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1、2.5 太阳能热发电,是将太阳辐射能转化为热能，再通过各种发电装置将热能转换为电能的发电技术,利用太阳能直接发电 例如：半导体或金属材料的温差发电；碱金属热电转换 磁流体发电特点：发电装置本体没有活动部件，发电量小，,太阳能蒸汽热动力发电：将太阳能通过热机带动发电机发电，即,1 太阳能热发电技术,1.1 太阳能热发电的类型和特点太阳能热动力发电，利用反射镜或集热器将阳光聚集起来，加热水或其它介质，产生蒸汽或热气流以推动涡轮发电机发电；利用热能直接转换为电能的装置，将聚集的太阳光和热直接发电。例如温差发电、热离子发电和磁流体发电等。目前太阳能热发电技术主要为热动力发电系统。,太阳能高温利用示例集
2、中热动力发电,、太阳能热发电系统的组成,太阳能热发电的基本工作原理：利用太阳能集热器将太阳能收集起来，加热工介，产生过热蒸汽，驱动热动力装置带动发电机分机，从而将太阳能转换为电能。见。,1、电路热系统,常规热力发电厂原理图,典型太阳能热发电系统,一般增设蓄热子系统，辅助能源子系统,2、电站的循环效率,卡诺循环效率,卡诺循环效率代表一种理论极限。,太阳能热发电效率,3、太阳能热发电系统组成,聚光集热系统热能传输部分蓄热与热交换部分汽轮发电子系统辅助能源子系统,（一）集热部分,作用：收集阳光并将其聚集到一个有限尺寸面上，以提高单位面积上太阳辐射度，从而提高被加热工质的工作温度。即将太能辐射聚焦，以
3、提高其功率密度。聚光方式：平面反射镜和曲面反射镜（一维抛物面反射镜、二维抛物面反射镜和混合平面-抛物面反射镜）。此外还有线形和圆形菲涅尔透镜。,1、定目镜（或聚光系统/聚光器）,（1）光化学系统,聚光器的镜面反射率越高越好,（2）机械性能,1)反射镜面有很好的平整度2)整个镜面与镜体有很高的机械强度和稳定性3）反射镜面和保护膜有很强的粘合度,（3）化学稳定性,镜面具有很强的耐腐蚀性能,有满足严格的要求：,作用：通过接收经过聚焦的阳光，将太阳能辐射能转变为热能，并传递给部件。,2、接收器,3、跟踪装置,跟踪方式：单轴跟踪、双轴跟踪；实现方式：程序控制方式、传感器控制方式,（二）热能传输部分,作用
4、：把集热器收集起来的热能传输给蓄热部分。,（三）蓄热和热交换部分,蓄热子系统：由于太阳能受季节、昼夜和气象条件的影响，为保证发电系统的热源稳定，需设置蓄热装置。,蓄热：低温（500）极高温(1000 左右).,蓄热材料分别是：水化盐、导热油、熔化盐氧化锆耐火球,蓄热方式：显热蓄热、潜热蓄热和化学储存。,1、显热蓄热介质：水、油、岩石、砂、砾石，人工制造的氧化铝球，特点：价格低，易得到，热容量小。,2、潜热蓄热 特点：利用物质的潜热蓄热，单位容积的蓄热量很大，蓄热装置可望小型化。蓄热介质需具备以下特点：具备几千次可逆蓄释热循环性鞥；价格便宜；不腐蚀容器。,3、化学蓄热 特点：蓄热量大，单位储能的
5、体积小，质量轻，化学反应物可分别储存。蓄热介质需具备以下特点：蓄热和释热反应可逆，无副作用；反应速度快；反应生成物易分离，且能稳定储存；价格便宜；反应物和生成物无毒，无腐蚀，无可燃性；反应热大。,（三）蓄热和热交换部分,热交换部分 作用：为适应汽轮发电的需要，将传输和存储的热能，转化为高温高压蒸汽。,（四）汽轮发电子系统,作用：太阳能热发电系统用的动力发电装置。种类：现代汽轮机、燃气轮机、低沸点工质汽轮机、斯特林热发动机等。选择依据：太阳集热系统可提供的工质参数。,（五）辅助能源子系统,作用：维持电站能够一直持续运行。构成：就是在系统中增设常规燃料锅炉，用于阴雨天，夜间起动。,、太阳能热发电系
6、统的基本构成,槽式线聚焦系统；塔式定日镜聚焦系统；碟式点聚焦系统不用聚焦结构，采用真空管集热器,根据太阳能聚光跟踪理论和实现方法的不同，可以分为3个基本类型,一、槽式太阳能热发电系统（SEGS,solar energy generating systems）,槽式抛物聚光镜面：,（一）系统原理及构成,1、原理：利用槽式抛物面反射镜聚光,槽式太阳能热发电系统：,(3)槽式电站 Parabolic Troughs,槽式电站与碟式电站相似，它把聚焦器分散布置，使载热介质在单个分散的太阳能聚焦集热器中加热成蒸汽，再汇集至汽轮机。如采用双回路系统，则加热后的载热介质不直接送到汽轮机，而是集中在一个热交换
