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文档简介
太阳能热发电系统的研究现状
太阳能热发电是将能量收集并转化为工作流的高温热能。传统的热机和其他发电技术已经被转换为能耗技术。太阳能热发电主要有塔式、槽式、碟式、太阳能热气流和太阳能池热发电5种类型。其中,前3种类型属聚光型,后2种属非聚光型。发达国家对太阳能热发电技术的研究已进行了多年,建立了各种类型的太阳能热发电示范电站,并达到并网发电的实际应用水平。1火炬气调湿结果塔式太阳能热发电系统的工作原理是利用定日镜群将太阳光集中在1个类似高塔状的建筑物顶端的吸热器上,通过能量转换将热量传递给热传导工质,由蒸汽发生器产生蒸汽(550~700℃)带动蒸汽涡轮发电机产生电能。该发电系统主要由定日镜系统、吸热与热能传递系统、发电系统3部分组成(图1、图2)。塔式太阳能热发电的优点:聚光倍率高,聚光比一般可达到200~1000,投射到塔顶吸热器的平均热流密度可达300~1000kW/m2,工作温度高达1000℃以上,电站规模可达200MW以上;由于接收器散热面积相对较小以及运用了储能槽,使其有较高的光电转换效率。塔式太阳能热发电的参数可与高温、高压火电站一致,这样不仅使太阳能电站有较高的热效率,而且也容易获得配套设备。但是,塔式太阳能热发电建设费用昂贵,尤其是定日镜场,每块镜面所需要的跟踪定位机构价格昂贵,定日镜的投资大于整个投资的1/2。典型塔式太阳能热电站见表1。美国研发了一种新型的张膜式定日镜,其反射镜由镀银聚合物薄膜覆盖于薄金属箔上制成,张紧到金属构架上,对太阳的平均反射率为0.92。这种薄膜定日镜的制造成本低于玻璃反射镜的1/3。SolarOne和SolarTwo电站均采用管状接收器,空腔式接收器最早应用在PHOEBUS系统中。ReinBuck等则提出了一种新型的双重接收器,改进后可使接收器达到更高的热效率、更低的温度和更少的热损失,年电能产量可提高72%。2010年,我国在北京延庆兴建亚洲首座塔式太阳能热发电站,聚光镜面积为10000m2,太阳能接收塔高100m,装机容量为1.5MW。2电电式热发电系统槽式太阳能热发电已实现商业化运行,其工作原理是利用大面积单轴槽式太阳能追踪采光板把太阳光聚焦到安装在抛物线形反光镜焦点上的线形接收器中,加热流过接收器的热传导工质,使热传导工质汽化,并将在热转换设备中产生高压、过热的蒸汽送入蒸汽涡轮发电机进行发电(图3、图4)。槽式热发电系统结构简单,集热器等设备均分布在地面上,安装维修方便;聚光器、集热器可以同步跟踪,跟踪代价大为降低;系统容量无限制。但是,其聚光较低,吸热器散热面积较大,故集热器所能达到的介质工作温度≤400℃;管道系统复杂,热量及阻力损失较大,降低了系统的净输出功率和效率;难以实现双轴跟踪,致使余弦效应对光的损失每年平均达到30%;线型吸热器表面无法进行绝热处理,辐射损失随温度的升高而增加。具有代表性的槽式太阳能热电站见表2。德国Schott公司对槽式太阳能热发电系统的高温真空管进行了改进,在局部增加了太阳辐射反射圈,并使真空管有效利用长度大于96%,且调整了相关玻璃材料配方。2007年,我国在南京建造了100kW槽式太阳能热发电试验装置。目前,内蒙古鄂尔多斯、新疆吐鲁番、四川、宁夏等地均拟建槽式太阳能发电站。3太阳能热发电技术碟式太阳能热发电的基本原理是利用旋转抛物面反射镜将入射阳光聚集在太阳能接收器上以收集较高温度的热能加热工质(图5),驱动发电机组发电,或在焦点处直接放置太阳能斯特林发电装置发电。碟式太阳能热发电的优点是聚光比>3000,因此接收器的吸热面积较小,使接收器的温度>800℃,系统效率最高可达29.4%。但是,其高温接收器较为复杂,管道及其保温材料的费用较高。碟式太阳能热发电技术比槽式和塔式太阳能热发电技术较晚,但发展较快。1982年,美国加州建造了碟式斯特林太阳能热发电试验装置,工作温度达1090℃,光电转换效率29%,最大功率为24.6W。