塔式太阳能热发电技术.pdf

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1、关于塔式太阳能热发电技术机械工业自动化研究所电气有限公司关于塔式太阳能热发电系统关于塔式太阳能热发电技术1.1.前言前言自从有了人类以来，随着人们对化石能源的疯狂掠取及不合理利用，目前已造成化石能源的严重短缺甚至已濒临枯竭，同时也严重危害了人类赖以生存的环境。去年和今年两次G8峰会，都把应对气候变化作为主要议题，这背后其实主要还是能源结构问题。当煤、天然气等化石燃料逐渐减少,同时要求减少对大气排放污染,发电将形成包括水力发电、核电技术、各种类型的可再生能源发电、太阳能技术等多种形式能源结构。由干用电形式的原因,担任基础负荷的发电形式主力是煤电、核电、水电和能够持续稳定发电的部分可再生能源,风电

2、、太阳能发电等由于其自身的特殊性,不可能成为电力市场的主角。风力发电和太阳能发电的区别在于,风力发电为变动负荷,发电量不稳定,发电量在电网中的比例不宜超过一定的数值,比如5%10%。太阳能发电有规律,发电量较稳定,在电网中的比例可大于风电,是天然的电网调峰负荷,负荷量的形成时间,正是电网中电量需求大的时间区段,因此负荷量可根据电网白天和晚上的最大负荷差确定负荷比例,一般来讲在10%20%范围内是有可能的。电网的负荷曲线形状,在白天与太阳能发电自然曲线相似,上午负荷随时间上升,下午随时间下降,因此对于太阳能发电,可利用这一特点,形成被动式自然发电特点,即白天发电,晚上停机,担任调峰负荷的机组。蓄

3、热装置在启动时和少云到多云状态时补充能量,保证机组的稳定运行。太阳能发电还是最清洁和环保的可用资源,太阳能发电减少了化石燃料向大气中的污染物排放,减少了温室气体二氧化碳的排放。表1为我国太阳能辐射资源表，太阳能发电站宜建在表中太阳能辐射的第一、第二、第三类区域,根据计算,在第三类区域内年每平方公里的太阳能总能量,相当于20万吨的标煤所发出的热量。如果以太阳能热电转换平均效率17%计算,全年相当于发电2.5亿千瓦时,按照目前我国的环保排放标准,相当于减少60吨的烟尘排放量,450吨的二氧化硫排放量,500吨的氮氧化物排放量,18万吨的二氧化碳排放量。2关于塔式太阳能热发电系统表1：中国太阳能辐射

4、资源表区域平均能量相当发电容量(MW/k.m2)419相当发电量(亿度/k.m2.a)20.93包括的主要地区备注宁夏北部，甘肃北部，新疆南部，青海西部，西藏西部丰富地区划分(MJ/m2.a)一类7535二类628034917.44河北西北部，山西北部，内蒙南部，宁夏南部，甘肃中部，青海东部，西藏东南部，新疆南部较丰富地区三类544030215.11山东，河南，河北中等东南部，山西南部，地区新疆北部，吉林，辽宁，云南，陕西北部，甘肃东南部，广东南部四类460525612.79湖南，广西，江西，较差浙江，湖北，福建北部，广东北部，陕西南部，安徽南部五类377020910.47四川大部分地区，贵州

5、最差地区地区2.2.太阳能热发电的主要形式太阳能热发电的主要形式太阳能热发电是将太阳能聚集起来产生高温热能，加热工作介质来驱动发电机发电；是光伏发电技术以外的另一有很大发展潜力的太阳能发电技术。按太阳能采集方式划分，到目前为止，世界上主流的或者说已经建成运行的或正在建设3关于塔式太阳能热发电系统的太阳能热发电站的形式主要有：太阳能塔式发电系统、太阳能槽式发电系统和太阳能碟式发电系统2.1 塔式太阳能热发电系统2.1 塔式太阳能热发电系统塔式太阳能热发电系统是在空旷的地面上建立一高大的中央吸收塔，塔顶上安装固定一个吸收器，塔的周围安装一定数量的定日镜，通过定日镜将太阳光聚集到塔顶的接收器的腔体内

