使之产生蒸气，驱动热力发动机，再带动发电机发电；也就是说，先把热能转换成机械能，然后再把机械能转换为电能。这种类型已达到实际应用的水平，美国等国家已建成具有一定规模的实用电站，下面的介绍即为这种类型的太阳能热发电系统。第10页/共114页5.1 5.1 太阳能热发电系统工作原理太阳能热发电系统工作原理 太阳能热发电系统与火力发电系统的工作原理基本上是相同的，其根本区别在于热源不同，前者以太阳能为热源，后者则以煤炭、石油和天然气等化石燃料为热源。因此，下面首先对火力发电系统工作原理加以简介，然后介绍太阳能热发电系统工作原理。第11页/共114页5.1.1 5.1.1 火力发电系统工作原理火力发电系统工作原理 所谓火力发电，就是将从煤炭、石油和天然气等燃料所得到的热能变换成机械能，再带动发电机转动产生电能的发电方式。火力发电有汽轮机发电、内燃机发电和燃气轮发电等方式。通常所说的火力发电，主要是指汽轮机发电，也就是利用燃料在锅炉中燃烧得到的热能将水加热成为蒸汽，蒸汽冲动汽轮机，汽轮机带动发电机发出电。火力发电系统由锅炉、汽轮机、发电机等主要设备和许多附属设备组成，如图10-1所示。第12页/共114页第13页/共114页(1)(1)蒸汽的能量蒸汽的能量 在一定压力下将水加热至沸腾，只要有一部分水还未蒸发成蒸汽，水和蒸汽就都保持一定的温度不变，直到全部水都蒸发为水蒸气。这时的温度称为饱和温度，压力称为饱和压力，饱和温度下的蒸汽称为饱和蒸汽。混合着一些水分的饱和蒸汽称为湿饱和蒸汽，不含水分的饱和蒸汽称为干饱和蒸汽。保持压力不变，继续加热饱和蒸汽，当温度超过饱和温度后，就成了 过热蒸汽。在热能发电过程中，是将煤粉末燃烧产生的热量被水吸收，成为水或蒸汽的热能。在热力学中，以焓来表征蒸汽或水持有的热能，以O时1kg水所持有的热量作为比较的基准，单位为kJkg。第14页/共114页 显然，一定容积的蒸汽随着温度的增加，对其容器的膨胀压力会愈来愈大。根据热力学定律，热能与机械能可互相转换，设两者的交换值为Q(J)，则 QAU+W 式中，W为膨胀功率；AU为蒸汽内能的变化量。火力发电中利用蒸汽来交换电能正是高温高压蒸汽所产生的W。第15页/共114页(2)2)火力发电的原理火力发电的原理 图10-2表示蒸汽做功的过程。燃料燃烧产生的热能将锅炉中的水加热产生湿饱和蒸汽湿饱和蒸汽，湿饱和蒸汽通过输汽管时继续加热成为干饱和蒸汽干饱和蒸汽，再经过过热器进一步加热成为过热蒸汽过热蒸汽.高温高压的过热蒸汽通过汽轮机喷嘴后，压力和温度降低，体积膨胀，流速增高，热能转变为动能，推动汽轮机转动，由汽轮机带动发电机旋转发电。汽轮机排出的低温低压蒸汽送进凝汽器凝结成水，再送入锅炉循环使用。火力发电过程中，燃料的热能要经过锅炉、汽轮机和发电机才能转变为电能，在锅炉和汽轮机等处都有能量损失，其热效率只有热效率只有3030-40-40左右左右。第16页/共114页第17页/共114页(3)3)火力发电过程的热流程火力发电过程的热流程 提高火力发电效率的关键，是采取措施更加有效地利用热能。下面通过热循环来考察火力发电过程中热能的演变。蒸汽火电厂的热循环包括朗肯循环、回热循环和再热循环。第18页/共114页朗肯循环。朗肯循环。是现代蒸汽动力装置的基本热力循环。因系由苏格兰工程学教授朗肯对卡诺循环进行改进而成，故称之为朗肯循环。如图103(a)所示，火电厂的燃料燃烧产生热量，将送进锅炉的水(给水)加热成为蒸汽。为有效地利用锅炉的燃烧热，锅炉内设有过热器，把蒸汽进一步加热为过热蒸汽。过热蒸汽进入汽轮机后膨胀做功，将一部分热能转换为推动汽轮机旋转的动能，成为低温低压蒸汽从汽轮机排出(排汽)进入凝汽器，经冷却后又凝结成水。整个热循环为给水+蒸汽+排汽一凝水一给水。图103(b)是表示这一过程的热循环图。第19页/共114页第20页/共114页 回热循环。回热循环。是现代蒸汽动力装置普遍采用的一种热力循环，是在朗肯循环基础上对吸热过程加以改进而成。