【文章內(nèi)容簡介】 規(guī)礦物能源發(fā)電相媲山西大學(xué)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 11 美。 槽式太陽能熱發(fā)電主要是借助槽形拋物面聚光器將太陽光聚焦反射到接收聚熱管上，通過管內(nèi)熱載體將水加熱成蒸汽，推動汽輪機發(fā)電?；诓凼较到y(tǒng)的太陽能熱電站主要包括：大面積槽形拋物面聚光器、跟蹤裝置、熱載體、蒸汽產(chǎn)生器、蓄熱系統(tǒng)和常規(guī) 朗肯 循環(huán)蒸氣發(fā)電系統(tǒng)。在太陽能熱電系統(tǒng)中配置高溫蓄熱裝置是為解決太陽能的間歇不穩(wěn)定性而設(shè)計的，它可以在太陽光充裕的時候把熱能存儲下來，當太陽光不足時再放出熱能 ，實現(xiàn)電廠的持續(xù)發(fā)電。吸收器、聚光器以及跟蹤系統(tǒng)構(gòu)成槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的集熱裝置 。 吸收器一般采用雙層管結(jié)構(gòu)，被置于拋物面聚光器焦線上，內(nèi)側(cè)為熱載體，外側(cè)為真空，以防熱流失。熱載體可以是水蒸氣、熱油或熔鹽。溫度一般在 400℃ 左右，屬于太陽熱能的中低溫利用。聚光鏡是一種表面上涂有聚光材料的拋物鏡面，它的作用是將分散的低密度太陽光聚焦到吸收器上以產(chǎn)生高溫，聚光鏡性能的好壞除了與自身的制造精度有關(guān)外，還與跟蹤裝置的好壞有關(guān)。一般的太陽能發(fā)電站都采用單軸跟蹤方式使拋物面對稱平面圍繞南北方向的縱軸轉(zhuǎn)動。與太 陽照射方向始終保持 。以便在任何情況下都能有效的反射太陽光。然而，近年來人們正在研制一種由多個小型平面反射鏡組成的環(huán)帶太陽能集熱器系統(tǒng)，這種技術(shù)可以大大降低反射鏡的制造難度，但其可靠性和經(jīng)濟性還需作進一步驗證。 由多個拋物面聚光器組成的太陽能場將太陽光聚焦到吸收器將冷管中的熔鹽熱載體加熱到 385℃ 并儲存到蓄熱器中，當系統(tǒng)發(fā)熱完畢后，熱的熔鹽載體被送往傳熱液體加熱器，與來自動力系統(tǒng)熱管的熔鹽熱載體進行換熱。熱管中的熱載體一般為水，水被加熱至300℃ 以上后再送回動力系統(tǒng)，同時冷管中的熔鹽也再次被送回太 陽場以吸收熱能。 槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)工作原理 塔式太陽能光熱發(fā)電 塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)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產(chǎn)生高溫 , 加熱工質(zhì)產(chǎn)生過熱蒸汽或高溫氣體 , 驅(qū)動汽輪機發(fā)電機組或燃氣輪機發(fā)電機組發(fā)電 , 從而將太陽能轉(zhuǎn)換為電能 。 山西大學(xué)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 12 塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng) , 也稱集中型太陽能熱發(fā)電系統(tǒng) , 主要由定日鏡陣列、高塔、吸熱器、傳熱介質(zhì)、換熱器、蓄熱系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及汽輪發(fā)電機組等部分組成 , 基本原理是利用太陽能集熱裝置將太陽熱能轉(zhuǎn)換 并儲存在傳熱介質(zhì)中 , 再利用高溫介質(zhì)加熱水產(chǎn)生蒸汽 , 驅(qū)動汽輪發(fā)電機組發(fā)電。 塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中 , 吸熱器位于高塔上 , 定日鏡群以高塔為中心 , 呈圓周狀分布 , 將太陽光聚焦到吸熱器上 , 集中加熱吸熱器中的傳熱介質(zhì) , 介質(zhì)溫度上升 , 存入高溫蓄熱罐 , 然后用泵送入蒸汽發(fā)生器加熱水產(chǎn)生蒸汽 , 利用蒸汽驅(qū)動汽輪機組發(fā)電 , 汽輪機乏汽經(jīng)冷凝器冷凝后送入蒸汽發(fā)生器循環(huán)使用。在蒸汽發(fā)生器中放出熱量的傳熱介質(zhì)重新回到低溫蓄熱罐中 , 再送回吸熱器加熱。 塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計思想是 20世紀 50年代由 前蘇聯(lián)提出的。 1950年 , 前蘇聯(lián)設(shè)計了世界上第一座塔式太陽能熱發(fā)電站的小型實驗裝置 , 對太陽能熱發(fā)電技術(shù)進行了廣泛的、基礎(chǔ)性的探索和研究。據(jù)不完全統(tǒng)計 ,1981——1991年間 , 全世界建造了兆瓦級太陽能熱發(fā)電試驗電站 20余座 , 其中主要形式是塔式電站 , 最大發(fā)電功率為 80MW。 