6、产生高温，再将通过吸收器的工质加热并产生高温蒸汽，推动汽轮机进行发电。图1：塔式太阳能热发电系统2.2 槽式太阳能热发电系统2.2 槽式太阳能热发电系统槽式太阳能热发电系统是利用柱形抛物面的槽式聚光系统将太阳能聚焦到管状的吸收器上，并将管内传热工质加热。槽式系统以线聚焦代替了点聚焦，并且聚焦的吸收器管线随着柱状抛物面反射镜一起跟踪太阳而运动。图2：槽式太阳能热发电系统4关于塔式太阳能热发电系统2.32.3 碟式太阳能热发电系统碟式太阳能热发电系统碟式太阳能热发电系统是利用旋转抛物面的碟式反射镜将太阳聚焦到一个焦点，接收器在抛物面的焦点上，接收器内的传热工质被加热到75O左右，驱动发动机进行发电

7、。和槽式一样，碟式系统的太阳能接收器也不固定，随着碟形反射镜跟踪太阳的运动而运动，克服了塔式系统较大余弦效应的损失问题，光热转换效率大大提高。和槽式不同的是，碟式接收器将太阳聚焦于旋转抛物面的焦点上，而槽式接收器则将太阳聚焦于圆柱抛物面的焦线上。图3：碟式太阳能热发电系统2.42.4 不同太阳能热发电技术的比较不同太阳能热发电技术的比较太阳能热发电从经济角度可分为两种，一种是发电成本不依赖规模的热发电系统，以点聚焦的碟式聚光器系统为代表，发电成本目前为0.19-0.26欧元/kWh，适合于做分布式能源系统。另一种是发电成本依赖聚光面积规模的热发电系统，它以线聚焦的槽式系统和点聚焦的塔式系统为代

8、表，发电成本目前为0.076-0.09欧元/kWh。其发电成本依赖装机容量，如80MWe槽式电站的发电成本只有10MWe电站的50%，因此建立大规模太阳能热发电站是降低太阳能发电成本的趋势和必要途径。在大面积聚光方法中，与槽式聚光方式相比，塔式聚光有以下优点：1)槽式的聚光比小，一般在50左右，为维持高温时的运行效率，必须使用真空管作为吸热器件。而塔式的聚光比大，一般可以达300到1500，因此可以使用非真空的吸热器进行光热转换，热转换部分寿命优于依赖于真空技术的槽式聚光技术。2)5关于塔式太阳能热发电系统由于有大焦比，塔的吸热器可以在500C到1500C的温度范围内运行，对提高发电效率有很大

9、的潜力。而槽式的工作温度一般在400C以内，限制了发电透平部分的热电转换效率。随着技术的不断进步，塔式系统从光到电的年平均效率由1995年Solar Two的7.6提高到2006年Solar Tres的13.7。塔式技术已经完成了实验室探索阶段，正在向商业化迈进。塔式发电系统的成本中：聚光部分占43%，接收器部分16%，发电部分13%。系统建造费用由4510欧元/kWe 降低到2270欧元/kWe。3.3.塔式太阳能热发电系统塔式太阳能热发电系统3.1 塔式太阳能热发电现状及趋势3.1 塔式太阳能热发电现状及趋势1950年，原苏联设计了世界上第一座太阳能塔式热发电站的试验电站，对太阳能热发电技

10、术进行了广泛的、基础性的探索和研究。据不完全统计，从19811991年的10年间，全世界建造了装机容量500kW以上的各种不同形式的太阳能热发电实验站20余座，其中主要是塔式电站。自20世纪70年代初，美国休斯顿大学 AlvinHildebr andt 和 LorinVant-Hull 首次提出塔式太阳能热发电原理以来，美国一直积极的发展这项技术，并在20世纪80年代由美国能源部（DOE）的 Sunlab 与 Boeing 公司和 Nexant公司合作建成了10MWe塔式电站Solar One和Solar Two。Solar One 塔式太阳能热发电试验电站是1982建成的。额定输出10MWe

11、。该电站经过两年的试验和评估后进入了发电阶段。定日镜的可利用度极佳，第一年年平均全反射率为95，第二年为96.3%，第三年达到98.9%。Solar One的成功对太阳热发电具有里程碑的意义。Solar Two为促进塔式/熔盐太阳能热发电技术的发展，在 Solar One 的基础上加以改进，采用了熔盐为传热工质。电站于 1996 年开始并网发电。SolarTwo 验证了熔盐技术的应用可以降低建站技术和经济风险，而且可以极大的推进塔式太阳能热发电站的商业化进程。此后，西班牙，德国，瑞士，法国，意大利，前苏联和日本等也已经开展这项技术的研究工作。欧洲，法国、德国和意大利等9个国家联合，于1981年

