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1、太阳能光热应用技术第六章太阳能热动力与热发电,6.1 太阳能热动力系统,目前，太阳能热动力（CSP Concentrating Solar Power）发电是太阳能应用领域的一个不可忽视的方向，全球运行和建设的太阳能热动力电站已分别超过了 800MW 和 900MW 的装机规模，规划中的工程高达 12.5GW 以上；而国内在建的仅仅 52MW 左右，未来规划有 4000MW，增长空间巨大。据估计，2030 年，新能源电力将从目前的 5%提高到 18%，到 2050 年，太阳能发电将占有 20%25%的供电份额，未来太阳能热动力发电将与太阳能光伏（PV）发电平分秋色，分别提供 11%左右的电力份
2、额。1GW=1000兆瓦=100万千瓦,6.1.1 太阳能热动力系统原理太阳能热动力的原理是利用平板型或聚集型集热器将太阳能转变为热能，然后用这种热能来驱动热机，从而实现太阳能到机械能的转变。太阳能热动力系统，一般包括上述的太阳能集热器和热机两个部分。前者主要是将太阳辐射转变为热能并作为热机的热源，而后者则从前者获得热量并将其中一部分转变为功，另一部分由冷凝器排除给环境。,6.1.2 太阳能热力发电系统构成,太阳能热动力发电系统一般由聚光器、集热器、输热系统、储热、热机和发电系统组成。太阳辐射能投射在组成阵列的集热器上而被集热器中的介质吸收，受热的介质通过输热回路，把热量传送到储热-热交换装置
3、中，再由热交换器将能量提供给热力机，并将其中一部分转变为功。,1太阳能聚光器由于太阳辐射能量的密度很小，为了能够达到发电所需的温度，必须用聚光器把近似平行入射的大面积的太阳光汇聚到一个很小的面积上，从而使该面积上的能流密度增大，温度达到可以用于发电的程度。反射面面积和吸收面面积之比就是几何聚光比。实际应用中，我们更关心聚光器的能量聚光比，即吸收体的平均能流密度和入射能流密度之比，其数值上等于几何聚光比和光学效率的乘积。,2太阳能集热器太阳能集热器，是吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热介质的装置。它的主要用途是用来收集热量，然后再与其他装置进行热交换。在太阳能的热利用中，关键是将太阳的辐射能转
4、换为热能。由于太阳能比较分散，必须设法把它集中起来，所以，集热器是各种利用太阳能装置的关键部分。太阳能集热器的种类很多，分类方法也不尽相同。,（1）按传热介质分类：可分为液体集热器和空气集热器两大类，其中以液体为传热介质的大多用水作介质，即构成各种太阳能热水器；以空气为传热介质的，则构成多种太阳能干燥器。太阳能集热器的核心是吸热板，它的功能是吸收太阳的辐射能，并向传热介质传递热量。在以液体为介质时，此种吸热板有管板式、翼管式、扁盒式、蛇管式等，可用金属材料和非金属材料制成。吸热板的向阳表面涂有黑色吸热涂层。以空气为传热介质的太阳能集热器吸热板的结构常有网格式、蜂窝式和多孔床式等。,（2）按采光
5、方式分类：可分为聚光型集热器和非聚光型集热器两大类。非聚光型集热器是利用热箱原理（也称温室效应）将太阳能转变为热能的设备。最常见的太阳能集热器是非聚光型平板型集热器。它的吸热体基本上为平板形状，吸热面积与采光面积近似相等。聚光型集热器利用聚焦原理，即利用光线的反射和折射原理，采用反射器或折射器使阳光改变方向，把太阳光聚集并集中照射在吸热体较小的面积上，增大单位面积的辐射强度，从而使集热器获得更高的温度。,（3）按吸热体周围的状态分类：可分为普通集热器和真空管集热器。真空管集热器是将玻璃壁与吸热体之间抽成一定的真空度，以抑制空气的对流和传导热损。吸热体表面镀上一种特殊的涂层代替黑色的吸热板，还可
6、抑制吸热体的辐射热损。因此，真空管集热器具有比普通平板型集热器更优良的热性能。在高温和低温环境下均有较高的集热效率。真空管集热器按其材料结构可分为全玻璃型和金属吸热体型两大类。其中全玻璃真空太阳能集热器具有透过率和吸收率高、热反射率低、对流热损小以及全年使用时间长等优良特性，同时制造工艺简便、技术成熟可靠、成本较低。全玻璃真空管热水器的使用日益广泛。图 6-1 所示为全玻璃真空管太阳能集热器的结构示意图。,3热传输系统将热能从吸收体中传送到储热装置，一般由载热流体通过输热管道来完成。（1）载流热体：可供选择的载流热体有水、气体、有机液体、液态金属等。,各种载流热体各具特点：水具有价格便宜、来源