在朗肯循环中，汽轮机排汽所含的蒸发热在凝汽器中丢失，这部分热量很大。如图104所示，为提高热效率，在汽轮机内膨胀的过程中抽出一部分蒸汽，用来加热锅炉的给水，这个热循环就称之为回热循环。它不仅减少了凝水器中丢失的热量，并且还提高了通过汽轮机的过热蒸汽的温度及压力，从而使整个系统的热效率提高。第21页/共114页第22页/共114页再热循环。再热循环。过热蒸汽在汽轮机高压缸中膨胀至某一中间压力后全部返回锅炉再度加热，然后引入汽轮机中低压缸继续做功的一种水汽循环。在图105所示的热循环过程中，汽轮机分为高压和低压两级，高压级的排汽全部引出后送到锅炉的再热器中再加热，然后再送到低压级继续做功。通过再热循环可以最大限度地利用蒸汽的热能通常用于l0万千瓦以上的汽轮发电机组。第23页/共114页(4)(4)火力发电系统的能量转换过程火力发电系统的能量转换过程 图l0-6归纳了火力发电系统能量转换的全过程，即煤炭、石油和天然气等燃料包含的化学能在燃烧即氧化反应过程中以热量的形式释放出来，热量加热锅炉中的水和蒸汽，成为蒸汽所包含的热能 高温高压的过热蒸汽在汽轮机中膨胀做功，转化为高速气流，推动汽轮机旋转，热能转换为机械能（过热蒸汽才有高速气流效果）最后，由汽轮机带动发电机旋转发电，输出电能。这就是火力发电系统发电的整个能量转换过程。第24页/共114页第25页/共114页火力发电要解决的主要问题1.提高能耗效率2.减少温室气体(SO2)排放第26页/共114页5.1.2 5.1.2 太阳能热发电系统基本工作原理太阳能热发电系统基本工作原理 在介绍了火力发电系统工作原理之后，再阐述太阳能热发电系统的工作原理，就简单容易了所谓太阳能热发电，就是利用聚光集热器把太阳能聚集起来，将某种工质加热到数百摄氏度的高温，然后经过热交换器产生高温高压的过热蒸汽，驱动汽轮机并带动发电机发电。从汽轮机出来的蒸汽，其压力和温度均已大为降低，经过冷凝器冷凝结成液体后，被重新泵回热交换器，又开始新的循环。由于整个发电系统的热源来自于太阳能，因而称之为太阳能热发电系统第27页/共114页 利用太阳能进行热发电的能量转换过程，首先是将太阳辐射转换为热能，然后是将热能转换为机械能，最后是将机械能转换为电能。整个系统的效率也将由这3部分的效率所组成 为使读者得到关于太阳能热发电系统的基本概念，下面首先介绍一下理想热机的卡诺循环。它是法国工程师卡诺于1824年首先提出的，故称为卡诺循环。该循环是由绝热压缩(工质温度由T2提高至T1)、定温吸热(工质在T2下从同温度的高温热源吸取热量Q1)、绝热膨胀(工质温度从Tl降至T2)、定温放热(工质在T2下向外部低沮热源定温排出热量)第28页/共114页4个过程组成的一个可逆循环(见图107)。在相同的界限温度(T1和T2)间任何实际的热力循环由于不可逆损失与非定温传热，不可能达到如此离的热效率，故卡诺循环是一个理想的循环。卡诺循环的研究，使热能转变为功的过程成为可能，并对提高实际循环的热效率提出了方向第29页/共114页 将热能转换为机械功的条件及理论上可得到的最大转换效率，已由热力学第二定律和上面介绍的卡诺循环原理所阐明热力学第二定律表明，任何热机都不可能从单一热源吸取热量并使之全部变为机械功所以，热机从热源吸取的热量中必有一部分要传递给另一低于热源温度的物体，称之为冷源，如图108所示。第30页/共114页 由上式可知，要提高热机效率Vm，热源温度T1，应尽可能高，冷源温度T2应尽可能低。对于太阳能热发电系统来说，冷源(即冷凝器)的温度主要取决于环境，而在实际应用中冷源的温度是很难低于环境温度的。因此，提高热机效率的主要途径，是提高热源的温度，这就需要采用聚光集热器。但温度过高也会带来诸多问题，如对结构材料的要求苛刻，对聚光跟踪的精度要求高，集热器的热效率随着温度的增加而减少等，所以过于提高热源的温度也并不总是有利的。