2第二章 太陽能發(fā)電技術(shù)

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1、第二章太陽能發(fā)電技術(shù) 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。 第一節(jié)太陽能熱發(fā)電 1. 概述 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)電有太陽池熱發(fā)電、太陽能熱 氣流發(fā)電等。

2、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。 聚光類太陽能熱發(fā)電是通過聚光產(chǎn)生高溫，再通過各種發(fā)電裝置將熱能轉(zhuǎn)換 為電能，效率較高，具有應(yīng)用前景。 太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)一般由六部分組成： （1） 太陽能集熱子系統(tǒng)：將分散的、功率密度低的太陽能聚集。 （2） 吸熱與輸送熱量子系統(tǒng)：吸收聚集的太陽熱量，輸送給工質(zhì)。 這兩部分簡稱為太陽場，是太陽能發(fā)電系統(tǒng)的核心。 （3） 蓄熱子系統(tǒng)：將多余的太陽熱量儲存起來，以便太陽輻射不足或夜間 也能發(fā)電。使發(fā)電裝置能穩(wěn)定運行。 （4） 蒸汽發(fā)生系統(tǒng)：將熱量專遞給工質(zhì)，使溫度、壓力提高。 （5） 動力子系統(tǒng)：蒸汽膨脹做

3、功。 （6） 發(fā)電子系統(tǒng)：將機械能轉(zhuǎn)化為電能。 除熱源外，太陽能熱發(fā)電與常規(guī)化石能源熱力發(fā)電方式熱力學工作原理相 同，都是通過Rankine （蘭金、郎肯）循環(huán)、Brayton （布雷頓）循環(huán)或Stirling （斯特林）循環(huán)將熱能轉(zhuǎn)換為電能。 >1 - 2過熱水蒸氣在汽輪機內(nèi)等炳膨脹，變成 濕蒸汽，同時對外輸出軸功， < 2 - 3濕蒸汽在冷凝器內(nèi)等壓（或等溫）冷凝, 變成飽和液體水： O ?>3 - 4冷凝水在水泵中等炳壓縮，進回全鍋爐; >4- 1水在鍋爐中吸收熱量，完成預(yù)熱、氣化、 過熱三階段過程，變成過熱水蒸氣。 ' Rankine 循環(huán) 恒壓 加熱 Cons

4、tant pressure heat addition . Brayton Cycle Open-cycle gas-turbine Brayton Cycle closed-cycle gas turbine 恒壓 加熱 Constant pressure heat addition Constant pressure heat rejection Brayton （布雷頓）循環(huán) 斯特靈發(fā)動機是通過氣體受熱膨脹、遇冷壓縮而產(chǎn)生動力的。它包含了 一定量的氣體，這些氣體在“冷”端（通常是室溫）和“熱”端（通常由煤油或酒 精燃燒進行加熱）之間運動。位移活塞推動著氣體在

5、兩個“端”之間運動。伴隨 著氣體的膨脹和壓縮，動力活塞也改變了發(fā)動機內(nèi)部的體積。 演示 2. 槽式太陽能熱發(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)。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)。 (1)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。 作用是收集太陽能量，加熱工質(zhì)。 (2) 換熱子系統(tǒng)。由預(yù)熱器、蒸汽發(fā)生器、過熱器和再熱器組成。

6、當系統(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。直接采用水為工質(zhì)時，可簡化此子系統(tǒng)。 （3） 發(fā)電子系統(tǒng)。基本組成與常規(guī)發(fā)電設(shè)備類似，但需要配備一種專用裝置, 用于工作流體在接收器與輔助能源系統(tǒng)之間的切換。 （4） 蓄熱子系統(tǒng)。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、潛式和化學蓄熱三種方式。 （5） 輔助能源子系統(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)過大會弓起初始投資的增加。 一種雙回路槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)工作原理如圖： 槽式太陽能集熱器場 MW