7、充分、使用安全、操作容易以及良好的热力学特性，但是它的蒸汽压力较高，必须增温，而且高温下水还具有腐蚀性；气体（如氢气、氦气、二氧化碳等）安全、易于操作，可在高温下进行工作，缺点是容积比热低；有机液体的蒸汽压一般说来比水低，而且侵蚀作用极为微弱，具有较好的物理、化学特性，但是它们在高温下容易发生分解，而且价格也比较昂贵；液态金属也具有较低的蒸汽压，热传导率和比热都较高，缺点是它们具有化学反应性和腐蚀性，因而要求价格高昂的结构材料以及专门的操作技术，液态金属（如钠）的价格也是比较昂贵的。,（2）管道材料：输热的管道，必须具有能承受管内流体的压力和温度的能力，同时具有适当的抗老化和机械疲劳的能力。（
8、3）绝缘材料：主要有两种做法，一种是在输热管道外面加上绝热材料，另一种是利用热管输热。,4储热装置通常，储热装置使用真空绝热或以绝热材料包覆的储热容器来完成。按照太阳能集热器得到热能的温度范围，一般把太阳能热动力系统的储热分为以下几种类型。（1）低温储热：对于以平板集热器作为热源和以低沸点工质作动力工质的小型太阳能动力系统，常采用低温储热，如用水储热。也有人提出用潜热储热器，如水化盐等。（2）中温储热：一般指 300左右的储热，这时可采用高压热水或有机流体如导热姆等。（3）高温储热：一般指 500左右或 500以上的高温储热装置，高温储热材料有钠及熔化盐（如氯化物、氟化物等）。,5热机系统太阳
9、能热机的工作原理和一般的热机一样，通过工质从高温热源吸热，向低温热源放热而同时对外做功。下面以采用朗肯循环的蒸汽机和采用斯特林循环的热气机为模型，简单介绍一下太阳能热机。,（1）蒸汽机小型太阳能蒸汽机由于效率低、价格贵，使用较少，但有时使用低沸点介质的汽轮机如氟利昂汽轮机。它的工作流程是从集热器-储热交换器系统将热量传给氟利昂，使加压后的氟利昂液态蒸发成为氟利昂蒸汽，再进入汽轮机膨胀做功。降压后的氟利昂蒸汽从汽轮机排出后经冷凝液化，再由泵对其加压，然后开始新的循环。,（2）热气机按照斯特林循环工作的热气机是一种外部供热的闭式循环往复式发动机。斯特林热机在运转过程中，工作气体被持续加热及冷却，其
10、体积也不停地膨胀及压缩。其理想循环由定温压缩、定容加热、定温膨胀和定容放热四个过程组成。,过程：左活塞（动力活塞）不动，右活塞（位移活塞）向左进行，使工质空气被定温 TL压缩到最小容积，同时放出热 QL；过程：两活塞以相同速度同时向左行进以保持空气在定容下从再生器中吸收热量 Qr，使空气温度由 TL提高到 TH；过程：右活塞不动，左活塞在继续加热 QH时定温膨胀做功；过程：两活塞以相同速度同时向右行进以保持空气在定容下向再生器放出热量Qr，使空气温度由 TH降低到 TL。,6.1.3 太阳能热动力水泵1太阳能热动力水泵的系统组成太阳能热动力水泵系统也属于太阳热动力系统，其系统组成与工作原理如下
11、。总体而言，整个系统主要由三部分组成。载热流体回路：在低温系统下，载热流体大多数情况为水。其在集热器中被太阳辐射加热，然后进入蒸发器中，液体工质在蒸发器中通过热交换后被汽化，流体本身在回路中变冷，再次回到集热器中重新加热，新的循环就此开始。,工质回路：在这个回路中，包括了蒸发机、膨胀机、增压泵在内的三大主要部件。对于液态工质来说，在蒸发机里边被汽化以后，具有高温、高压，此时进入膨胀机中会做功失去热量，这个过程结束后又回到冷凝器中，再次变为液体，增压泵此时开始工作，将液体重新加热蒸发，开始新的循环。,泵水回路：此回路中，液压泵由集热器驱动水泵抽水。一般来说，太阳能热动力水泵采用低温热力循环系统，
12、工质通常采用制冷剂氟利昂。若采用集热器的效率能达到 50%以上，热力循环系统的最大效率可达 10%。根据公式计算，总效率此时可以达到 2%3%。,2太阳能热动力水泵的分类太阳能热动力水泵有很多种类，按照工作温度可分为低温型、中温型、高温型，若按照热循环方式可分为郎肯循环和斯特林循环等。目前应用最为广泛的热动力水泵为郎肯式热动力水泵，但郎肯式热动力水泵的效率较低，一般来讲，只有 2%3%。而斯特林热动力水泵的工作效率却要高得多，达到了 10%以上，同时，斯特林热动力水泵还有寿命长、噪音低、可靠性高的特点。,因此，斯特林热动力水泵已经逐步受到了各个国家的关注。到目前为止，已经有大量的太阳能热动力水