第31页/共114页太阳能热发电系统的总效率Vo为集热器效率Vt、热机效率Vm和发电机效率Vt的乘积，即 VoVcVmVt 由于太阳能的不稳定性，系统中必须配置蓄能装置，以便夜间或雨雪天时提供热能，保证连续供电。也可考虑组成太阳能与常规能源相结合的混合型发电系统，用常规能源补充太阳能的不足。第32页/共114页5.2 5.2 太阳能热发电系统组成太阳能热发电系统组成 太阳能热发电系统由集热子系统、热传输子系统、蓄热与热交换子系统和发电子系统所组成，如图10-9所示。第33页/共114页第34页/共114页第35页/共114页第36页/共114页第37页/共114页碟式系统碟式系统 也称为盘式系统。主要特征是采用盘状抛物面镜聚光集热器，其结构从外形上看类似于大型抛物面雷达天线。由于盘状抛物面镜是一种点聚焦集热器，其聚光比可以高达数百到数千倍，因而可产生非常高的温度。这种系统可以独立运行，作为无电边远地区的小型电源，一般功率为1025kW，聚光镜直径约1015m；也可用于较大的用电户，把数台至十数台装置并联起来，组成小型太阳能热发电站。第38页/共114页5.2.1 5.2.1 集热子系统集热子系统 吸收太阳辐射能转换为热能的装置。主要包括聚光装置、接收器和跟踪机构等部件。不同的功率和不同的工作温度有其合适的结构。100以下的小功率装置，多为平板式集热器。有的装置为增加单位面积上的受光量，而外加反射镜。由于工作温度低，其系统效率一般在5以下。对于在高温条件下工作的太阳能热发电系统来说，必须采用聚光集热装置来提高集热温度，从而提高系统效率。第39页/共114页聚光集热器主要有以下几种类型:(1)复合抛物面反射镜聚焦集热器，需季节性调整其倾角。(2)线聚焦集热器，常采用单轴跟踪的抛物柱面反射镜聚光。(3)固定的多条槽型反射镜聚焦集热装置和固定的半球面反射镜线聚焦集热装置，其吸热管都需跟踪活动。第40页/共114页 (4)点聚焦方式，它提供了最大可能的聚光度，并且成像清晰，但需配备全跟踪机构。(5)菲涅尔透镜，常用硬质或软质透明塑料模压而成，可做成长的线聚焦装置或圆的点聚焦装置，要相应配置单轴跟踪机构或全跟踪机构。(6)塔式聚光集热装置，它是大功率集中式太阳能热发电系统的主要聚光集热器的结构方式。第41页/共114页第42页/共114页 构成聚光装置反射面的主要材料是反射镜面，如把铝或银蒸镀在玻璃上，或者蒸镀在聚四氟乙烯及聚酯树脂等膜片上。对于玻璃反射镜，可蒸镀在镜子的正面或反面。镀在正面，反射率高，没有光透过玻璃的损失，但不易保护，寿命较短。镀在反面，尽管由于阳光必须透过玻璃会引起一些损失，但镀层易保护，使用寿命较长，因而目前应用较多。第43页/共114页 接收器的主要构成部件是吸收体。其形状有平面状、点状、线状，也有空腔结构。在吸收体表面往往覆盖选择性吸收面，如：经过化学处理的金属表面；由铝钼铝等类多层薄膜构成的表面；用等离子体喷射法在金属基体上喷镀特定材料后所构成的表面等。它们对太阳光的吸收率e很高，而在吸收体表射率越小，接收器所能达到的温度越高。还可在包围吸收体的玻璃等的表面镀上一定厚度的钼、锡、钛等金属制成选择性透过膜。这种膜能使可见光区域的波长几乎全部透过，而对红外区域的波长则几乎完全反射。这样，吸收体吸收了太阳辐射并变成热能再以红外线辐射时，此膜即可将热损耗控制在最低限度。第44页/共114页 为使聚光器、接收器发挥最大的效果，反射镜应配置跟踪太阳的跟踪机构。跟踪的方式，有反射镜可以绕一根轴转动的单轴跟踪，有反射镜可以绕两根轴转动的双轴跟踪。实现跟踪的方法，有程序控制式和传感器式。程序控制式，是预先用计算机计算并存储设置地点的太阳运行规律，然后依据程序以预定的速度转动光学系统，使其跟踪太阳。传感器式，是用传感器测出太阳入射光的方向，通过步进电机等驱动机构调整反射镜的方向，以消除太阳方向同反射镜光轴间的偏差。