7、器内，然后把热量传递给汽轮机回路中的工质。,2、系统（电站）构成,聚光集热装置（子系统）：聚光镜、接收器、跟踪装置；辅助能源装置（子系统）蓄热装置；汽轮发电装置,3、槽式太阳能热发电系统的工作模式：,直通模式：水经过预热、蒸发、过热后直接推动汽轮机发电；最简单，投资少，控制复杂,注射模式：水分别从集热管不同的地方注入；正常运行需要必要的测试系统，系统投资大，不具竞争力,循环模式：安装水汽分离装置，过量的水被循环泵送回到入水口，蒸汽集热管的过热段；可控性高，系统投资大,4、聚光集热装置（子系统）,（1）、聚光器,、槽型抛物面反射镜,、混合平面抛物面反射镜：采用一组跟踪太阳的平面镜，将阳光反射到一
8、台抛物面反射镜上，阳光经过二次聚焦,槽式聚光器Parabolic trough concentrator,Collectors in southern CA,（2）、接收器：一根做了良好保温的金属圆管,、真空集热管,优点：热损失小缺点：封接技术要求高，很难做到长期保持夹层内的真空度。,真空管吸收器的结构图,(1)真空管式吸收器,真空管吸收器的优缺点,真空管吸收器的优点是金属管与玻璃管之间不存在对流热损，玻璃管外径较小且透明，从而既减少了对阳光的遮影，也通过增大热阻降低了外表面的对流热损；有选择性涂层的金属管壁对阳光的吸收率很高，但发射率却非常低。真空管吸收器的缺点是由于玻璃和金属的热膨胀系数不
9、同，玻璃管与金属管之间存在温差，造成中温时(略低于350)真空封口处的玻璃容易脆裂，从而难以在室外环境下长期维持真空度；在中温时光学选择性涂层容易老化和脱落，难以长期维持大规模光学选择性吸收表面的热稳定性。,工作原理：利用空腔体的黑体效应，充分吸收聚焦后的阳光；,、空腔集热管,优点：集热效率高，不用抽真空；没有玻璃和金属的封接；集热管壁不要涂层；热性能可以长期保持稳定缺点加工工艺复杂,(2)腔体式吸收器,腔体式吸收器的结构为一柱形腔体，外表面覆隔热材料，由于腔体的黑体效应，使其能充分吸收聚焦后的阳光。腔体式吸收器主要适用于长焦聚光器。图2-4为腔体式吸收器集热器剖面图。,腔体式吸收器集热器剖面
10、图,腔体式吸收器的优点,吸热过程不是发生在最强聚焦区，而是在聚焦过后和发射时，并以较大的内表面积向工作流体传热，致使和真空管吸收器相比具有较低的投射辐射能流密度；腔体壁温较均匀，可减小与流体之间的温差，使开口的有效温度降低，从而最终使热损降低；经优化设计的腔体式吸收器，热性能比真空管吸收器稳定，在同样情况下，工作介质平均温度大于230时，腔体式吸收器既不需要抽真空，也不需要涂光学选择性涂层，仅采用传统的材料和制造工艺；成本低和便于维护也是腔体式吸收器的特性。腔体式吸收器的集热效率大于真空管吸收器，这使它成为槽形抛物镜集热器的吸收器。腔体式吸收器的发展已受到重视。,（3）、跟踪装置：使槽式聚光器
11、时刻对准太阳,根据入射光线和主光轴位置关系分为：两轴跟踪系统：具有最理想的光学性能；设备结构复杂，制造维修成本高；单轴跟踪系统：结构简单，跟踪难度不高；,单轴跟踪,只做定期跟踪调整,（二）应用情况,美国鲁兹(LUZ)公司19851991在美国南加州建成9座槽式太阳能热电站，总装机容量353.8MW,二、塔式太阳能热发电系统（集中型）,（一）系统原理及构成,1、原理：,(1)塔式电站 Power Towers 塔式电站用一个中心吸收器取代火力发电站的锅炉。吸收器利用由许多反射镜聚集的阳光把其中的介质(如水)加热，并产生温度和压力都相当高的蒸汽。蒸汽驱动汽轮发电机组发电。塔式电站的聚光倍数高(10
12、003000)，其介质工作温度通常大于350，因此通常被称为高温太阳能热发电。塔式电站的优点是聚光倍数高，容易达到较高的工作温度；能量集中过程由反射光一次完成，方法简捷有效；吸收器散热器面积相对较小，光热转换效率高。但塔式电站建设费用高，其中反射镜的费用占50%以上。太阳能塔式电站的总体效率可以达到20%。,目前世界上较大的太阳能塔式电站功率已达到104kW，太阳能辐射通过多个反射镜聚集到放置在高塔顶的中心吸收器上。计算机控制每块反射镜都能独立的根据太阳的位置来调整各自的方位和倾角，这保障了每块反射镜都能随时把太阳能反射到吸收器上，但这无疑增加了成本。塔式电站的致命缺点是太阳能电站规模越大，反
13、射镜阵列的占的面积越大，吸收塔的高度也要提升。例如，一个计划中的1MW的塔式电站，要用2.93万块反射镜，单镜面积为30m2。这些反射镜布置在3km2的场地上，塔的高度为305m。,聚光比高，工作温度较高；系统容量大效率高热损耗小适合于大规模并网发电,特点：,Power tower in Barstow,California,Power tower in Barstow,California,2、系统构成：,聚光子系统；集热子系统；蓄热子系统；发电子系统；辅助能源子系统,图 塔式太阳能集热发电系统原理,3、聚光子系统：,定日镜群；跟踪装置；,（1）、定日镜：,平面镜；镜架；跟踪装置；,镜架很轻