13、泵在世界各地投入了生产，其中墨西哥与塞内加尔两国的太阳能热动力水泵的数量是相对较多的。同时，在发展中国家，太阳能热动力水泵的发展趋势也比较明显。,（补充）理想的朗肯循环,1-2 绝热膨胀过程2-c 定温（定压）放热过程c-5 绝热压缩过程5-1 定温（定压）吸热过程,实际核动力装置并不用卡诺循环，尽管1-2可以在汽轮机中近似实现，2-c过程可以在冷凝器中近似实现，5-1可以在蒸发器中近似实现，但状态c处于饱和水和饱和汽相混合的湿蒸汽区，使用泵实现绝热压缩过程c-5极为困难。,（补充）理想的朗肯循环,1-2 绝热膨胀过程2-3 定温（定压）放热过程3-4 绝热压缩过程4-5 吸热过程5-1 定温
14、（定压）吸热过程,朗肯循环与卡诺循环的区别：乏汽的凝结是完全的，这使循环过程中多了给不饱和水加热的4-5的过程，减小了循环的平均温差，使热效率降低，但压缩水较压缩汽水混合物方便得多，因而有利于简化设备。,（补充）理想朗肯循环,除了水力发电外，差不多所有的电能都是采用朗肯循环的热电站，图 6-2 为这种电站主要的结构示意图。其中，工质（一般情况下为水）在蒸发器中被蒸发为水蒸气并且过热，从而进入蒸汽机，通过喷管加速后驱动叶轮旋转带动发动机发电。离开蒸汽机的工质仍为水蒸气，但压力与温度都已经大大降低，成为饱和的蒸汽后进入冷凝器，从而向冷却介质释放潜热，凝结成液体。此时，凝结成为液体的工质会被重新通过
15、泵送回蒸发器。以上便是整个系统的工作循环。,在热源不断加热蒸发器的情况下，系统就会不断地发电。此时，热源如果采用太阳能，此系统就成了太阳能热动力系统。但是，由于太阳能只能在白昼的情况下得以利用，因此，为了保证其在夜间也可以继续工作，一个蓄热器就显得非常必要，具有存储功能的蓄热器因而出现在新的系统当中。,从理论上讲，热动力装置最有效的循环是卡诺循环，然而，实际的所有热力系统都不能按这种循环工作。这是因为实际热机中的热和摩擦损失降低了卡诺热机的实际效率，比朗肯循环所能达到的效率还要低。如果想要得到确定太阳能热动力的某些变量的感性认识，对理想下的太阳能热驱动的卡诺系统进行深入的研究是非常有意义的。,
16、如果摩擦损失可以忽略，对于独立的动力装置的效率来讲，动力循环效率可表示为：,式中，WS为循环轴的功率，Qim为循环的热输入，Q0为循环排出的热量。,在理想的卡诺循环中，吸热和排热的过程发生在等温的过程 T1、T2，同时，工质的压缩和膨胀发生在等熵的过程。由于等温吸热为 T1S，等温排热为 T2S（S 为熵的变化），所以，卡诺热机效率为,式中，T1为热源温度，T2为冷源温度。,由式（6-8）可以看出，提高B的有效办法就是尽量提高热源温度 T1并降低冷凝器的温度 T2。与此同时，对于太阳能热动力系统来说，冷凝器的温度主要由环境决定。一般来讲，水和空气为常用介质。因此，在河边或者水源充足的地方，使用
17、便携式的动力装置较为常见。,对于太阳能热动力装置来讲，选址时需要考虑到环境因素，诸如土地广阔、日照高的地方（如沙漠或高原）。但是，这些地方又面临着水源稀少的问题，因此，空气代替水源变得必要起来了。而对于空气冷凝器来说，其对流传热系数是远小于水的，这就要求工质与冷凝器有着较大温差和较大的换热面积。,提高热源的温度对提高这个系统的效率是功不可没的，但并不意味着，温度越高越好，高温对结构材料及工艺都会提出更加苛刻要求，这样会提升热源的成本。,每一种太阳能热动力装置的特性都受另外一个重要因素太阳收集器的效率的限制。太阳收集器的效率是随着温度的增加而减小的，因此，对于利用太阳能的热动力循环系统，其总效率
18、（）为集热器效率和循环效率的乘积，即式中，C为集热器效率，e为循环效率。,由于 C随温度的增加而减小，e随温度的增加而增加，因此，对于太阳能热动力装置来说，一定存在一个最佳温度，使得热动力循环系统总效率最大。同时，对于太阳能热动力装置系统来说，集热器确定后，循环效率才是重要的影响因素，其中，聚光比对循环效率的影响最大。因此，下面将对聚光比进行进一步的说明。,对于低聚光比，接受面积为 Ar、开口面积为 Aa的收集器的热损失可以表示成为线性的，其集热效率可以表示为式中， 为透过率，a 为吸收率，qar为入射到 Ar上的太阳辐射，Ur为热损系数，Tr为收集器温度，Is为入射到集热器上的太阳辐射强度。
19、,对于式（6-10）来讲，工质在收集器中经历了等温下的相变，并且过热时候也增加了温度，因此式子中的工质温度采用 Tr近似。,另外，空间太阳能热动力发电系统也逐渐受到了人们的关注。适合于空间太阳能热动力发电系统的动力循环有 3 种类型可供选择，即朗肯循环、闭式布雷顿循环和斯特林循环。这三种循环方案中闭式布雷顿循环的热效率比较高，而且有地面的小型燃气飞轮机和飞机燃气轮机发动机的经验可以借鉴，因此被普遍认为是最有前途的一种循环方案。,根据以上情况，在此也以闭式布雷顿循环太阳能热动力发电系统为例进行讨论。如图 6-3 所示，该系统主要包括以下部件：聚能器、吸热蓄热器、热量转换器（由同轴的涡轮、发电机和