第45页/共114页5.2.2 5.2.2 热传输子系统热传输子系统 对于热传输子系统的基本要求是 (1)输热管道的热损耗小；(2)输送传热介质的泵功率小；(3)热量输送的成本低。第46页/共114页 对于分散型太阳能热发电系统，通常是将许多单元集热器串、并联起来组成集热器方阵，这就使得由各个单元集热器收集起来的热能输送给蓄热子系统时所需要的输热管道加长，热损耗增大。对于集中型太阳能热发电系统，虽然输热管道可以缩短，但却要将传热介质送到塔顶，需消耗动力。传热介质根据温度和特性来选择，目前大多选用在工作温度下为液体的加压水和有机流体，也有选择气体和两相状态物质的。为减少输热管道的热损失，目前主要有两种做法：一种是在输热管外面包上陶瓷纤维、聚氨基甲酸酯海绵等导热系数很低的绝热材料；另一种是利用热管输热第47页/共114页5.2.3 5.2.3 蓄热与热交换子系统蓄热与热交换子系统 由于地面上的太阳能受季节、昼夜和云雾、雨雪等气象条件的影响，具有间歇性和随机不稳定性，为保证太阳能热发电系统稳定地发电，需设置蓄热装置。蓄热装置常由真空绝热或以绝热材料绝热材料包覆的蓄热器构成。可把太阳能热发电系统的蓄热与热交换系统分为下面4种类型。第48页/共114页 (1)低温蓄热 以平板式集热器收集太阳热和以低沸点工质作为动力工质的小型低温太阳能热发电系统，一般用水蓄热，也可用水化盐等。(2)中温蓄热 指100500的蓄热，但通常指300左右的蓄热。这种蓄热装置常用于小功率太阳能热发电系统,适宜于中温蓄热的材料有高压热水、有机流体(在300左右可使用导热油、二苯基氧-二苯基族流体、稳定饱和的石油流体和以酚醛苯基甲烷为基体的流体等)和载热流体(如烧碱等)。第49页/共114页(3)高温蓄热 指500以上的高温蓄热装置。其蓄热材料主要有钠和熔化盐等。(4)极高温蓄热 指1000左右的蓄热装置。常用铝或氧化锆耐火球等做蓄热材料。第50页/共114页5.2.4 5.2.4 发电子系统发电子系统 由热力机和发电机等主要设备组成，与火力发电系统基本相同。应用于太阳能热发电系统的动力机有汽轮机、燃气轮机、低沸点工质汽轮机、斯特林发动机等。这些发电装置，可根据集热后经过蓄热与热交换系统供汽轮机人口热能的温度等级及热量等情况选择。对于大型太阳能热发电系统，由于其温度等级与火力发电系统基本相同，可选用常规的汽轮机，工作温度在800以上时可选用燃气轮机；对于小功率或低温的太阳能热发电系统，则可选用低沸点工质汽轮机或斯特林发动机。第51页/共114页第52页/共114页第53页/共114页 低沸点工质汽轮机是一种使用低沸点工质的朗肯循环热机，一般把它的热温度设计150。过去常用氟里昂做工质，现在多用丁烷和氨等。来自蓄热与热交换系统的热能送入气体发生器，使加压的液体工质蒸发，然后被引至汽轮机膨胀做功。压力下降后的低压气体经冷凝器冷却并液化，再由泵将加压的工质送回气体发生器(图10-10)。第54页/共114页 斯特林发动机又称为热气机，因其是1816年由苏格兰人罗伯特斯特林所发明而得名。它是一种由外部供热使气体在不同温度下做周期性压缩和膨胀的闭式循环往返式发动机，具有可适用于各种不同热源、无废气污染、效率高、振动小、噪声低、运转平稳、可靠性高和寿命较长等优点。其主要部件有加热器、回热器、冷却器、配气活塞、动力活塞及传动机构等第55页/共114页5.3 5.3 太阳能热发电系统基本类型太阳能热发电系统基本类型 自从1950年原苏联设计建造了世界第一座塔式太阳能热发电小型试验装置和1976年法国在比利牛斯山区建成世界第一座电功率达lOOkW的塔式太阳能热发电系统之后，20世纪80年代以来，美国、意大利、法国、前苏联、西班牙、日本、澳大利亚、德国、以色列等国相继建立起各种不同类型的试验示范装置和商业化试运行装置，促进了太阳能热发电技术的发展和商业化进程。据不完全统计，仅在19811991年10年期间，全世界就共建成了500kW以上的太阳能热发电系统20多座。