25太阳能热发电

代表一种理论极限。
卡诺循环效率 T1 T2
T1
T1 为系统吸热时的温度 T 2 为系统放热时的温度
太阳能热发电效率
s c
3、太阳能热发电系统组成
聚光集热系统 热能传输部分 蓄热与热交换部分 汽轮发电子系统 辅助能源子系统
（一）集热部分
1、定目镜（或聚光系统/聚光器）
➢ 塔高50m； ➢ 聚光镜：5m2的70台， 23m2的112台； ➢ 额度功率：1000KW； ➢ 占地：2万m2 ➢ 水蒸气温度：5000C
➢ 1982年，美国在加利福尼亚州南部的 Bartow沙漠地区附件兴建了一座大型的的塔 式太阳能热电站solar one：
➢ 塔高91.5m； ➢ 聚光镜：1818台； ➢ 额度功率：10MW； ➢ 占地：7万m2 ➢ 水蒸气温度：5160C
Power tower in Barstow, California
Power tower in Barstow, California
2、系统构成：
➢ 聚光子系统； ➢ 集热子系统； ➢ 蓄热子系统； ➢ 发电子系统； ➢ 辅助能源子系统
图 塔式太阳能集热发电系统原理
3、聚光子系统：
➢ 定日镜群； ➢ 跟踪装置；
➢利用旋转抛物面反射镜，将入 射阳光聚集在一点上， ➢在焦点上安放热能接收器，收 集的热能将接收器内的传热工质 加热到很高温度，驱动发动机进 行发电； ➢或是在焦点处直接放置太阳能 斯特林（stirling）发电装置发 电。
特点：
➢ 聚光比高，可达3000以上； ➢ 体积小，吸热面积小，能量损失小； ➢ 效率高，太阳能转化电能效率达30%； ➢ 寿命长，灵活性强，投资少，安装方便； ➢ 可单台供电，也可多套并联使用，主要适合
塔式电站的致命缺点是太阳能电站规模越大，反射镜阵 列的占的面积越大，吸收塔的高度也要提升。例如，一个 计划中的1MW的塔式电站，要用2.93万块反射镜，单镜 面积为30m2。这些反射镜布置在3km2的场地上，塔的高
度为305m。
特点：
➢ 聚光比高，工作温度较高； ➢ 系统容量大 ➢ 效率高 ➢ 热损耗小 ➢ 适合于大规模并网发电
蓄热材料分别是： 水化盐、 导热油、 熔化盐 氧化锆耐火球
蓄热方式：显热蓄热、潜热蓄热和化学储存。
1、显热蓄热
介质：水、油、岩石、砂、砾石，人工制造的 氧化铝球，
特点：价格低，易得到，热容量小。
2、潜热蓄热 特点：利用物质的潜热蓄热，单位容积的
蓄热量很大，蓄热装置可望小型化。
蓄热介质需具备以下特点：具备几千次可 逆蓄释热循环性鞥；价格便宜；不腐蚀容器。
但塔式电站建设费用高，其中反射镜的费用占50%以上。 太阳能塔式电站的总体效率可以达到20%。
目前世界上较大的太阳能塔式电站功率已达到104kW， 太阳能辐射通过多个反射镜聚集到放置在高塔顶的中心吸 收器上。计算机控制每块反射镜都能独立的根据太阳的位 置来调整各自的方位和倾角，这保障了每块反射镜都能随 时把太阳能反射到吸收器上，但这无疑增加了成本。
Collectors in southern CA
（2）、接收器：一根做了良好保温的金属圆管 ①、真空集热管
➢ 优点：热损失小 ➢ 缺点：封接技术要求高，很难做到长期保持夹层内
的真空度。
(1) 真空管式吸收器
真空管吸收器的结构图
真空管吸收器的优缺点
真空管吸收器的优点是金属管与玻璃管之间不存在对流热损， 玻璃管外径较小且透明，从而既减少了对阳光的遮影，也通过 增大热阻降低了外表面的对流热损；有选择性涂层的金属管壁 对阳光的吸收率很高，但发射率却非常低。
真空管吸收器的缺点是由于玻璃和金属的热膨胀系数不同，玻 璃管与金属管之间存在温差，造成中温时(略低于350℃)真空 封口处的玻璃容易脆裂，从而难以在室外环境下长期维持真空 度；在中温时光学选择性涂层容易老化和脱落，难以长期维持 大规模光学选择性吸收表面的热稳定性。
②、空腔集热管
➢ 工作原理：利用空腔体的黑体效应，充分吸收聚焦后的阳光；
腔体式吸收器集热器剖面图
腔体式吸收器的优点
吸热过程不是发生在最强聚焦区，而是在聚焦过后和发射时，并 以较大的内表面积向工作流体传热，致使和真空管吸收器相比具 有较低的投射辐射能流密度；
腔体壁温较均匀，可减小与流体之间的温差，使开口的有效温度 降低，从而最终使热损降低；
经优化设计的腔体式吸收器，热性能比真空管吸收器稳定，在同 样情况下，工作介质平均温度大于230℃时，腔体式吸收器既不需 要抽真空，也不需要涂光学选择性涂层，仅采用传统的材料和制 造工艺；
➢ 聚光集热装置（子系统）：聚光镜、接收器、 跟踪装置；
➢ 辅助能源装置（子系统） ➢ 蓄热装置； ➢ 汽轮发电装置
3、槽式太阳能热发电系统的工作模式： ➢ 直通模式：
➢ 水经过预热、蒸发、过热后直接推动汽轮机发电； ➢ 最简单，投资少，控制复杂
➢ 注射模式：
➢ 水分别从集热管不同的地方注入； ➢ 正常运行需要必要的测试系统，系统投资大，不具竞争力
（1）、定日镜：
➢ 平面镜； ➢ 镜架； ➢ 跟踪装置；
镜架很轻，跟踪结 构的电功率消耗小
➢采用铝或银作用反光材料的玻璃背面镜
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➢对定日镜性能具有严格的要求
➢ 镜面反射率高； ➢ 镜面平整度误差小； ➢ 整体机械结构强度高，运行中能抗8级台风； ➢ 运行稳定； ➢ 全天候工作； ➢ 可以大批生产； ➢ 易于安装； ➢ 维护少，工作寿命长；
（二）热能传输部分
作用：把集热器收集起来的热能传输给蓄热 部分。
（三）蓄热和热交换部分
➢ 蓄热子系统：由于太阳能受季节、昼夜和气象条件的 影响，为保证发电系统的热源稳定，需设置蓄热装置。
蓄热： 低温（<100℃） 中温（100~500 ℃ ） 高温（>500 ℃ ） 极高温(1000 ℃左右).