20、压缩机组成）和辐射散热器。,在轨道日照期，太阳能辐射由热能器聚焦，通过吸热、蓄热器腔口进入吸热、蓄热器，其中一部分热量用于加热循环工质，另一部分热量则存储在吸热、蓄热器中；接着，高温循环工质在涡轮内膨胀做功，把热能转换为机械能，与此同时，带动发电机转动，从而将机械能转变为电能；低压循环工质再次通过吸热、蓄热器把剩余的热量的一部分释放给来自压气机的高压工质，再通过辐射热器进一步把余热排送到空间；冷却后的工质进入压气机缩后经过预热，进入吸热、蓄热器完成一个实际的循环。在轨道阴影期间，则由吸热、蓄热器中存储的热量来加热循环工质。,6.1.4 太阳能热动力系统的发电过程分析,碟式太阳能热动力发电系统，
21、是一种非常重要的太阳能热动力发电系统，其基本原理是将入射的太阳辐射汇聚起来，并转化为热能，在焦点处产生较高的温度，然后用于发电。由于聚焦方式不同，碟式太阳能热发电的聚焦比可以达到最大，从而运行温度达到 7501382，在三种太阳能热发电方式中也是最高的，因此可以达到最高的热机效率。,本节以碟式太阳能热发电系统为例，对太阳能热发电过程进行分析。碟式太阳能热发电的原理如图 6-4 所示，图中箭头表示能量走向。系统的核心部分包括聚光器、跟踪控制系统、集热器、热电转换装置、电力变换装置和交流稳压装置。,聚光器：主要构成部件就是反射镜，如把铝或银镀在玻璃上。由于太阳辐射能量的密度很小，为了能够达到发电所
22、需的温度，必须用聚光器把近似平行入射的大面积的太阳光汇聚到一个很小的面积上，从而使该面积上的能流密度增大，温度达到可以用于发电的程度。反射面的面积和吸收面的面积之比就是几何聚光比。实际应用中，我们更关心聚光器的能量聚光比，即吸收体的平均能流密度和入射能流密度之比，数值上等于几何聚光比和光学效率的乘积。,吸热器：接收器的主要构成部件是吸热器，其形状可为点状、线状、平面状，也有空腔结构。在吸热体表面覆盖选择性吸收涂层，可采用磁控溅射、等离子体喷涂等方法制备。它们对太阳辐射的吸收比很高，而在吸热体表面温度下的反射率则很低。对同样的聚光比，吸收比与反射率的比值越大，接收器所能达到的温度就越高。另外，还
23、可在包围吸热体的玻璃表面镀上一定厚度的选择性透过涂层。这种涂层能使太阳光谱范围的波长几乎全部透过，而对红外区域的波长则几乎完全反射。这样，吸热体在吸收了太阳辐射并变成热能后再进行红外辐射时，此涂层即可将热损失控制在最低限度。,跟踪控制系统：为使聚光器和接收器发挥最大的效果，反射镜应配置太阳跟踪机构，跟踪控制系统的作用是使聚光器的轴线始终对准太阳。跟踪太阳的方法，可以是反射镜绕一根轴转动的单轴跟踪，也可以是反射镜绕两根轴转动的双轴跟踪。跟踪控制系统的实现也可以有多种方式，电控方式可以分为模控和数控两种，即通过太阳传感器作为反馈进行的模拟控制和由计算机控制电机并通过太阳传感器形成反馈的数字控制。,
24、集热器：集热器将聚光器汇聚的光能转化为热能。为了使吸热面的热流密度不至于太大，焦点不能直接落在吸热面上，吸热面通常放置在焦点后方，焦点落在吸热腔体的开口上，开口应尽可能的小，以减小辐射和对流热损失。斯特林机的集热器有直接吸热和间接吸热两种形式。由于斯特林机的工质气体氢或者氦在高压下有较强的传热能力，直接吸热式可以吸收很大的热流密度（大约 75W/cm2），但是平衡汽缸内的温度和传热量是直接吸热式需要解决的一个问题。使用液态金属或者热管作为换热介质的间接吸热方式可以解决上述问题。热管换热器的温差很低，从而可以使斯特林机工作在一个较高的温度，从而得到较高的效率。,热电转换装置：碟式太阳能热动力发电
25、装置的热电转换主要是采用自由活塞斯特林机作为原动机。自由活塞斯特林机是一种活塞式外燃机，在气缸内有一个配气活塞和一个动力活塞。气缸侧壁连接配气活塞上下室的旁路，循环工质通过旁路交替运动到配气活塞的上室和下室。上室和热源交换器耦合，将吸热器的热量传递给工质，工质受热膨胀推动动力活塞运动做功，输出功率。下室通过中间介质回路把余热传递给回热器，工质通过旁路往复流动完成循环。热机提供的机械能带动发电机运转，可以进一步将机械能转化为电能。,电力变换装置：由于太阳能辐射随天气变化很大，所以热电转换装置发出的电力不是十分稳定。特别是小功率的便携式太阳能发电装置发出的电流小、电压低，不能直接提供给用户，需要经