世界现有的太阳能热发电系统大致可分为槽式线聚焦系统、塔式系统和碟式系统3大基本类型。第56页/共114页5.3.1 5.3.1 槽式线聚焦系统槽式线聚焦系统 利用槽形抛物面反射镜将太阳光聚焦到集热器对传热工质加热，在换热器内产生蒸汽，推动汽轮机带动发电机发电的系统。其特点是聚光集热器由许多分散布置的槽形抛物面镜聚光集热器串、并联组成，如图10-12所示。载热介质在单个分散的聚光集热器中被加热或形成蒸汽汇集到汽轮机图10-12(a)；或者汇集到热交换器，把热量传递给汽轮机回路中的工质图10-12(b)。第57页/共114页第58页/共114页 槽形抛物面镜集热器是一种线聚焦集热器，其聚光比较塔式系统低得多，吸收器的散热面积也较大，因而集热器所能达到的介质工作温度一般不超过400，属于中温系统。这种系统，容量可大可小，不像塔式系统只有大容量才有较好的经济效益；其集热器等装置都布置于地面上，安装和维护比较方便；特别是各聚光集热器可同步跟踪，使控制成本大为降低。主要缺点是能量集中过程依赖于管道和泵，致使输热管路比塔式系统复杂，输热损失和阻力损失也较大。第59页/共114页 美国与以色列联合的鲁兹(LUZ)公司于1980年开始研制开发槽式线聚焦系统，5年后实现了产品化，可生产1480MW的系列化发电装置。该公司于19851991年间先后在美国加利福尼亚州南部的莫罕夫(Moiave)沙漠地区建成的9座大型商用槽式抛物面镜线聚焦太阳能热发电系统(SEGSISEGSX)，是这一类型的典型。第60页/共114页 图10-13是这一系统的原理图。它是利用线性聚焦的抛物面槽技术，由太阳辐射作为一次能源的中压、朗肯循环蒸汽发电系统。系统中的太阳能收集器场装有相当数量的太阳能集热器组合单元，每个组合单元由若干槽式抛物面镜线聚焦集热器组成，装配成5096m长的单元。例如80MW的SEGS太阳能收集器场包括852个长96m的太阳能集热器组合单元，排列成142个环路。由1台计算机分别控制这些组合单元跟踪太阳，使其全天都能将阳光准确地反射到集热钢管上。集热钢管内装有传热流体，先由反射的太阳辐射加热到391，然后被输送到动力装置，在传统的热交换系统中把热量传递给水，将水加热成过热蒸汽，驱动汽轮发电机组发电。第61页/共114页第62页/共114页 鲁兹公司先后研制开发了3种太阳能集热装置。反射镜、真空集热管和跟踪机构是其3大关键部件。反射镜采用低铁玻璃加热成型，背面镀银再涂以保护层。镜片用高强度黏结剂黏附在支架的托盘上。LS-1和LS-2集热器元件由带铬黑表面的不锈钢管和抽真空的玻璃外套管构成，铬黑表面的吸收率为0.94，在300时反射率为0.24。LS-3采用的不锈钢管外表面涂覆有光谱选择性吸收涂层，太阳光吸收率为0.96，在350时的反射率为0.19，明显优于铬黑。玻璃套管上有双层减反射涂层，太阳光透过率为0.965。不锈钢管与玻璃套管之间抽成0.013Pa真空，并用可伐合金及不锈钢波纹管封接，保证夹层真空密封，以降低在高温下运行的热损失，并保护涂层表面不被氧化。夹层中装有吸气剂，使真空得以长期保持。第63页/共114页 集热器的载热工质为一种合成油，并加有防冻剂，具有热容大和凝固点低等特点。集热装置采用单轴跟踪。起动运行时，由一个轴编码器确定集热装置绕轴的初始位置，定位系统的设计精度为0.1度。然后，通过太阳辐射传感器闭环跟踪系统，使集热装置对准太阳，把太阳光线聚焦到集热管上。反射镜架结构和驱动系统能保证在9ms以下的风速时有正常的跟踪精度，在20ms的风速下可保证在某个降低的精度下运行。太阳能集热器场控制系统由中央控制室的场地监控装置和每个集热器组合单元的微处理器组成。第64页/共114页 场地监控装置监测日照、风速和传热流体的流动状态，并传送给所有集热器的微处理器。从太阳能集热器场输出的热流体经过热交换器，产生过热高压蒸汽，进入汽轮机。