太阳能热发电系统的发电模式及性能特点

太阳能热发电系统的发电模式及性能特点

0太阳能热发电技术鉴于岩石能源资源的局限性和使用过程中存在污染的严重性，我们将开发和利用新的清洁能源资源，尤其是太阳能，这已成为解决能源和环境协调配合和能源短缺问题，实现人类可持续发展的重要手段。自从20世纪70年代初石油危机后,世界主要发达国家如美国、西班牙、德国、瑞士、法国、意大利及日本等都将太阳能热发电技术作为国家研究开发的重点,逐步开始规模发展太阳能热发电,并从20世纪80年代以来建立了大量的试验电站,在最近20多年间,全世界建造的太阳能热发电站(500kW以上)约有20余座,有些电站已投入商业运行。太阳能发电是太阳能最高效利用的方式之一,主要形式有热发电和光伏发电。美国的研究机构表明,在将来市场中,利用热发电技术的机组要早于光伏发电的机组进入市场。文献指出,对于全年太阳辐射高于1300kW·h/m2的地区,采用太阳能热发电的经济性要高于光伏发电系统。经过近半个世纪的研究和实际运行经验的积累,目前太阳能热发电的技术已日臻成熟,电站关键设备的成本也有了较大幅度的下降。从总体上看,整个20世纪太阳能热发电技术都处于试验和示范阶段,而从21世纪开始,可再生能源发展呈现全球性繁荣局面,具有低成本潜力的太阳能热发电技术第1期高嵩,等:太阳能热发电系统分析·71·也进入了快速发展时期。但由于太阳能热发电系统的集成技术及能源利用方式较多,因而系统类型繁多。本文尝试在总结归纳已运行的太阳能热发电系统方式和系统特点的基础上,对太阳能热发电系统进行分类,并概述各类系统的集成特点与主要构成。1空气驱动发电机发电太阳能热发电是指聚集太阳光将其转化为足够温度的热能,然后转换成电能的技术。首先是利用聚光集热装置将太阳能收集起来,将集热工质加热到一定的温度,经过换热器将热能传递给动力回路中循环做功的工质,或产生高温高压的过热蒸汽,驱动汽轮机,再带动发电机发电。而从汽轮机出来的乏汽,其压力和温度已大大降低,或经冷凝器凝结成液体后,被重新泵入换热器,开始新的循环;或产生高温高压的空气,驱动汽轮机,再带动发电机发电。从热力学角度讲,太阳能热发电系统与常规的化石能源热力发电方式的热力学工作原理相同,都是通过Rankine循环、Brayton循环或Stirling循环将热能转换为电能,区别仅在于两者的热源不同,且太阳能电站一般带有储热装置。太阳能热发电系统一般由6部分组成:太阳能集热子系统、吸热与输送热量子系统、蓄热子系统、蒸汽发生系统、动力子系统和发电子系统。前2部分合称为太阳场,是太阳能热发电技术的核心。太阳能聚光装置将太阳能聚集到吸热器上,被吸热器中的传热介质吸收并输送到蓄热子系统中,将能量存储起来,当需要能量时,蓄热介质通过蒸汽发生器将热量传递给动力子系统的工质,产生的高温高压工质进入动力装置中做功。另外,由于太阳能供应不稳定、不连续,而热发电系统需要稳定运行,要尽量避免系统频繁的启停和负荷波动。为此,有2种解决方法:一是系统中配置蓄能子系统,将收集到的太阳能热能存储起来,以保证在夜间或太阳辐照不足时的发电;二是将太阳能与其他能源组成综合互补的发电系统,在太阳能供应不足的情况下由其他形式的能源供应。在第1种方式中,目前还没有成熟的低成本蓄热技术;第2种方式可以降低太阳能发电的成本,是现阶段太阳能热发电商业化的重要途径。2太阳能热发电技术太阳能热发电主要包括2大类型:太阳能间接热发电,即太阳热能通过热机带动常规发电机发电;太阳能直接热发电,太阳热能利用半导体或金属材料的温差发电、真空器件的热电子和热离子发电等。前者已有100多年的发展历史,而后者尚处于原理性试验阶段。通常所说的太阳能热发电技术主要是指太阳能间接热发电。由于太阳能热发电系统的复杂性,现有的系统形式多种多样,可以有很多分类方法,归纳起来主要有:(1)按照太阳能聚光集热方式的不同可分划为:抛物槽式、碟式、塔式、太阳能热气流和太阳能池等。(2)按照太阳能热功转换的热力循环方式不同,可以分为:Rankine循环(汽轮机)、Brayton循环(燃气轮机)、Stirling循环(斯特林机)、Otto和Diesel循环(内燃机)及联合循环等。(3)按照太阳能热利用模式或各种能源转化利用模式的不同,可以分为:单纯太阳能发电系统、太阳能与化石能源互补综合发电系统以及太阳能热化学整合的多能源互补的发电系统。本文按照世界现有运行的基本太阳能热发电方式分类,可分为塔式系统、槽式线聚焦系统和碟式系统3大基本类型。2.1塔式太阳能发电塔式太阳热发电系统也称为集中式太阳能热发电系统。它利用定日镜将太阳光聚焦在中心吸热塔的吸热器上,在那里将聚焦的辐射能转变成热能,然后将热能传递给热力循环的工质,再驱动热机做功发电。塔式太阳热发电系统通常可达到的聚光比为300～1500,运行温度可达1000～1500℃。