26、过整流、DC-DC 升压、储能、DC-AC 逆变等环节的处理，才能输出 220V的工频电。碟式太阳能热动力发电系统发出的电经过电力变换装置变成 220V 的工频电可以直接提供给普通用户或并入电网，但并不能满足高精密负载的要求，需要在输入电压与负载之间增设一台高稳压精度的宽稳压范围的交流稳压装置。,储能装置、蓄电池和补充能源：太阳能只有白天存在，且对天气变化极为敏感。为了用户能够在任何需要的时候都能够获得电力，独立的碟式太阳能热动力发电系统必须采用储能装置、蓄电池和补充能源中的一种或几种。储能装置可以有多种形式，研究较多的有相变储热和化学储能。相变储热是依靠晶变时的大量潜热，在白天阳光充足时将太
27、阳热能储存起来，在夜间或者没有阳光的时候放出热量驱动热机工作。化学储能是利用催化剂在一定条件下的催化作用，使某些化合物在高温下分解，吸收热量，在需要的时候使分解产物在一定条件下化合放出热量驱动热机工作。,在碟式太阳能热动力发电系统中，热电转换环节是十分关键的，下面将对此环节做具体的分析。1热电转换工作原理碟式太阳能热动力发电的热电转换工作原理和普通热电站发电的工作原理相同，其基本工作原理为：工质从高温热源吸收热量，膨胀做功，向低温热源放热并收缩，再次从热源吸收热量，循环上述过程。在每次循环过程中，工质吸收的热能转化为机械能，而工质做功过程中通过活塞的往复运动又带动直线发电机进一步将机械能转化为
28、电能。,2太阳能热发电热机模型在碟式太阳能热动力发电系统中，热机可以考虑多种热力循环和工质，包括朗肯循环、布雷顿循环和斯特林循环。根据热力学定律，热机的效率不可能大于卡诺循环效率。因此可以看出，较高的热源温度，可以达到较高的热机效率。斯特林机的热电转换效率可达 40。斯特林机的高效率和外燃机特性使得它成为碟式太阳能热动力发电系统的首选热机，图 6-5 为自由活塞式斯特林发动机的剖面图。,斯特林发动机属于外燃式往复发动机，它与内燃机的区别在于对封入内部的气体从外部进行加热和冷却，从而推动活塞往复做功。斯特林发动机为闭环活塞式发动机，聚焦的阳光直接照射在发动机头部的吸热组件上，加热其内部的气体工质
29、氦气进行发电。图 6-6 所示为斯特林循环的四个基本过程。,斯特林循环的过程分析如下：12 定温压缩过程：配气活塞停留在上止点附近，动力活塞从它的下止点向上压缩工质，工质流经冷却器时将压缩产生的热量散掉，当动力活塞到达它的上止点时，压缩过程结束；23 定容回热过程：动力活塞仍停留在它的上止点附近，配气活塞下行，迫使冷腔内的工质经回热器流入配气活塞上方的热腔，低温工质流经回热器时吸收热量，使温度升高；34 定温膨胀过程：配气活塞继续下行，工质经加热器加热，在热腔中膨胀，推动动力活塞向下并对外做功；41 定容储热过程：动力活塞保持在下止点附近，配气活塞上行，工质从热腔经回热器返回冷腔，回热器吸收工
30、质的热量，工质温度下降至冷腔温度。,综上所述，在一个完整的斯特林循环中，气体对外所做的功为高温膨胀过程所做的功与低温压缩过程所做的功的差。斯特林发动机具有以下优点：（1）燃料多样化：由于是外燃机，可使用多种燃料，从煤炭、薪柴、余热到太阳能等均可利用；（2）高效率：由于在加热器和冷却器中间设有蓄热式换热器，从理论上讲可接近卡诺循环；（3）低污染：由于没有阀门，内部的压力变化平稳，噪声和振动小，且由于连续燃烧易实现自动控制，燃烧完全，排烟污染较小；,（4）扭矩变动特性较好：斯特林发动机属于低速扭矩，通过采用不同的活塞形式，汽缸组数可组合成数十种发动机形式，可广泛作为各种机械的动力源，大的如潜艇、汽
31、车发动机、叉式起重机、压路机和农机用发动机，小的如移动机器人、驱动热泵和心脏起搏器等。（5）系统耗水量低：斯特林发动机冷却采用空冷方式，非常适合于沙漠地区建立大面积、大容量的蝶式斯特林太阳热发电站。,6.2 太阳能发电,太阳能发电就是一种能源的转化，太阳能转化成电能之后还可以转化成其他形式的能。太阳能的作用是十分巨大的。和以往的发电模式比起来，太阳能发电具有以下优点；（1）太阳能是取之不尽、用之不竭的能源；（2）太阳能是无污染的能源；（3）太阳能发电不受地域性的限制；（4）太阳能的能源十分巨大；（5）获取能源花费的周期短。太阳能发电还有一大特色，那就是其热能储存成本要比电池储存电能的成本低得多