在系统中还包括一个并联的天然气锅炉，用以补充太阳能的不足，维持汽轮机满容量运行，提供峰值输出。由于锅炉系统产生的蒸汽压力与太阳能系统相同，汽轮机用同一常规人口。第65页/共114页 这9座电站的总容量为354MW，年发电为10.8亿度，其中：SEGSI为14MW，SEGSSEGS各为30MW，SEGS和SEGS各为80MW。这9座电站均与南加州爱迪生电力公司联网。随着技术的不断提高，其系统效率已由初始的115提高到136，建造费用已由5 976美元千瓦下降到3 011美元千瓦，发电成本已由263美分度下降为12美分度。第66页/共114页5.3.2 5.3.2 塔式系统（应用最广泛）（应用最广泛）又称集中型系统。它是在很大面积的场地上装有许多台大型反射镜，通常称为定日镜，每台都各自配有跟踪机构，准确地将太阳光反射集中到一个高塔顶部的接收器上。接收器上的聚光倍率可超过1 000倍。在这里把吸收的太阳光能转换成热能，再将热能传给工质，经过蓄热环节，再输入热动力机，膨胀做功，带动发电机，最后以电能的形式输出。主要由聚光子系统、集热子系统、蓄热子系统和发电子系统等部分组成，如图10-14所示。第67页/共114页第68页/共114页(1)(1)反射镜反射镜(又称定日镜又称定日镜)及其自动跟踪及其自动跟踪 由于这一发电方式要求高温、高压，对于太阳光的聚焦必须有较大的聚光比，需用千百面反射镜，并要有合理的布局，使其反射光都能集中到较小的集热器窗口。反射镜的反光率应在8090以上，自动跟踪太阳要同步。第69页/共114页(2)2)接收器接收器 也叫太阳能锅炉。要求体积小，换能效率高。有垂直空腔型、水平空腔型和外部受光型等类型。对于垂直空腔型和水平空腔型来说，由于反射镜反射光可以照射到空腔内部，因而可将锅炉的热损失控制到最低限度，但最佳空腔尺寸与场地的布局有关。外部受光型吸收体的热损耗要比上述两种类型大些，但适合于大容量系统。第70页/共114页(3)(3)蓄热装置蓄热装置 应选用传热和蓄热性能良好的材料作为蓄热工质。选用水汽系统具有许多优点，因为工业界和使用者都很熟悉，有大量的工业设计和运行经验，附属设备也已商品化。但腐蚀问题是其不足之处。对于高温的大容量系统来说，可选用钠做热传输工质，它具有优良的导热性能，可在3000kWm2的热流密度下工作。第71页/共114页 1982年4月，美国在加州南部巴斯托(Barstow)附近的沙漠地区建成一座称为“太阳1号”的塔式太阳能热发电系统。该系统的反射镜阵列，由1818面反射镜环包括接收器总高达855m的高塔排列组成。起初，采用水-蒸汽系统，发电功率为IOMW(如图10-15)。1992年装置经过改装，用于示范熔盐接收器和蓄热装置。第72页/共114页由于增加了蓄热装置，使太阳塔输送电能的负荷因子可高达65。熔盐在接收器内由288加热到565，用于发电。以后，又开始建设“太阳2号”系统，并于1996年并网发电。该电站在运行3年之后进行了评估，其发电实践不仅证明了熔盐技术的正确性，而且促进了30200MW塔式系统的商业化进程。第73页/共114页 近年，以色列Weizmanm科学研究院正在对此类系统进行改进。用一组独立跟踪太阳的反射镜，将阳光反射到固定在塔顶部的初级反射镜-抛物面镜上，然后由其将阳光向下反射到位于它下面的次级反射镜-复合抛物面聚光器(CPC)，最后由CPC将阳光聚集在其底部的接收器上。通过接收器的气体被加热到约1200，推动1台汽轮发电机组，500左右的排气再用于推动另1台汽轮发电机组，从而使系统的总发电效率可达2528。据悉仍在研究试验中。第74页/共114页第75页/共114页5.3.3 5.3.3 碟式系统碟式系统 也称为盘式系统。主要特征是采用盘状抛物面镜聚光集热器，其结构从外形上看类似于大型抛物面雷达天线。由于盘状抛物面镜是一种点聚焦集热器，其聚光比可以高达数百到数千倍，因而可产生非常高的温度。