（2）机械性能 1)反射镜面有很好的平整度 2)整个镜面与镜体有很高的机械强度和稳定性 3）反射镜面和保护膜有很强的粘合度 （ 3）化学稳定性 镜面具有很强的耐腐蚀性能
2、接收器
作用：通过接收经过聚焦的阳光，将太阳能 辐射能转变为热能，并传递给部件。
3、跟踪装置
跟踪方式：单轴跟踪、双轴跟踪； 实现方式：程序控制方式、传感器控制方式
➢ 2019年，美国在solar one的原址上建造了 solar two：
➢ 聚光镜：1926台：
➢ 40m2的1818台 ➢ 95m2的108台
➢ 镜场占地：8.3万m2 ➢ 硝酸盐温度：5650C
➢ 2009年，西班牙的安达卢西亚（Andalucian） 沙漠中投入运行了目前全球最大的太阳能电站：
（四）汽轮发电子系统
➢作用：太阳能热发电系统用的动力发电装置。 ➢种类：现代汽轮机、燃气轮机、低沸点工质汽 轮机、斯特林热发动机等。 ➢选择依据：太阳集热系统可提供的工质参数。
（五）辅助能源子系统
作用：维持电站能够一直持续运行。 构成：就是在系统中增设常规燃料锅炉， 用于阴雨天，夜间起动。
2.5.2、太阳能热发电系统的基本构成
4、中心接收塔（动力塔） ——太阳能热发电站的集热装置
➢ 太阳能辐射接收器：
➢ 功能：将太阳能转化成工作流体的热能 ➢ 分类：空腔式，外漏式（外部受光式）
➢ 高塔：
➢ 钢筋混凝土 ➢ 钢架构
（二）、应用情况
➢ 1950年，前苏联收集了世界上第一座塔式太 阳能热发电站的小型试验装置；
➢ 1980年，意大利等9个欧盟国家在西西里岛联 合建造了世界上首座并网运行的塔式太阳能热 电站：
本高；
➢ 单轴跟踪系统：
➢ 结构简单，跟踪难度不高；
单轴 跟踪
只做定期 跟踪调整
➢ 美国鲁兹(LUZ)公司
（二）应用情况 ➢ 1985~1991在美国南加州建成9座
槽式太阳能热电站，总装机容量 353.8MW
二、塔式太阳能热发电系统（集中型）
（一）系统原理及构成 1、原理：
(1)塔式电站 Power Towers
➢ 结构：
➢ 镀银玻璃背面镜，几十块组构而成； ➢ 钢结构环作为支撑； ➢ 混凝土或钢结构支架； ➢ 双轴跟踪装置；
➢ 作用：收集阳光并将其聚集到一个有限尺寸面上， 以提高单位面积上太阳辐射度，从而提高被加热 工质的工作温度。即将太能辐射聚焦，以提高其 功率密度。
➢ 聚光方式：平面反射镜和曲面反射镜（一维抛物 面反射镜、二维抛物面反射镜和混合平面-抛物面 反射镜）。此外还有线形和圆形菲涅尔透镜。
有满足严格的要求： （1）光化学系统 聚光器的镜面反射率越高越好
(3)槽式电站 Parabolic Troughs
槽式电站与碟式电站相似，它把聚焦器分散布置，使载 热介质在单个分散的太阳能聚焦集热器中加热成蒸汽， 再汇集至汽轮机。
如采用双回路系统，则加热后的载热介质不直接送到汽 轮机，而是集中在一个热交换器内，然后把热量传递给 汽轮机回路中的工质。
2、系统（电站）构成
➢ 塔高：120m； ➢ 聚光镜：1200台： ➢ 水蒸汽温度：10000C
➢ 2019年底，国内首座“70KW塔式太阳能热 发电系统”在南京市江京太阳能试验场顺利建 成，并网发电：
➢ 塔高：33m；聚光镜： 20m2的32台；工质温度：9000C
三、 碟式太阳能热发电系统
（一）系统原理及构成
1、原理：
成本低和便于维护也是腔体式吸收器的特性。
腔体式吸收器的集热效率大于真空管吸收器，这使它成为槽形抛 物镜集热器的吸收器。腔体式吸收器的发展已受到重视。
（3）、跟踪装置：使槽式聚光器时刻对准太阳
➢ 根据入射光线和主光轴位 置关系分为：
➢ 两轴跟踪系统：
➢ 具有最理想的光学性能； ➢ 设备结构复杂，制造维修成