32、。举例来说，一个普通的保温瓶和一台笔记本电脑的电池所存储的能量相当，但显然电池的成本要高得多。能够将太阳热能储存，就意味着太阳能热电厂可以克服传统电厂发电可能中断的弊端。,太阳能转换为电能有两种基本途径：一是太阳能热能发电，即直接把热能转换成电能，通过光电器件将太阳能直接转换为电能，它包括利用金属或半导体材料的温差效应、真空器件的热电子和热离子发电、磁流体发电、有机/无机光伏电池等技术。简单来说，就是通过太阳能辐射能转换成热能，再把热能直接转换成电能，因此在这种发电技术中，发电装置本体没有活动部件。,二是太阳能热动力发电，就是利用聚光装置将太阳辐射能集中收集到一个接收器内，通过加热接收器内的工
33、作介质产生高温蒸汽，进而驱动发动机发电，即是先将太阳辐射能转换成热能，再将热能转换成机械能，最后由机械能转换成电能。,前一种发电形式的发电量较小，有的尚处于实验研究阶段，技术还不够成熟，更不能及时进入大规模应用阶段。而最有发展潜力的第二种太阳能热动力发电技术目前已达到了实际应用水平，并在西班牙和美国等欧美发达国家中建立了一定规模的实用太阳能热发电站，而且发展规模也在不断扩展。鉴于光热在人类的能量供应方面起到的巨大作用和影响，光热发电技术也是太阳能利用的重要方面。本节主要介绍的是这种适于大型发电的太阳能热发电技术，阐述其主要分类、基本原理、结构组成、系统特点、发展状况及其前景等内容。,由于太阳能
34、热发电系统与火力发电系统的工作原理基本相同，两者的根本区别在于不同的热源，前者是以太阳能为热源，后者则以煤炭、石油和天然气等化石燃料为热源。因此，首先我们将对火力发电系统进行简单介绍，以此也能促进对太阳能热发电系统的理解和认识。,6.2.1 火力发电系统,火力发电（thermal power，thermoelectricity power generation），是指利用煤炭、石油、天然气等固体、液体、气体燃料燃烧时产生的热能来加热水，使水达到高温产生高压水蒸气，然后再由水蒸气推动发电机继而发电的一种发电方式。在所有发电方式中，火力发电是历史最久的，也是最重要的一种。,火力发电的能量转换方式，
35、简单地说就是：燃料化学能蒸汽热能机械能电能。能量转换的全过程为：煤炭、石油和天然气等燃料包含的化学能在燃烧即氧化反应过程中以热量的形式释放出来，热量加热锅炉中的水成为高温高压过热蒸汽，此蒸汽包含热能；高温高压的蒸汽在汽轮机中膨胀做功，转化为高速气流，推动汽轮机旋转，热能转换为机械能；最后，由汽轮机带动发电机旋转发电，输出电能。,火力发电按其作用分为单纯供电的和既发电又供热的；按原动机分为汽轮机发电、燃气轮机发电、柴油机发电；按所用燃料分为燃煤发电、燃油发电、燃气发电。火力发电系统主要由燃烧系统（以锅炉为核心）、汽水系统（主要由各类泵、给水加热器、凝汽器、管道、水冷壁等组成）、电气系统（以汽轮发
36、电机、主变压器等为主）、控制系统等组成。前二者产生高温高压蒸汽，电气系统实现由热能、机械能到电能的转变，控制系统保证各系统安全、合理、经济运行。,火力发电亟待需要提高热效率，20 世纪 90 年代，世界最好的火电厂能把 40左右的热能转换为电能，大型供热电厂的热能利用率也只能达到 6070。此外，火力发电需要大量燃煤、燃油，造成环境污染，也成为日益引人关注的问题。相比于对火力发电的改进，开发新的发电技术显得更为迫切，具有无限开发、清洁环保的太阳能热发电技术从而逐渐崭露头角并起到重大作用。,20 世纪化石燃料的浪费使用所产生的环境污染和温室效应引起了世界大规模的气候变化。因此，减少二氧化碳的排放
37、和可再生能源资源的开发利用，推动了世界走向“绿色能源”的电力时代。绿色能源是指环保友好和无污染的能源，包括水能、风能、地热和太阳能，其中最丰富、最方便的可再生能源是太阳能。经过 15 年的停滞期，20 世纪 90 年代以来，聚光式太阳能发电逐渐流行。美国加州计划使其总使用太阳能可再生能源生产占有20%的分量，2010 年到 2020 年提高到 33，已经宣布兴建几个太阳能电厂，发电总量可达 11.8 GW，其中 88的来自于聚光太阳能发电，12的来自于光伏发电。人类对新能源的强烈需求，再加上太阳能热发电技术的持续改进，增加了人们对太阳能热发电技术的浓厚兴趣。,6.2.2 太阳能热发电技术分类,