12、在意大利西西里岛建造了额定功率为 1MWe 的世界首座并网运行的塔式太阳能热电站。从 1994 年开始，欧洲框架IV，V，VI计划连续支持了塔式聚光技术的研究，如：Solgas 计划,6关于塔式太阳能热发电系统Coln Solar 计划等。Eurelios 塔式太阳能电站额定输出1MWe，于1981年并网发电。它的吸热器是具下倾的锥形腔构造，是一种单一的直流式加热到过热温的锅炉。CESA1电站位于西班牙，1983年到1984年间建成。吸热器带回热循环，采用了混合盐作工质，额定输出 1MWe。SSPS 小型太阳能发电系统在西班牙，额定输出 0.5MWe。项目于 1982 年开始运行，用液态钠作为

13、吸热器和储热器传热工质。Themis 电站在法国，额定输出2.5MWe。它用熔盐作为吸热器和储热器的介质。该电站于1983年到1986年成功运行为未来的电站的建设提供了大量的资料。建在西班牙的Seville的PS10 发电厂于2007年3月发电，电功率11MWe，是世界上首座投入商业运营的塔式太阳能热电站。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（DSG）。PS10塔90 m，有981面121m2的定日镜，PS10电站将每年向 电 网 提 供 19.2GWh 的 电 力，年 平 均 发 电 效 率 可 以 到 10

14、.5 ，投 资2800EURO/kWe。Solgas,Coln Solar发电试验装置建立在西班牙的ErtisaHuelva，有450面66m2的定日镜，吸热器功率20MWt，目的是试验太阳能燃气联合循环（ISCC）方式。对联合循环经济性评价也是项目的重要内容。2003年10月在美国举行的IEA-Solar PACES执行委员会上，IEA提出了世界太阳能热发电的近期目标是太阳能聚光发电的装机容量达到5000MWe。欧洲白皮书“Energy for the future:Renewable Sources of Energy-for a CommunityStrategy and Action

15、Plan”中制定的最低目标是：到2010年，欧洲的太阳能热发电装机容量达到1000MWe，其中西班牙在2006年将达到500MWe，比2004年增加15倍。3.2 塔式太阳能热发电系统的结构塔式太阳能热发电主要由定日镜系统、吸热与热能传递系统(热交换系统)、发电系统3部分组成（图4）。定日镜场系统实现对太阳的实时跟踪,并将太阳光反射到吸热器。位于高塔上的吸热器吸收由定日镜系统反射来的高热流密度辐射能,并将其转化为工作流体的高温热能。高温工作流体通过管道传递到位于地面的蒸汽发生器,产生高压过热蒸汽,推动常规汽轮机发电。由于太阳能的间隙性,必须由蓄热器提供足够的热能来补充乌云遮挡及夜晚时太阳能的不

16、足,否则发电7关于塔式太阳能热发电系统系统将无法正常工作。图4：塔式太阳能热发电原理框图.2.1 定日镜系统定日镜是塔式太阳能热发电系统中最基本的光学单元体（图5）.它由反射镜、镜架和跟踪机构三部分组成。平面镜装在镜架上，由其跟踪装置驱动镜面瞬时自动跟踪太阳。定日镜是一个二维运动机构，分别对应太阳的方位角和高度角，反射镜用于反射太阳光至设定的目标点。图5：定日镜图6所示为定日镜高度角反射原理图，根据几何光学知识可知，反射角倾角的变化量应始终是太阳高度角变化量的一半；同理可知，当要求太阳光朝其设定的方向定向投影时，反射镜的高度角变化量、方位角变化量分别是太阳高度角变化量、方位角变化量的一半。8关

17、于塔式太阳能热发电系统图6：定日镜高度角反射原理图定日镜的控制方式有传感器控制、程序控制。传感器控制跟踪方式的优点是能够实时测量太阳光的方向,经电路处理后控制机械机构运行,但是传感器控制跟踪方式一个难以克服的缺点是在多云、阴雨天气中找不到太阳的正确位置,需要人工干预。程序控制方式就是按照太阳运行规律计算聚光镜的位置,控制机械机构运动,但由于机构加工精度等原因存在积累误差,需要定期校正。目前成熟的方案都是采用程序控制加机器视觉校正的模式。MOELLER公司在西班牙的Fotovoltacas 工厂就是采用这种模式开发了性能良好的定日镜跟踪控制系统。3.2.2 塔式太阳能热发电的热交换系统塔式太阳能

