太陽能熱發電

太陽能熱發電:也叫聚焦型太陽能熱發電,通過大量反射鏡以聚焦的方式將太陽能直射光聚集起來,加熱工質,產生高溫高壓的蒸汽,用蒸汽驅動汽輪機發電。一般用在陽光充足的地方。太陽熱能通過加熱蒸汽帶動發電機發電,其基本組成與常規發電設備類似,但其根本區別在於熱蒸氣的產生方式上。

太陽能熱發電就是用反射鏡聚焦陽光,在焦點處加熱水產生蒸汽,再通過汽輪機帶動發電機發電。一般用在陽光充足的地方。太陽熱能通過熱蒸汽帶動發電機發電,其基本組成與常規發電設備類似,但其根本區別在於熱蒸氣的產生方式上。
一.槽式太陽能熱發電
槽式太陽能熱發電系統全稱為槽式拋物面反射鏡太陽能熱發電系統,是將多個槽型拋物面聚光集熱器經過串並聯的排列,加熱工質,產生高溫蒸 汽,驅動汽輪機發電機組發電。
槽式太陽能熱發電系統
槽式太陽能熱發電系統包括以下五個子系統:
1.聚光集熱子系統。是系統的核心,由聚光鏡、接收器和跟蹤裝置構成。接受器主要有兩種:真空管式和腔式;跟蹤方式採用一維跟蹤,有南北、東西和極軸三種方式。
2.換熱子系統。由預熱器、蒸汽發生器、過熱器和再熱器組成。當系統工質為油時,採用雙迴路,即接收器中工質油被熱後,進入換熱子系統中產生蒸汽,蒸汽進入發電子系統發電。直接採用水為工質時,可簡化此子系統。
3.發電子系統。基本組成與常規發電設備類似,但需要配備一種專用裝置,用於工作流體在接收器與輔助能源系統之間的切換。
4.蓄熱子系統。太陽能熱發電系統在早晚或雲遮間隙必須依靠儲存的能量維持系統正常運行。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。在夜間或陰雨天,一般採用輔助能源系統供熱,否則蓄熱系統過大會引起初始投資的增加。
典型的槽式太陽能熱發電系統如圖所示。
國際槽式太陽能熱發電技術現狀
西方國家對太陽能利用研究起步較早,可以追溯到18世紀80年代,20世紀初已開始在工業中套用。目前,美國、以色列、澳大利亞、德國等國家是太陽能利用大國,也是槽式太陽能熱發電技術強國。
其中美國魯茲 LUZ 公司是槽式太陽能熱發電技術套用的典範,在1985~1991年間,美國在南加州先後建成9座槽式太陽能熱發電站,總裝機容量353.8MW,是世界上規模最大、成效最高的太陽能發電工程。
槽式太陽能熱發電另一典範是希臘的克里達電站。克里達電站位於希臘風景如畫的克里達島,為了保護這裡的自然環境不被現代化工業所破壞,希臘政府在島上興建了50MW的克里達槽式太陽能熱發電站,設計壽命25年,在陰天或晚上採用燃燒礦物燃料方式供熱。
美國內華達州目前正在興建65MW的槽式太陽能電站,採用德國肖特公司生產的真空集熱管,預計2007年可投產。
國內槽式太陽能熱發電技術現狀
20世紀70年代,在槽式太陽能熱發電技術方面,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,聯合攻關隊伍,在太陽能熱發電領域的太陽光方位感測器、自動跟蹤系統、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智慧財產權的100kW槽式太陽能熱發電試驗裝置。
2009年華園新能源工程公司與中科院電工所、清華大學等科研單位聯手研製開發的太陽能中高溫熱利用系統,設備結構簡單、而且安裝方便,整體使用壽命可達20年。由於反射鏡是固定在地上的,所以不僅能更有效地抵禦風雨的侵蝕破壞,而且還大大降低了反射鏡支架的造價。更為重要的是,該設備技術突破了以往一套控制裝置只能控制一面反射鏡的限制。我們採用菲涅爾凸透鏡技術可以對數百面反射鏡進行同時跟蹤,將數百或數千平方米的陽光聚焦到光能轉換部件上(聚光度約50倍,可以產生三、四百度的高溫),採用菲涅爾線焦透鏡系統,改變了以往整個工程造價大部分為跟蹤控制系統成本的局面,使其在整個工程造價中只占很小的一部分。同時對集熱核心部件鏡面反射材料,以及太陽能中高溫直通管採取國產化市場化生產,降低了成本,並且在運輸安裝費用上降低大量費用。