7、 W 彳 熱交換裝置A g曰se 低溫儲熱裝置 給水泵 汽輪機 發(fā)電機 局溫儲熱裝置 一種單回路槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)工作原理如圖: 汽水 水 在1985~1991年間，美國在南加州先后建成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、成效最高的太陽能發(fā)電工程。 以最為典型的80MW裝機容量的SEGS㈣電站為例，其主要技

8、術(shù)特征為槽式 拋物面反射鏡東西向放置，采用單軸跟蹤技術(shù)。集熱器為性能優(yōu)越的LS-3型集 熱器它使用的是真空管環(huán)形接收器，直徑70mm的不銹鋼管裝在同心直徑為 115mm圓柱形玻璃套內(nèi)，玻璃管上涂覆雙層減反射膜，陽光透過率為0.965,玻 璃管內(nèi)保持真空以減少熱損失，不銹鋼管表面采用磁控濺射涂覆高溫選擇性吸 收涂層，其可見光吸收比達0.96,紅外發(fā)射比為0.19，不銹鋼管和玻璃套管間采 用可伐封接；集熱器工作介質(zhì)為導(dǎo)熱油，工作溫度為391°C整個電站共使用了 900個這樣的太陽集熱器。拋物面反射鏡的開口面積達545m2,使用了 224塊扇 形玻璃鏡片，鏡片背面鍍銀，每片鏡片由4個圓形托盤

9、托附在支架上,支架上裝 有太陽輻射傳感器，經(jīng)液壓傳動機構(gòu)驅(qū)動支架跟蹤太陽,如遇惡劣天氣，支架自 動翻轉(zhuǎn)，鏡面開口向下，從而使鏡面和接收器得到保護。SEGS㈣電站的循環(huán)效 率為38.5%,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%。LS-3型集熱器的工質(zhì)是導(dǎo)熱油，整個系統(tǒng)采用雙回路設(shè)計，導(dǎo)熱油在換 熱子系統(tǒng)中，產(chǎn)生高溫水蒸汽進入汽輪機組發(fā)電。但是雙回路不僅降低了系統(tǒng)效 率而且增加了設(shè)備投資。SEGSK電站采用LS-4型集熱器，集熱器中直接使用 水作工質(zhì)，使電站的循環(huán)效率達40%,峰值太陽能熱電轉(zhuǎn)換效率為28%,年平 均太陽能熱電轉(zhuǎn)換效率為17%。 槽式太陽能熱發(fā)電另

10、一典范是希臘的克里達電站?？死镞_電站位于希臘風景 如畫的克里達島，為了保護這里的自然環(huán)境不被現(xiàn)代化工業(yè)所破壞,希臘政府 在島上興建了 50MW的克里達槽式太陽能熱發(fā)電站，設(shè)計壽命25年，在陰天續(xù) 晚上采用燃燒礦物燃料方式供熱。 20世紀70年代，在槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)方面,中科院和中國科技大學曾做 過單元性試驗研究。進入21世紀，南京春輝科技實業(yè)有限公司和河海大學新材 料新能源開發(fā)研究院聯(lián)合組成攻關(guān)隊伍，在太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域的太陽光方位傳 感器、自動跟蹤系統(tǒng)、槽式拋物面反射鏡、槽式太陽能接收器方面取得了突破 性進展。目前正著手開展完全擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的槽式太陽能熱發(fā)電試驗裝置, 預(yù)計200

11、7年底將成功發(fā)電。 3、塔式太陽能熱發(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。 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） 聚光子系統(tǒng)：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

12、占總投入的一半以上。 （2） 集熱子系統(tǒng)：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） 發(fā)電子系統(tǒng)：按照工質(zhì)是水還是氣體選用汽輪機組或燃氣輪機組,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) 蓄熱子系統(tǒng)：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、潛式和化學蓄熱三種方式。 (5) 輔助能源子：系統(tǒng)在夜間或陰雨天一般采用輔助能源系統(tǒng)供