18、热发电的热交换系统主要有熔盐系统、空气系统和水/蒸汽系统。塔式熔盐系统（图7）：塔式熔盐系统的熔盐吸热、传热系统一般以熔融硝酸盐为工作介质,系统低温侧一般为290,高温侧为565。低温熔盐通过熔盐泵从低温熔盐储罐被送至塔顶的熔盐吸热器,吸热器在平均热流密度约430kW/m2的聚焦辐射照射下将热量传递给流经吸热器的熔盐。熔盐吸热后温度升高至约565,再通过管道送至位于地面的高温熔盐罐。来自高温熔盐罐的熔盐被输送至蒸汽发生器,产生高温过热蒸汽,推动传统的汽轮机做功发电。以熔盐为吸热、传热介质,主要有以下几个优点:(1)除克服流动阻力外,系统无压运行,安全性提高;(2)传9关于塔式太阳能热发电系统热

19、工质在整个吸热、传热循环中无相变,且熔盐热容大,吸热器可承受较高的热流密度,从而使吸热器可做得更紧凑,减少制造成本,降低热损;(3)熔盐本身是很好的蓄热材料,系统传热、蓄热可共用同一工质,使系统极大的简化。图7：塔式熔盐电站示意图但是,熔盐介质也有其缺点。一是熔盐的高温分解和腐蚀问题,相关材料必须耐高温和耐腐蚀,使系统成本增加、可靠性降低;二是熔盐的低温凝固问题,在夜间停机时高、低温熔盐储罐都必须保温,以防止熔盐凝固,清晨开机时也必须对全部管道进行预热,这些都将增加系统的伴生电耗。塔式空气系统（图8）：以空气作为塔式太阳能热发电系统的吸热与传热介质有以下优点:(1)从大气来,到大气去;取之不尽

20、,用之不绝,不污染环境;(2)没有因相变带来的麻烦;(3)允许很高的工作温度;(4)易于运行和维护,启动快,无须附加的保温和冷启动加热系统。基于以上优点,很多早期的塔式太阳能热发电站采用了空气作为吸热与传热介质。空气系统的应用也很灵活,高温空气既可与水/蒸汽换热驱动汽轮机发电,也可直接驱动燃气轮机发电;既可用于燃气轮机的空气预热,也可用于燃料重整等等。以空气为传热介质的太阳能热发电系统具有显著的优点,但大规模试验研究(3 MW以上)至今未见实施。其主要原因是空气的热容低,系统结构大,技术风险相应增大。原计划采用空气系统的PS10 就是因为担心技术风险而改用了现在的水/蒸汽系统。10关于塔式太阳

21、能热发电系统图8：塔式空气电站示意图塔式水/蒸汽系统（图9）：在塔式水/蒸汽系统中，水/蒸汽系统以水为传热介质。在这类系统中,过冷水经泵增压后被送到塔顶吸热器,在吸热器中蒸发并过热后被送至地面,驱动汽轮机做功发电。在这一系统中,吸热器与反射镜场聚焦光斑的技术最为关键。置于塔顶的吸热器吸收聚焦太阳辐射热后产生高压蒸汽,由于蒸汽热容低,容易发生传热恶化,因此对于吸热器的性能要求比较高,能够承受较大的能流密度和频繁的热冲击。典型的塔式水/蒸汽太阳能热发电试验电站有美国的SolarOne,西班牙的CESA-1 和PS10。Solar One 和CESA-1 均建造于1982 年,PS10 则于2007

22、 年3 月投入商业运行。图9：PS10 水/蒸汽10 MW太阳能电站示意图图9 为西班牙PS10试验电站示意图。PS10吸热器是一个外圆柱式吸热器,由 11关于塔式太阳能热发电系统24 块管板组成,每块管板有70 根吸热管。24 块管板中,6 块板起预热过冷水的作用,其余18 块板产生过热蒸汽。整个吸热器实际上就是一个将水直接加热到过热蒸汽的太阳能锅炉。过热蒸汽也可以送入一个油-沙石蓄热系统进行能量的存储。早期的塔式水/蒸汽试验电站为了获得较高的发电效率,吸热器出口蒸汽参数都较高,相应技术风险也较大。为了降低电站的技术风险,作为商业运行的PS10 电站选择了比较保守的吸热器技术,其出口蒸汽温度