這兩項突破徹底克服了長期制約太陽能在中高溫領域內大規模套用的技術障礙,為實現太陽能中高溫設備製造標準化和產業化規模化運作開闢了廣闊的道路。華園新能源工程公司生產的太陽能高溫發電直通管(如右圖),還可以產生550度以上的高溫蒸汽,可以套用於太陽能槽式熱發電工程。該公司有國內最具規模的直通管和反射槽生產廠,並主持和參與了包括目前亞洲最大的我國首座太陽能槽式熱發電項目等多項工程的前期論證、設計。
二.塔式太陽能熱發電
塔式太陽能熱發電系統也稱集中型太陽能熱發電系統。塔式太陽能熱發電系統的基本形式是利用獨立跟蹤太陽的定日鏡群,將陽光聚集到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,驅動汽輪機發電機組或燃氣輪機發電機組發電,從而將太陽能轉換為電能。
(1)塔式太陽能熱發電特點
塔式電站的優點:
1.聚光倍數高,容易達到較高的工作溫度,陣列中的定日鏡數目越多,其聚光比越大,接收器的集熱溫度也就愈高;
2.能量集中過程是靠反射光線一次完成的,方法簡捷有效;
3.接收器散熱面積相對較小,因而可得到較高的光熱轉換效率。
塔式太陽能熱發電的參數可與高溫、高壓火電站一致,這樣不僅使太陽能電站有較高的熱效率,而且也容易獲得配套設備。雖然這種電站的建設費用十分昂貴,美國的SolarOne電站初次投資為1.42億美元,成本比例為:定日鏡52%、發電機組、電氣設備18%、蓄熱裝置10%、接收器5%、塔3%、管道及換熱器8%、其它設備4%。但隨著制鏡技術的提高和規模的增大,定日鏡成本將大幅度降低。以美國Sunlab為代表的研究部門以及Sargent&Lundy評估機構對塔式太陽能熱發電的成本作出了預測 圖1 。Sunlab基於8.7GW規模預計到2020年塔式太陽能熱發電的成本最終可達到約30~40$ MWh,即每度電3~4美分;Sargent&Lundy基於2.6GW規模預計到2020年塔式太陽能熱發電的成本最終可達到50~60$ MWh,即每度電5~6美分。與常規化石能源發電相比,如果算上環境污染的成本,那么塔式太陽能熱發電的前景將更加廣闊。美國能源部主持的研究結果表明;在大規模發電方面,塔式太陽能熱發電將是所有太陽能發電技術中成本最低的一種方式。
(2)我國塔式太陽能熱發電技術發展狀況
隨著太陽能利用技術的迅速發展,從20世紀 70年代中期開始,我國一些高等院校和科研院所,對太陽能熱發電技術做了不少套用性基礎試驗研究,並在天津建造了一套功率為lkW的塔式太陽能熱發電模擬裝置。
《中國新能源與可再生能源1999白皮書》指出:我國太陽能熱發電技術的研究開發工作早在70年代末就開始了,但由於工藝、材料、部件及相關技術未得到根本性的解決,加上經費不足,熱發電項目先後停止和下馬。國家“八五”計畫安排了小型部件和材料的攻關項目,帶有技術儲備性質,目前還沒有試驗樣機,與國外差距很大。
近幾年來,中國工程院院士張耀明教授在太陽能熱發電研究領域中,取得了自動跟蹤太陽、聚光、集熱等方面的技術突破。國內首座“70kW塔式太陽能熱發電系統”於2005年10月底在南京市江寧太陽能試驗場順利建成,並成功投入併網發電。經過連續併網發電運行測試表明:該發電系統在運行穩定性、操控機動性、安全可靠性等方面均達到研發建設目標。
三.碟式系統
拋物面反射鏡/斯特林系統是由許多鏡子組成的拋物面反射鏡組成,接收器在拋物面的焦點上,接收器內的傳熱工質被加熱到750℃左右,驅動發動機進行發電。
美國熱發電計畫與Cummins公司合作,1991年開始開發商用的7kW碟式/斯特林發電系統,5年投入經費1800萬美元。1996年Cummins向電力部門和工業用戶交付7台碟式發電系統,計畫1997年生產25台以上。Cummins預計10年後年生產超過1000台。該種系統適用於邊遠地區獨立電站。
美國熱發電計畫還同時開發25kW的碟式發電系統。25kW是經濟規模,因此成本更加低廉,而且適用於更大規模的離網和併網套用。1996年在電力部門進行實驗,1997年開始運行。
由於碟式/斯特林系統光學效率高,啟動損失小,效率高達29%,在三類系統中位居首位。
 

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