这种系统可以独立运行，作为无电边远地区的小型电源，一般功率为1025kW，聚光镜直径约1015m；也可用于较大的用电户，把数台至十数台装置并联起来，组成小型太阳能热发电站。第76页/共114页第77页/共114页第78页/共114页 在上述3种类型太阳能热发电系统中，目前只有槽式线聚系统已进入商业化阶段，其他两种类型均尚处于中试和示范阶段，但其商业化前景看好。这3种类型的系统，既可单纯应用太阳能运行，也可安装成为与常规燃料联合运行的混合发电系统。上述3种类型太阳能热发电系统的主要性能参数列于表10-2中。第79页/共114页第80页/共114页5.4.1 5.4.1 发展现状发展现状 太阳能热发电系统，不耗用化石能源，无污染物排放，是与生态环境和谐的清洁能源发电系统。自20世纪80年代初研究试验成功以后，经过不断发展与改进，目前美国已有11座大型商用系统在并网运行，总装机容量约为265万千瓦；在日本、法国、以色列、意大利、西班牙、德国、前苏联、澳大利亚等国也积极开展了研究开发工作，并建设了试验示范系统。第81页/共114页 研究开发与试验示范表明，5.3节介绍的几种类型发电系统，在技术上是可行的，在经济上也将会是有前景的。它们是：30MW以上线聚焦抛物面槽式系统；30MW以上点聚焦塔式系统；几千瓦至几十千瓦采用燃气轮机或斯特林发动机的点聚焦抛物面碟式系统。前两种，一般与大电网并网运行；后一种，一般供用户作为独立电源使用，但同时也可并网使用。第82页/共114页(1)槽式系统在20世纪70年代末和80年初，美国、西欧、以色列和日本等国都做了很多研究开发工作，取得了较大进展，特别是美国已有9座大型系统投入商业并网运行，总装机容量达354万千瓦(表10-3)。此外，西班牙、日本等国的示范电站也取得很好成果，起到了试验示范作用。第83页/共114页1981年国际能源机构(1EA)在西班牙南部的阿尔梅里亚建设了2座额定功率各为500kW的太阳能热发电系统，其中的SSPS-DOS即为槽式系统。该系统使用了164台槽式抛物面镜，其中东西型80台、南北型84台，集热总面积5 362m2，用油(HT-43)做集热介质和蓄热介质，蓄热容量为075MWh，汽轮机进口蒸汽温度为285、压力为25X10Pa。建设费用为2 800万马克。日本于1981年在四国香川县仁尾町海边建设了2座装机容量各为1 000kW的太阳能热发电站，其中之一即为平面镜曲面镜混合聚光的槽式系统。第84页/共114页 该系统的平面镜共有25台镜架，每台镜架上有5排反射镜，每排装有4.5m2的平面镜20块。由每台镜架上的100块平面镜把太阳光反射到一组共5台的槽式抛物面镜上。位于抛物面焦线处的集热管互相串联。这样的混合聚光单元共25个。平面反射镜总共2480块、总面积11160m2，槽式抛物面镜共125台。第85页/共114页 集热介质为水-蒸汽。汽轮机进口蒸汽温度为346、压力14X10Pa。蓄热介质为混合盐加压力水，蓄热容量为3MWh。建设费用为50亿日元。于1981年9月投入运行试验。由于当地日照条件较差，系统利用率低，经济性差，在取得许多试验数据后，于1984年停止运行。第86页/共114页(2)(2)塔式系统塔式系统 20世纪80年代世界上已建成的塔式太阳能热发电系统如表10-4所列。它们基本上都是试验电站，目的是为设计建设更大型的商用电站提供技术和经济上的依据。从表10-4可以看出，这些电站的建设费用都相当昂贵，经济上的竞争力差。在这些电站中，日本的仁尾电站和法国的THEMIS电站，由于当地日照条件较差，系统利用率低，经济效益差，在运行两三年取得一定试验数据后即停运。西班牙的SESA-1电站、欧共体的EURELICS电站及国际能源机构(1EA)的SSPS-CRS电站均进行了较长期的研究试验工作。第87页/共114页其中西班牙还同德国合作，利用CESA-1电站的集热器进行试验，研究气体冷却塔式聚光型系统，称为GAST计划。