13、熱，否則 蓄熱系統(tǒng)過大會引起初始投資的增加。 原理圖 美國太陽2號10MW 1980年，由意大利等9個歐洲國家在西西里島聯(lián)合建造了世界首座并網(wǎng)運行的塔 式太陽能熱電站，這座電站塔高50米，鏡場配置70臺50m2和112臺23m2的聚光 鏡。電站的額定功率為1000kW,總占地2萬平方米。每臺聚光鏡由兩部電動機帶 動實現(xiàn)了雙軸跟蹤，鏡面把陽光聚集成光束反

14、射到塔頂鍋爐，鍋爐內(nèi)產(chǎn)生高達 500°C的水蒸氣驅(qū)動汽輪機發(fā)電機組發(fā)電。由于具有良好的儲能設(shè)施，無論是白天 黑夜，陰天雨天都能保證連續(xù)發(fā)電。這里銀光閃爍，被人們稱為西西里島的“聚 寶盆'。 1980年美國在加利福尼亞州南部別Barstow沙漠地區(qū)附近興建了一座大型塔 式太陽能熱電站Solar One,額定功率為10MW,占地7萬多平方米，塔高90米， 采用了 1818臺聚光鏡，接收器內(nèi)產(chǎn)生516C水蒸汽驅(qū)動汽輪發(fā)電機發(fā)電。 1996年，在Solar?？凇暝方ㄔ炝?10MW的塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)Solar Two。 Solar Tw（采用硝酸鹽作為蓄熱介質(zhì)，接收器內(nèi)的硝酸鹽被加熱到565C

15、用來直 接生產(chǎn)蒸汽或儲存在絕熱的儲槽內(nèi),供多云時段或日落后使用。由于增加了有效 的蓄熱手段,日落后Solar 丁可?能夠向1萬個家庭供電3個小時。該裝置的設(shè)計商業(yè) 運行壽命為25~30年。 20世紀90年代后期，以色列魏茲曼科學研究院對塔式系統(tǒng)進行了改進,他們 利用一組獨立跟蹤太陽的定日鏡，將陽光反射到固定在塔頂部的初級反射鏡一 一拋物鏡上，然后由初級反射鏡將陽光向下反射到次級反射鏡一一復(fù)合拋物聚 光器（CPC），最后由CPC將陽光聚集在其底部的接收器上。通過接收器的空氣 被加熱到1200C推動燃氣輪機發(fā)電機組，燃氣輪機排放的500C左右氣體再用于 推動另一臺發(fā)電機組，從而使系統(tǒng)的總發(fā)電效率

16、達到25%~28%。 近幾年來，中國工程院院士張耀明教授帶領(lǐng)南京春輝科技實業(yè)有限公司（南 京玻璃纖維研究設(shè)計院三所）科技人員，在太陽能熱發(fā)電研究領(lǐng)域中取得了自動 跟蹤太陽、聚光、集熱等方面的技術(shù)突破。由南京春輝科技實業(yè)有限公司、河 海大學新材料新能源研究開發(fā)院聯(lián)合建設(shè)的國內(nèi)首座“塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)” 于2005年10月底在南京市江寧太陽能試驗場順利建成，并成功投入并網(wǎng)發(fā)電。經(jīng) 過連續(xù)并網(wǎng)發(fā)電運行測試表明該發(fā)電系統(tǒng)在運行穩(wěn)定性、操控機動性、安全可 靠性等方面均達到研發(fā)建設(shè)目標。 4. 碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng) 碟式（又稱盤式）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

17、，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（String）發(fā)電裝置發(fā)電。 整個系統(tǒng)包括旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡、接收器、跟蹤裝置、熱機系統(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。有廣泛的 發(fā)展前景。 碟式太陽能聚光比可達3000以上，接收器的面積小，能量損失少，接受器接 受溫度可達800°C,因此碟式太陽能發(fā)電的效率高，目前太陽能轉(zhuǎn)化為電能的效 率達30%。一般旋轉(zhuǎn)拋物面反射鏡的直徑為5~15米，系統(tǒng)功率為5-50kW。 斯特林熱機是目前碟式太陽能熱發(fā)電技術(shù)中研究和應(yīng)用最多的一種，成本與 光伏發(fā)