14、，跟踪结构的电功率消耗小,采用铝或银作用反光材料的玻璃背面镜,Current heliostat prices$125 to$159 m-2,对定日镜性能具有严格的要求,镜面反射率高；镜面平整度误差小；整体机械结构强度高，运行中能抗8级台风；运行稳定；全天候工作；可以大批生产；易于安装；维护少，工作寿命长；,4、中心接收塔（动力塔）太阳能热发电站的集热装置,太阳能辐射接收器：功能：将太阳能转化成工作流体的热能分类：空腔式，外漏式（外部受光式）高塔：钢筋混凝土钢架构,（二）、应用情况,1950年，前苏联收集了世界上第一座塔式太阳能热发电站的小型试验装置；1980年，意大利等9个欧盟国家在西西里岛
15、联合建造了世界上首座并网运行的塔式太阳能热电站：塔高50m；聚光镜：5m2的70台，23m2的112台；额度功率：1000KW；占地：2万m2水蒸气温度：5000C,1982年，美国在加利福尼亚州南部的Bartow沙漠地区附件兴建了一座大型的的塔式太阳能热电站solar one：塔高91.5m；聚光镜：1818台；额度功率：10MW；占地：7万m2水蒸气温度：5160C,1996年，美国在solar one的原址上建造了solar two：聚光镜：1926台：40m2的1818台 95m2的108台镜场占地：8.3万m2硝酸盐温度：5650C,2009年，西班牙的安达卢西亚（Andalucia
16、n）沙漠中投入运行了目前全球最大的太阳能电站：,塔高：120m；聚光镜：1200台：水蒸汽温度：10000C,2005年底，国内首座“70KW塔式太阳能热发电系统”在南京市江京太阳能试验场顺利建成，并网发电：,塔高：33m；聚光镜：20m2的32台；工质温度：9000C,三、碟式太阳能热发电系统,利用旋转抛物面反射镜，将入射阳光聚集在一点上，在焦点上安放热能接收器，收集的热能将接收器内的传热工质加热到很高温度，驱动发动机进行发电；或是在焦点处直接放置太阳能斯特林（stirling）发电装置发电。,（一）系统原理及构成,1、原理：,聚光比高，可达3000以上；体积小，吸热面积小，能量损失小；效率
17、高，太阳能转化电能效率达30%；寿命长，灵活性强，投资少，安装方便；可单台供电，也可多套并联使用，主要适合分布式应用；,特点：,碟式电站缺点系统复杂,抛物镜 如建立一个100MW的碟状抛物镜集热器分散布置的太阳能电站，约需要12万个直径为6m的抛物镜。高温接收器管路及绝热材料跟踪控制系统,2、系统构成：,旋转抛物面聚光器；接收器；跟踪装置；热机系统；,3、聚光器（反射镜）：,结构：镀银玻璃背面镜，几十块组构而成；钢结构环作为支撑；混凝土或钢结构支架；双轴跟踪装置；分类：玻璃小镜面式；多镜面张膜式；单镜面张膜式；,4、接收器：核心部件,直接照射式接收器：太阳光聚焦后直接照在热机的换热管上；换热管
18、内工作介质高速流过，达到较高的温度压力；推动斯特林发动机运动；间接受热式接收器：通过中间媒介（液态碱；金属钠、钾或钾钠合金）将太阳能传递到热机；,（二）、应用情况,1982年，美国加州建造了碟式斯特林太阳能热发电试验装置：聚光器：直径11m，由320个小镜面组成。总面积89m2，焦距6.6m，；工作温度：10900C；光电转换效率：29%；最大功率：24.6KW；2004年，美国SES公司在Sandia国家实验室建造了5套25KW碟式斯特林系统2005年8月，SES公司建造了由40套25KW的1MW碟式系统，以便为850MW电站建设积累经验。,我国的应用情况,2003年，中国科学院电工研究所在北京通州区获得太阳能聚光热发电试验成果，这是我国首次采用碟式太阳能聚光技术进行的太阳能热发电。,表1三种太阳能热发电系统性能比较,塔式电站和碟式抛物镜集热器分散布置式电站均为点聚焦，聚光倍数高达500以上。但塔式电站的跟踪代价高，碟式电站的能量集中代价大，二者受到了目前技术水准的限制，实现商业化尚需时日。槽式电站是线聚焦，聚光倍数小于100。但槽式电站跟踪精度低，导致控制代价小，同时采用管状吸收器，工作介质受热流动同时集中能量。槽式电站的总体代价相对小，经济效益相对提高，所以目前槽式电站发展迅速。,塔式、槽式和碟式三种电站技术比较：,