在表10-4中所列电站中，美国的“太阳1号”和“太阳2号”是性能发挥得最好的电站。“太阳1号”电站，即使没有辅助热源，也可昼夜连续运行33.6h，是其他系统不可比的。建成以后，经过两年的初试和评估期，并人南加州电网正常发电。在整个50个月(包括正常发电的3年和每星期5天的14个月)的运行期，累计净发电3.7万度。第88页/共114页 1994年10月，又完成了“太阳2号”电站的设计，并于1996年4月投入并网发电。“太阳2号”电站除掉了“太阳1号”电站的全部水-蒸汽热传输系统(包括接收器、管道和热交换器)和油-岩石储热系统，安装了新的熔化硝酸盐系统(包括接收器、2个箱式储热系统和蒸汽发生器系统)，增添了部分反射镜，并改进了主控系统。具体地说，与“太阳1号”电站相比，有如下特点第89页/共114页在镜场南部增加了108台双轴跟踪的反射镜，每台镜面95m2，共10 260m2，加上原来的1 818台反射镜，总面积为81 660m2。由于增加了反射镜面积，使接收器可接收的太阳辐射量达到了商业接收器的水平，减少了电站早晨启动的时间，并可为储能系统提供更多的能量。第90页/共114页 用43MW(热)圆柱形的硝酸盐接收器替换了水-蒸汽接收器，不但更加坚实，而且可容许更高的辐射量。新的接收器，直径5.1m，高6.2m，从反射镜接收到的平均辐照度为0.4MW(热)m2它在24块面板上安装了768根内径2.6cm、壁厚0.12cm的不锈钢管。进入接收器的熔化盐温度为288，流出温度为565。第91页/共114页用硝酸盐储热系统替换了油岩石储热系统。该系统可储存电站3h满负荷运行的热量。它包括一个热盐箱(565)和一个冷盐箱(288)。热盐箱内径11.6m、高8.4m，用不锈钢材制造。冷盐箱直径11.6m、高7.8m，用碳素钢材制造。箱的外部均绝热。用于这一系统的硝酸盐约60万公斤。增加了一个35MW(热)的蒸汽发生器，在此利用硝酸盐的热能产生512的蒸汽，驱动汽轮发电机组。第92页/共114页 对控制系统进行了改进，把原有的和新增的反射镜结合在一个反射镜阵列控制器中。“太阳2号”电站共耗资4 850万美元，其中：用于电站设计、建设和检验的费用为3 900万美元；用于1年试验评估阶段和两年电力生产阶段的运行及维护费用为950万美元。“太阳2号”电站是美国太阳能热发电计划中最令人瞩目的一个项目，但仍是试验电站，是推进塔式系统商业化进程的先导工程，其目的是为建设更适合商业规模的30200MW(电)的塔式系统提供经验和数据，减少技术上和经济上的风险，使电站的建设费用降低到投资者可以接受的水平(图10-18)。第93页/共114页第94页/共114页(3)(3)碟式系统碟式系统 现代碟式热发电系统在20世纪70年代末到80年代初，首先由瑞典US-AB和美国AdvancoCorporation、MDAC、NASA及DOE等开始研发，大都采用Silverslass聚光镜、管状直接照射式集热管及USAB4-95型热气机。在1984年，美国Advaneo Corporation研制了一套25kW碟式斯特林热发电系统，最高太阳能电能转换效率为29.4。以后，MDAC曾开发了8套碟式斯特林热发电系统，净效率大于30；第95页/共114页 后来，它将硬件和技术全部转让给了SEC；SEC于19861998年间进行了试验，年平均效率达12。德国SBP公司于19841988年间建立了2套碟式热发电系统，安装于沙特阿拉伯的利亚德附近，当入射光辐照度为1 000Wm时，净输出53kW，效率达231。进入20世纪90年代以来，美国和德国的某些企业和研究机构，在政府有关部门的资助下，用项目或计划的方式加速碟式系统的研发步伐，以推动其商业化进程。第96页/共114页 美国“太阳能热发电计划”与Cummins公司合作，于1991年开始研制开发7kW碟式斯特林商用发电系统。该碟式抛物面镜点聚焦集热器斯特林系统