2第二章 太陽能發(fā)電技術

1、第二章太陽能發(fā)電技術目前，較為成熟的太陽能發(fā)電技術是光伏發(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。聚光類太陽能熱發(fā)電有塔式太陽能熱發(fā)

2、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)電是通過聚光產生高溫，再通過各種發(fā)電裝置將熱能轉換 為電能，效率較高，具有應用前景。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。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，使溫度、壓力提高。（5）動力子系統(tǒng)：蒸汽膨脹做功。（6）發(fā)電子系統(tǒng)：將機械能轉化為電能。除熱源外，太陽能熱發(fā)電與常規(guī)化石能

3、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)將熱能轉換為電能。1 - 2過熱水蒸氣在汽輪機內等炳膨脹，變成 濕蒸汽，同時對外輸出軸功，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Constant pressure heat addition .Brayton CycleOpen-cycle gas-turbineBrayton Cycleclosed-cycle gas turbine恒壓加熱

4、Constant pressure heat additionConstant pressure heat rejectionBrayton （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)動機內部的體積。演示槽式太陽能熱發(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過串并聯的排列，產生 高溫，加熱工質，產生蒸汽，驅動汽輪機發(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、

5、壽命長、成本低等特點，非常適合商業(yè)并網發(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成。作用是收集太陽能量，加熱工質。換熱子系統(tǒng)。由預熱器、蒸汽發(fā)生器、過熱器和再熱器組成。當系統(tǒng) 工質為油時，采用雙回路，即接收器中工質油被加熱后，進入換熱子系統(tǒng)中產生 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

6、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 W 彳熱交換裝置Ag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19851991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SEGS電站為例，其主要技術特征為槽式 拋物面反射鏡東西向放置，

7、采用單軸跟蹤技術。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，玻璃管上涂覆雙層減反射膜，陽光透過率為0.965,玻璃管內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；集熱器工作介質為導熱油，工作溫度為391C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個圓形托盤托附在支架上,支架上裝 有太陽輻射傳感器，經液壓傳動機構

8、驅動支架跟蹤太陽,如遇惡劣天氣，支架自 動翻轉，鏡面開口向下，從而使鏡面和接收器得到保護。SEGS電站的循環(huán)效 率為38.5%,峰值太陽能熱電轉換效率為24%,年平均太陽能熱電轉換效率為14%。LS-3型集熱器的工質是導熱油，整個系統(tǒng)采用雙回路設計，導熱油在換熱子系統(tǒng)中，產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，使電站的循環(huán)效率達40%,峰值太陽能熱電轉換效率為28%,年平 均太陽能熱電轉換效率為17%。槽式太陽能熱發(fā)電另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

9、保護這里的自然環(huán)境不被現代化工業(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)研究院聯合組成攻關隊伍，在太陽能熱發(fā)電領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權的槽式太陽能熱發(fā)電試驗裝置, 預計2007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

10、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，用以產生高溫。加熱工質產生過熱蒸汽或 高溫氣體，驅動發(fā)電機組發(fā)電，從而將太陽能轉換為電能。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；定日鏡微弧度的鏡面保證太陽光聚 焦到塔頂的接收器；定日鏡群的成本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

11、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)電設備類似,但需要設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。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。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)過大會引起初始投資的增加。原理圖美國太陽2號10MW1980年，由意大利等9個歐洲國家在西西里島聯合建造了世界首座并網運行

12、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 動實現了雙軸跟蹤，鏡面把陽光聚集成光束反射到塔頂鍋爐，鍋爐內產生高達 500C的水蒸氣驅動汽輪機發(fā)電機組發(fā)電。由于具有良好的儲能設施，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，接收器內產生516

13、C水蒸汽驅動汽輪發(fā)電機發(fā)電。1996年，在Solar?？谠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，接收器內的硝酸鹽被加熱到565C用來直 接生產蒸汽或儲存在絕熱的儲槽內,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。該裝置的設計商業(yè) 運行壽命為2530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合拋物聚 光器（CP

14、C），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)電效率達到25%28%。近幾年來，中國工程院院士張耀明教授帶領南京春輝科技實業(yè)有限公司（南京玻璃纖維研究設計院三所）科技人員，在太陽能熱發(fā)電研究領域中取得了自動 跟蹤太陽、聚光、集熱等方面的技術突破。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)院聯合建設的國內首座“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，并成功投入并網發(fā)電。經 過連續(xù)并網發(fā)電運行測試表明該發(fā)電系統(tǒng)在

15、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)建設目標。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)是利用旋轉拋物面反射鏡，將入射陽光 聚集在焦點上，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，驅動發(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800C,因此碟式太陽能發(fā)電的效率高，目前太陽能轉化為電能的效 率達3

16、0%。一般旋轉拋物面反射鏡的直徑為515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)電技術中研究和應用最多的一種，成本與 光伏發(fā)電比較將顯著降低，并且純轉化效率比光伏發(fā)電高一倍以上。熱電聯供 轉化效率更是高達5倍，在太陽能住宅應用領域前景廣闊。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1/51/10。

17、由于斯特林太陽能發(fā)電功率較大，可 以進入電力網供電。相對于槽式和塔式太陽能熱發(fā)電技術，碟式太陽能熱發(fā)電技術起步較晚，但 發(fā)展較快。從20世紀70年代末到80年代初由瑞典的USAB及美國的多家機構發(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1090C,光 電轉換效率29%,最大功率24.6kWo2004年，美國SES公司在San

18、dia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)，以便為 850MW電站建設積累經驗。由德國研發(fā)的6套910kW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拋物反光鏡面積達400 m2的50kW碟式系統(tǒng)， 工質為水，產生的蒸汽驅動汽輪機發(fā)電。國內上海交通大學、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驗。單臺碟式太陽能發(fā)電機多臺串并聯的碟式太陽能發(fā)