1994年,澳大利亚建造了1套50kW碟式发电系统,旋转抛物反光镜面积达400m2,工质为水。2002年,美国能源部在内华达实施了1MW的碟式系统。2004年,在Sandia国家实验室美国SES公司建造了5套25kW碟式斯特林系统;2005年8月,该公司建造了由40套25kW组成的1MW碟式系统。在碟式太阳能热发电系统中,聚光器、接收器和热机是最重要的组成部分,碟式聚光器主要有玻璃小镜面式、多镜面张膜式、单镜面张膜式等。接收器包括直接照射式和间接受热式。针对在接收器内易产生“热点”的问题,AndrakaC.E.等先后对多种结构形式的热管接收器进行了测试与分析。德国航空航天中心(DLR)设计了1种新型热管接收器,设计容量为40kW,理论最高热流密度为54×104W/m2。南京工业大学提出了1种组合式热管接收器,该接收器采用普通柱状高温热管作传热单元,降低了接收器成本和加工难度,提高了可靠性。另外,还有1种由热管接收器改造而成的以气体燃料作为能量补充的混合式热管接收器,但由于加入了燃料系统,使其结构复杂、成本提高。碟式太阳能热发电系统普遍采用斯特林发动机,其最高热电转换效率可达40%。4太阳能数量生产太阳能热气流发电(太阳能烟囱发电)是利用太阳能将集热器内的空气加热,热空气在烟囱内上升推动风机做功发电(图6)。太阳能热气流发电技术简单,且吸热器下面的土地具有良好的蓄热性能,无需额外的蓄热系统,但其发电效率≤1%,占地面积大,大容量电站需要过高的烟囱,如1个30MW电站需建造750m高的烟囱。太阳能热气流发电技术最初由德国斯图加特大学的J.Schlaich于1978年提出。1981年在西班牙的Manzanares开始建造了世界上第1座太阳能烟囱实验电站。其烟囱高度为195m,直径为10.3m,集热棚直径约242m。电站白天的输出功率为100kW,夜间的输出功率为40kW。该电站运行7年(1982~1989),可靠率超过95%。1983年,美国科学家Krisst建造了1座烟囱高度为10m,集热器直径为6m,输出功率为10W的庭院式太阳能热风发电装置。1985年,土耳其科学家Kulunk建造了1座微型电站,其烟囱高2m,直径为7cm,集热棚面积为9m2,发电功率为0.14W,烟囱中的涡轮机转子功率为0.45W,发电机效率为31%。1997年,Sherif和Pasumarthi等在美国Florida大学建立了3个不同型式的太阳能热气流发电系统模型。2003年,由澳大利亚和美国EnviroMission公司合作建造的1座烟囱设计高1000m,直径为130m,集热棚直径为7000m的太阳能烟囱发电站,总发电能力为200MW,预计年发电量500GW·h。2003年,我国华中科技大学的杨家宽首次建造了1座小型太阳能烟囱发电实验装置:集热棚直径为10m,烟囱高8m,设计输出功率为10W。5衬垫及保温层太阳能池热发电以太阳能池底的高温盐水为热源,通过热交换器加热工质驱动热机做功发电。太阳能池是一个由3层不同浓度的盐水构成的盐水池,为防止池水泄漏,池的底部一般铺有衬垫及保温层(图7、图8)。太阳能池热发电系统结构简单,但太阳能池只能水平设置,且占地面积大,以及管路系统腐蚀和池内藻类处理等许多技术问题需要解决。太阳能池热发电技术的开发研究源于以色列。20世纪70年代,以色列在死海沿岸先后建造了3座太阳能池热发电站,以提供该国1/3的用电量。美国也曾计划在加州南部萨尔顿海建太阳能池,用以建造800~6000MW的太阳能池热发电站。6中央反射镜系统向下反射式太阳能热发电系统是由塔式系统改进的1种新型太阳能热发电系统,该系统采用了1种带复合抛物面聚光镜(CPC)的熔盐接收器,置于地面,在塔顶设置中央反射镜(图9)。20世纪90年代后期,以色列魏兹曼科学研究院首先提出了这种系统,利
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