18、電比較將顯著降低，并且純轉(zhuǎn)化效率比光伏發(fā)電高一倍以上。熱電聯(lián)供 轉(zhuǎn)化效率更是高達5倍，在太陽能住宅應(yīng)用領(lǐng)域前景廣闊。大功率地搜集匯聚太 陽能，用斯特林熱機帶動發(fā)電機發(fā)電，能夠大功率地利用太陽能發(fā)電，是人類 利用太陽能這種可再生能源的一種很好的方式.用硅光電池光伏組件發(fā)電成本 很高，一般只能用于小規(guī)模太陽能發(fā)電，較難進行大容量電力網(wǎng)供電，斯特林 太陽能發(fā)電相對光伏系統(tǒng)太陽能發(fā)電成本要低得多，較成熟的斯特林太陽能發(fā) 電，只有光伏系統(tǒng)發(fā)電成本的1/5—1/10。由于斯特林太陽能發(fā)電功率較大，可 以進入電力網(wǎng)供電。 相對于槽式和塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)，碟式太陽能熱發(fā)電技術(shù)起步較晚，但 發(fā)展較快。從20

19、世紀70年代末到80年代初由瑞典的USAB及美國的多家機構(gòu)發(fā)起 研究，此后德國、韓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), 并完成樣機測試。在這項研究中，光電轉(zhuǎn)換效率最高達29.4%,吸熱器的效率為 65%~90%。 1982年美國加州建造了碟式斯特林太陽能熱發(fā)電實驗裝置，其聚光器直徑為 11m,由320個小鏡面組成，鏡面總面積89m2,焦距6.6m,工作溫度達1090°C,光 電轉(zhuǎn)換效率29%,最大功率24.6kWo 2004年，美國SES公司在Sandia國家實驗室建造了5套25kW碟式斯特林系 統(tǒng)。2005年8月，SES公司建造了40套25kW^成的1MW碟式系統(tǒng)，以便

20、為 850MW電站建設(shè)積累經(jīng)驗。 由德國研發(fā)的6套9~10kW碟式斯特林系統(tǒng)在西班牙PSA進行了商業(yè)化前夕 的示范，并累計達30000時的運行紀錄。為進一步降低系統(tǒng)成本,SBP公司已實施 了由德國環(huán)境部資助的6臺新碟式斯特林系統(tǒng)發(fā)展計劃。 1994年澳大利亞建造了一套旋轉(zhuǎn)拋物反光鏡面積達400 m2的50kW碟式系統(tǒng)， 工質(zhì)為水，產(chǎn)生的蒸汽驅(qū)動汽輪機發(fā)電。 國內(nèi)上海交通大學、天津大學和南京航空航天大學等許多高等院校和中科 院、上海研究所等科研單位在碟式系統(tǒng)方面作過研究,并取得了很多寶貴經(jīng)驗。 單臺碟式太陽能發(fā)電機 多臺串并聯(lián)的碟式太陽能發(fā)電站 三種太陽能

21、熱電站的發(fā)展狀態(tài)及優(yōu)缺點 塔式 槽式 碟式 發(fā)展狀態(tài) 提供高溫過程熱，可聯(lián)網(wǎng)發(fā) 電運行。處于試驗示范階 段，最大容量10MW 提供中溫熱，可聯(lián)網(wǎng)發(fā)電運 行。商業(yè)化階段，最大容量 80MW，總?cè)萘繛?54MW 提供高溫過程熱，分散獨立運 行。處于試驗示范階段，獨立系 統(tǒng)容量小于5 0 kW 優(yōu)點 從長遠看，前景很好，效率 高?？梢酝ㄟ^蓄熱或互補降 低成本。 具有商業(yè)運行經(jīng)驗，互補方 式已得到驗證。 較高的轉(zhuǎn)化效率，可以模塊化或 復(fù)合運行。 缺點 聚光場與吸熱場優(yōu)化配合 問題還需要研究 真空管的壽命還沒有得到 大規(guī)模的驗證。定日鏡更換 成本高。 沒有商業(yè)化的與碟式聚光器配 合的Stirling機