38、太阳能热发电通常叫做聚光式太阳能发电（Concentrating Solar Power，简称 CSP），与传统发电站不一样的是，它们是通过利用大规模阵列的反射面镜子聚集太阳辐射光到一个面积较小的接收器上，利用汇聚起来的太阳光以热能形式加热接收器内液体或气体形态的导热介质（工质），然后把导热介质产生的热量转换为机械能，再从机械能转化为电能。,太阳能热发电从技术角度可分为两类：一种是发电形式不依赖规模化的热发电系统（如碟式太阳能热发电系统），适用于分布式能源系统；另一种是依赖于规模化的系统（如槽式和塔式太阳能热发电系统），其介质参数越高，单机容量越大，系统效率越高，发电成本则越低。根据聚光方式的
39、不同，太阳能热发电技术又可以分为线聚焦系统和点聚焦系统两种：线聚焦系统是把太阳光聚集到线性的集热管上，包括槽式和菲涅尔式太阳能热发电系统；而点聚焦系统则是将太阳光聚集到可以看作为一个点的中央接收器上，包括塔式和碟式太阳能热发电系统。,1槽式太阳能热发电技术槽式太阳能热发电系统也称为槽式抛物面反射镜太阳能热发电系统。在此系统中，采用的槽式抛物面聚光镜是具有高反射率的镜面（反射器），同时能够跟踪太阳位置变化而转动角度，使其方向始终朝着太阳运动的方向。图 6-7 是槽式太阳能热发电系统的聚焦图与应用范例图。,太阳光被聚焦到长线型的管状集热器（接收器）上，集热器则是置于反射镜面的焦点位置，产生高温加热
40、管内导热工质，利用高温产生的蒸汽驱动汽轮机发电。导热工质可以是水/蒸汽、合成油、矿物油、加压水、硅油、硝酸盐等，在集热管内循环传输后会变得非常热，温度可达 400 ，流体含有的热量输送到热机，大约有 1/3 的热量转换为电能。,槽式太阳能热发电系统结构中，多个槽式抛物面反射镜经串并联排列起来，将太阳光聚焦到管状的接收器上。整个系统包括：聚光集热子系统、蓄热子系统、换热子系统、发电子系统和辅助能源子系统。其中，聚光集热子系统是系统的核心，它由聚光器、集热器和跟踪装置构成。,聚光集热子系统：聚光器为抛物面型反射镜，反射镜沿着由东到西的一个方向轴倾斜，可以根据太阳位置变化而发生旋转，从而始终保持使其
41、垂直于太阳的方向，最终将普通太阳光进行聚焦，形成高能量密度的光束，然后加热导热工质。槽式系统中的抛物面型反射镜的作用等同于塔式太阳能热发电的定日镜。抛物面型反射镜是在有一定刚性的基材上制备反射材料，再结合相应的保护膜构成的。,通常使用的刚性基材为玻璃，采用反射率较高的银或铝作为反光材料，喷涂一层或多层保护膜。由于反射镜为抛物面型，因此要求具有一定的弯曲度，而曲面镀银的加工工艺较为复杂，对其制备方法也有相应的条件要求。另外，还开发出一种反光铝板的反射镜，其卓越的反射性能表现为对可见光辐射和热辐射的反射效率高达 85%。,与玻璃反射镜相比，反光铝板具有重量轻、防破碎、易成型等优点，另外，具有高耐用
42、性起保护作用的透明陶瓷层，可防御气候、腐蚀性和机械性等的破坏。整体而言，抛物面聚光器的制造成本较低，耗材最少，但其抗风能力较差，不适宜在大风地区工作。,聚光集热子系统中的集热器（集热管、接收器）是一个由真空层分开的同心管结构。里面一层是由金属制造，内部进行着传热流体的循环，而外面一层则是由玻璃制成。集热管内的传热流体根据不同的温度条件具有不同的技术选择：在低温条件下（200），通常使用不含矿物质的水与乙二醇；在较高的温度（200 T450）下，通常则使用的是合成油。最新开发的技术，可以在高压下使管内直接产生蒸汽，从而利用熔盐作为传热流体。集热器吸收管聚光传热，是一个极其复杂的光能聚集、转换以及
43、耦合传热的过程。,槽式太阳能发电系统的跟踪装置，一般都采用单轴跟踪方式。按焦线位置的不同，单轴跟踪分为三类：南北地轴式、南北水平式和东西水平式。工程设计时根据实际情况选择不同的跟踪方式。与两轴跟踪方式相比，单轴跟踪方式只要求入射光线位于含有主光轴和焦线的平面上。槽式太阳能热发电系统中的多个聚光集热器单元只作同步跟踪，跟踪装置可大为简化，投资成本降低，但单轴跟踪精度低，一般在跟踪精度要求不高或阳光充裕的地方可以优先考虑。,蓄热子系统：光能被转化成电能之前先是以热能形式被存储起来。按照目前的技术，存储热能比存储电能更便宜、更有效。蓄热子系统也是保障太阳能热发电站全天候稳定输出电能的关键所在。蓄热子
44、系统中的储能物质是硝酸盐，主要是硝酸钾和硝酸钠。硝酸盐在白天受热熔化，吸收热量。夜晚温度降低时，这些硝酸盐则凝固，并释放大量热量到管道中，继续加热高塔水箱中的水，产生蒸汽继续发电。蓄热子系统在夜晚释放的热能，足够让发电站在没有阳光的情况下运行 15 小时。也就是说，白天晒 9 个小时太阳，24 小时都可以发电。太阳能热发电系统在白天和黑夜都产生电能，依靠储存的能量维持系统正常持续运行。,换热子系统：当系统工质为油时，采用双回路，即接收器中的油工质被加热后，进入换热子系统中产生蒸汽，蒸汽进入发电子系统发电。换热子系统一般由预热器、蒸汽发生器、过热器和再热器组成。直接采用水为工质时，可简化此子系统