从20世纪70年代中期开始,我国的一些高等院校和科研院所对太阳能热发电技术做了不少应用性基础试验研究,并在天津建造了一套功率为1kW的塔式太阳能热发电模拟装置。西班牙的塔式太阳能发电站(PS10)是世界上第1个进入商业化运行的塔式太阳能发电站。图1为SolarOne太阳能热发电系统示意图,该电站位于美国加州的Brastow地区,运行于1982—1988年之间,是当时世界上最大的验证第1代塔式发电技术的太阳能电站。它由跟踪太阳光的定日镜(收集器)、吸热器、工质加热器、热量储存系统以及热机单元组体等组成。由平面镜、跟踪机构、支架等组成的定日镜阵列,可由微处理机控制实现最佳聚焦,始终对准太阳捕获并聚集太阳辐射能到高塔顶端的吸热器上,再通过吸热器把热力循环的工质加热至较高温度;储存系统把部分热能储藏起来备用,以最大限度地平衡系统能量供需;而热机单元实现热转功的功能,把太阳能转换为电能输出。吸热器中通入205℃的给水,直接产生516℃/10.1MPa的过热蒸汽,进入非再热的汽轮机膨胀做功,过热蒸汽也可送入油-沙石蓄热系统进行能量的存储,满足动力系统的启停和机组在夜晚时的用汽需求。如果要求在阴雨天和夜间也能正常发电,可以增加合适的常规燃料作为辅助能源的辅助能源子系统,以形成太阳能和化石燃料综合互补的多能源发电系统。此外,不难看出,塔式太阳能热发电系统和槽式的系统相比,除聚光集热器有所不同外,两者在系统构成和工作原理等方面都基本相似。2.2系统工作原理槽式太阳能热发电系统是利用槽式抛物面反射镜聚光的太阳能热发电系统的简称。该聚光镜面从几何上看是将抛物线平移而形成的槽式抛物面,它将太阳光聚在一条线上,在这条焦线上安装有管状集热器,以吸收聚焦后的太阳辐射能,并常常将众多的槽式抛物面串并联成聚光集热器阵列。槽式抛物面对太阳辐射多进行一维跟踪(设备轴线南北放置,然后东西旋转跟踪),其几何聚光比在10～100之间,温度可达400℃左右。系统一般由聚光集热装置、蓄热装置、热机发电装置或和辅助能源装置(如锅炉)等组成。图2为一个槽式太阳能热发电系统示意图,利用导热油作为集热介质,293℃的低温导热油从储油罐中泵入槽式太阳能集热场,被加热到390℃,然后依次通过再热器、过热器、蒸发器、预热器等,将收集到的太阳能交换给动力回路中的蒸汽,产生10.4MPa/370℃的过热蒸汽进入汽轮机中做功。该系统中集热油回路和动力蒸汽回路分离开来,经过一系列换热器来交换热量。当太阳能供应不足时,利用一个辅助加热器将油回路中的导热油加热,从而实现系统的稳定连续运行。文献提出,在未来的集热装置设计中采用DirectSolarGeneration(直接蒸汽发生系统),以提高效率减小热量损失,但DSG方式尚未成熟,还有待深入研究。LUZ公司在1985—1991的6年间,在美国加州相继建立了9座槽式太阳能热发电站,总装机容量353.8MW,并已投入并网营运。电站的初次投资由#1电站的4490美元/kW,降到#8电站的2650美元/kW,发电成本从24美分/(kW·h)降到8美分/(kW·h),在不久的将来经济上有可与常规热力发电相竞争的潜力。2.3驱动热机系统碟式太阳能热发电系统借助于双轴跟踪,利用旋转抛物面反射镜,将入射的太阳辐射进行点聚集,聚光点的温度一般为500～1000℃,吸热器吸收这部分辐射能并将其转换成热能,加热工质以驱动热机(如燃气轮机、斯特林发动机或其他类型透平等),从而将热能转换成电能。图3为一个典型的碟式太阳能热发电系统示意图,它利用双轴跟踪的碟式聚光器将太阳能聚集到吸热器上,将来自回热器的高压空气加热到850℃,然后进入燃气轮机做功,该回热循环燃气轮机的压比约为2.5,当太阳能供应不足时,利用燃料进入燃烧室补燃,该系统的太阳能净发电效率高达30%。目前,这类系统单元容量多为30～50kW,相对较小,而太阳能发电最高效率可达29%,在同类发电方式中为最高。它主要应用于分布式能源系统,组成分散的动力系统,也可以将多个系统组合,向电网供电。2.43太阳能发电进入商业化阶段上述3种太阳能热发电系统的主要性能参数、优缺点、发展现状以及技术经济指标见表1。从经济上看,槽式和塔式太阳能发电已经进入商业化阶段,相对于碟式商业风险小。在美国加州日照条件下,若以天然气或油作辅助能源,槽式太阳能热发电系统的电力输出可达到单纯太阳能热发电的2倍,即太阳能发电和辅助能源发电各占50%,这相当于电站对太阳能依存率为50%。太阳能热发电站的设计寿命一般为30年,在寿命期内,每平方米集热面积可替代1桶石油。3碟式或塔式系统在上述3种类型太阳能热发电系统中,槽式和塔式系统已进入商业化阶段,碟式仍处在示范阶段,有实现商业化的可能和前景。从理论上说,塔式热电站的太阳能利用率可以达到23%,但单位容量投资过大且