23、为250,压力为4MPa。其电站示意图如图3 所示。PS10 由西班牙Solucar 公司建造,额定发电功率10 MW。该电站采用了4 个蒸汽储罐蓄热,蓄热系统可以75%额定功率驱动电站运行1h。4.适合我国国情的技术相对比较成熟的塔式太阳能热发电集成方案4.适合我国国情的技术相对比较成熟的塔式太阳能热发电集成方案以已经商业运营的西班牙PS10发电厂（图9）为基础，在国内比较成熟可行的塔式太阳能热发电系统的方案如下：4.1 定日镜及定日镜场控制系统4.1 定日镜及定日镜场控制系统近年来，随着我国玻璃制造业技术的提高，符合太阳能热发电要求的定日镜用玻璃已是比较成熟的产品。定日镜的结构设计与制造也

24、无技术瓶颈。定日镜场控制系统就成了一个比较关键的、必须突破的技术关键。基于业已积累的丰富的自动控制和机器视觉技术基础，在穆勒（中国）公司的全力配合下，北京机械工业自动化研究所组织精干力量进行技术攻关，在 MOELLER 公司原有方案的基础上研究开发出了一种性能更好、控制和校正更准确、实时性更佳的定日镜场控制系统。定日镜场控制系统的原理框图见（图 10）。这种定日镜场控制系统的定日镜轴电机控制子系统采用 Moeller 公司 EC4PPLC 作为控制器，控制变频器驱动两个轴电机工作，并通过编码器反馈信号判断是否移动到相应的位置。根据实验检测，在正常工作允许的风力条件下，在定日镜距离集热器 500

25、 米的距离上，该控制系统可以保证太阳光的跟踪误差在200mm 以内，完全满足塔式太阳能热发电系统的要求。EC4P控制器通过以太网与上位机通讯交换数据，定日镜轴电机的控制策略和参数保存在EC4P中，在没有上位机控制的情况下，也可以自行正常工作。因此，与中央集中控制相比这种分布式控制系统的可靠性相当高，反应速度快，还可避 12关于塔式太阳能热发电系统免敷设大量的信号线。图10：定日镜场控制系统图EC4P通过以太网连接到光纤交换机，上位机与各光纤交换机组成链式网络，也可以组成环网保证通讯的可靠性。采用光纤进行通讯保证了长距离网络的通讯可靠性。上位机通过OPC方式与EC4P进行通讯，交换数据。定日镜视

26、觉校正子系统用于定期或人工控制校正每一面定日镜的系统坐标，保证跟踪的精度。太阳轨迹视觉校正子系统用于实时校正由于天气等各种外部原因引起的天文学公式计算结果与实际情况的偏差。4.2 热交换系统4.2 热交换系统从3.2.2节内容可知，目前，在塔式太阳能热发电系统中，吸热器的吸热工质主要有熔盐、空气和水蒸汽三种形式。熔盐，虽解决了高温热量储存的难题，但在没有太阳能输入的情况下，吸热器管路中的熔盐在温度降低后(200300)会凝固，系统需有较好的保温措施并增设防止熔盐凝固的设备;同时，在系统停机时，需用高压氮气将吸热器中的残留熔盐吹出，以避免熔盐凝固;高温熔盐对熔盐泵的腐蚀性也增添了系统安全运行的隐

27、患。熔盐作为吸热工质，目前在存储、输运等技术方面仍不成熟，处于研究探索阶段，在国际上还处于示范阶段。空气，其比热较小，相对而言，大流量高温空气输送到高空的难度较大，同时因 13关于塔式太阳能热发电系统空气的输送压力较高且体积流量较大，系统的自用电的比例增大，降低了电厂的净发电效率。而以水蒸汽为吸热工质的换热设备的设计技术比较成熟，系统运行安全，风险性小。因此，相对而言，在以上三种吸热工质中水蒸汽具有明显的优势，这也是已经商业运行的PS10电站采用塔式水/蒸汽系统的原因，采用该方案比较符合我国国情。以水蒸汽为吸热工质的换热设备的设计和制造技术与常规的锅炉没有本质的差别。当然由于加热方式的不同，结构上的差别会比较大。关键是要处理好光热吸收面如何具有更高的转换效率和防止局部过热的问题。对于后者，我们已经有了可靠的过热部位检测和局部喷淋降温的方法。4.2 发电系统4.2 发电系统采用国内常规的汽轮发电机组即可。综上所述，塔式太阳能热发电系统的关键技术均已被突破，在我国已具备了进行试验电厂建设的基本条件。2009 年 4 月2009 年 4 月 14