45、。,发电子系统：按照工质为水或气体选用传统的朗肯循环/蒸汽汽轮机发电机，布雷顿循环/燃气发电机或燃气汽轮机与蒸汽汽轮机的混合型发电机，其基本组成与常规发电设备类似。但是，需要另外配备一种专用装置，用于工作流体在接收器与辅助能源系统之间的切换。当工作流体产生的温度为 600时，蒸汽汽轮机的效率可达 41%；温度高于 600，燃气汽轮机则更为有效。,辅助能源子系统：由于太阳光照的不稳定，系统中通常要配置蓄能装置，以备在夜间或阴雨天正常供电，一般采用辅助能源系统供热，否则蓄热系统过大会引起初始投资的增加。,槽式太阳能热发电系统的特点是，此系统用抛物面槽式反射镜将阳光聚焦到线型管状的集热器上，因而属于
46、线聚焦方式，其聚光比与塔式系统相比较低。聚光比（聚光集热器采光的光孔面积与接收器上接受太阳光辐射的表面面积之比，反映聚光集热器使能量集中的可能程度，是一个特征参数）一般为 50150。另外，接收器的散热面积也较大，因而集热器所能达到的介质工作温度一般为 300550，属于中温发电。,槽式太阳能热发电系统的转换效率最大值为 20%，一般值为 11%14%，年容量因子（实际年发电量与系统全年满负荷运行的年发电量之百分比）为 23%50%。槽式热发电的功率可为 101000 MW，是所有太阳能热发电站中功率最大的。目前运行效益最高的太阳能热发电系统是加利福尼亚的槽式太阳能热发电站。,槽式太阳能热发电
47、系统的聚焦集热器采用分散布置，与碟式相比简化了集热器的结构，可以同步跟踪，跟踪装置简单，投资成本低，跟踪精度要求低、跟踪控制代价小。集热器等装置大都分布在地面上，安装维修也比较方便。此系统可采用并联方式，将加热的介质集中，因此单机容量可以较大，合大规模发电系统，可并网发电（目前最大单机容量为 80 MW），占地面积比塔式和碟式系统的要小 30%50%。,但是，槽式太阳能热发电系统也有一定的不足，需要进一步改进和发展。由于槽式系统的线型集热器使得这种线聚焦方式的聚光比较低，集热器的表面积较大使得散热产生的热损失较为严重，从而导致热载体的工作温度低，以及系统的热电转换效率低。能量在集中过程中依赖管
48、道和泵，管道系统较为复杂，热量及阻力损失均较大，降低了系统的净输出功率和效率。,与塔式和碟式系统相比，抛物曲面反射镜的耐腐蚀性和抗风性能较差，反射镜的更换成本高。另外，这种线性聚焦系统很难实现双轴跟踪，致使余弦效应造成较大的光损失。线型集热器裸露在受光空间中，无法进行绝热处理。尽管设计了真空层以减少对流带来的损失，但是其辐射损失仍然随温度的升高而增加，真空绝热损失和集热管选择性涂层退化使得集热器玻壳破裂，并且真空管的寿命还没有得到大规模的验证。,同时，大规模的抛物槽式系统需要在陆地上平行分布很多的反射镜，因此占地面积较大。由于受到传热工质导热油的限制，最高工作温度只有 400 （发电站需要较高
49、的操作温度，一是用来干燥热交换器，排除剩余气体，二是能够减少水的用量，这对于沙漠的发电站更有实际的作用，同时还可以有效地存储更多的热能），由于材料和技术的差别，一般较难获得较高的温度。,一种解决办法就是采用氟盐液，操作温度在 700800，结合多步汽轮机系统可以使得热效率达到 50%，甚至更高。使用导热油传热也增加了投资和经营的额外成本及维修，热油泄漏的发生将导致环境污染。槽式发电所需技术较为复杂，其关键技术瓶颈在于实用型耐高温真空集热管的加工和制造。该项技术的突破面临两大难题：一是光谱选择性吸收涂层的高温稳定性问题，二是玻璃外管与金属内管的真空封接与热匹配问题。,2线性菲涅尔式太阳能热发电技
50、术由于槽式聚光比低、曲面镜面耐腐蚀性和抗风性能较差，因而在槽式的基础上开发出了一种新的太阳能聚光热发电技术线性菲涅尔聚光技术。这种技术起源 20 世纪 60 年代，太阳能利用先驱 Giorgio Francia 使用长型、扁平或稍弯曲的菲涅耳原理反射镜，把太阳光聚焦到位于反射器焦点位置处的线型接收器，制作了一个太阳光聚集技术系统。,线性菲涅尔式热发电是太阳能热发电技术的一种，其工作原理与槽式热发电系统类似，区别在于它采用的是基于菲涅耳原理的菲涅耳反射镜替代槽式抛面镜。图 6-8 为线性菲涅耳太阳能热发电系统的聚焦图与实际范例图。,线性菲涅尔式热发电系统的原理是利用一系列的长、窄、低曲率（甚至平