20世紀 80年代末 , 安裝在意大利西西里島的 ,由法國、原聯(lián)邦德國和意大利等歐洲 9國聯(lián)合建造的 , 世界上第一座塔式太陽能熱電站并網(wǎng)運行。電站塔高 50米 , 占地 2萬 ㎡ , 額定功率為 1MW, 蓄熱器由硝酸鹽組成 ,采用了 50㎡ 定日鏡 70個、 23㎡ 定日鏡 112個。 1981年 , 美國在加利福尼亞州南部 Barstow沙漠地區(qū)附近建成塔式太陽能熱發(fā)電站 ,1982年投入運行 , 總耗資 , 共有定日鏡 1818臺 , 每臺定 日 鏡面積 40㎡ 。中央接收器位于 80m高的塔頂 , 產(chǎn)生 516℃ 的高溫蒸汽 , 裝機容量 10MW,是當時世界上最大的塔式陽能熱發(fā)電站。傳熱介質(zhì)為水 , 蓄熱介質(zhì)為導(dǎo)熱油和石塊 , 所儲存的熱量可保證 4h的 7MW電能輸出 ,保證了在惡劣的氣候條件下及夜間正常運行。 經(jīng)過一段時間試驗運行后 ,在 SofarOne的基礎(chǔ)上又建 造了 Sola Two塔式太陽能熱發(fā)電站 ,并于 1996年 6月投入運行。 Solar Two的參數(shù)如下 : 1926塊定日鏡 , 其中 40㎡ 定 日 鏡 1818臺 ,95㎡ 定日鏡 108臺 ,鏡面總面積 82980㎡ 。采用熔鹽蓄熱系統(tǒng) , 有 2個儲熱罐 ,一個儲存 565℃ 的高溫熔鹽 ,另一個儲存 28℃ 的低溫熔鹽。熔鹽可有效蓄熱 , 日落后 SolarTwo能夠向一萬個家庭供電 3個小時。 Solar Two由于增加了蓄熱系統(tǒng) ,使太陽塔輸送電能的負載因子高達 65%。 Solar Two塔式試驗電站蓄熱系統(tǒng)從 1996年一直運行到 1999年結(jié)束 , 是目 前最成熟的熔鹽蓄熱系統(tǒng)。 Solar Two驗證了采用熔鹽技術(shù)可以使電站具有較好的技術(shù)和經(jīng)濟性 , 極大地推進了塔式太陽能熱發(fā)電站的商業(yè)化進程。 1983年西班牙工業(yè)部和能源部開始投資興建 CESA一 1,采用了面積為 ㎡ 的定日鏡300個 ,定日鏡雙軸跟蹤誤差 ,反射率 92%。塔身為鋼混結(jié)構(gòu) ,高 80m ,載荷能力為 IO0t。目前該裝置作為實驗平臺用于試驗塔式接收系統(tǒng)的不同部件 , 如定日鏡、接收器、儲熱器以及控制部分的性能 。 法國的 THEMIS電站建于上世紀 80年代 ,發(fā)電功率為 , 使用熔鹽作 為吸熱器和儲熱器的介質(zhì) , 塔高 100m,單面定日鏡面積為 45㎡ 。該項目是為確立總體設(shè)計和部件的技術(shù)可行性 , 并評價出口潛力。該電站在 1983一 1986年成功運行 , 為未來電站的建設(shè)提供了大量的資料?，F(xiàn)已停運多年 ,目前定日鏡已有 30%以上的玻璃無法滿足設(shè)計要求 , 因此 40%的定日鏡被法國電力公司收購并改造成為跟蹤光伏發(fā)電場 , 其余 60%左右定日鏡被重新改造 ,用于 。 建于西班牙 Seville的 PS10發(fā)電廠于 2020年 3月發(fā)電 ,發(fā)電功率 lMW。該項目初期論證過采用空氣吸熱器加燃氣輪機的 BRAYTON循環(huán)技術(shù) ,最后由于成本高和技術(shù)風(fēng)險大 , 轉(zhuǎn)而采用直接產(chǎn)生蒸汽的方式。 PS10塔高 90m ,有 981面 12l㎡ 的定日鏡 , PS10電站每年向電網(wǎng)提供 ,年平均發(fā)電效率可達 %。 山西大學(xué)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 13 塔式太陽能電站系統(tǒng)流程示意 線性菲涅爾式太陽能光熱發(fā)電 線性菲涅爾式太陽能熱發(fā)電技術(shù)，尤其是在需要大面積鏡場安裝時，具有結(jié)構(gòu)簡單，制作、運行成本低和抗風(fēng)性能優(yōu)良等特點 。 線性菲涅爾反射鏡聚焦太陽能于集熱器，直接加熱工質(zhì)水。反射鏡和集熱器合稱聚光系統(tǒng)，在電站中，該聚光系統(tǒng)一般布置為三個功 能區(qū)：預(yù)熱區(qū)、蒸發(fā)區(qū)和過熱區(qū)。工質(zhì)水依次經(jīng)過這三個區(qū)后形成高溫高壓的蒸汽，推動汽輪機發(fā)電。 線性菲涅爾聚光系統(tǒng)由拋物槽式聚光系統(tǒng)演化而來，可設(shè)想是將槽式拋物反射鏡線性分段離散化。與槽式反射技術(shù)不同，線性菲涅爾鏡面布置無需保持拋物面形狀，離散鏡面可處在同一水平面上。為提高聚光比，維持高溫時的運行效率，在集熱管的頂部安裝有二次反射鏡，二次反射鏡和集熱管組成集熱器。線性菲涅爾式聚光系統(tǒng)的一次反射鏡，也稱主反射鏡，是由一系列可繞水平軸旋轉(zhuǎn)的條形平面反射鏡組成，跟蹤太陽并匯聚陽光于主鏡場上方的集熱器，經(jīng)過二次反射鏡后 再次聚光于集熱管。二次反射鏡的鏡面形狀可優(yōu)化設(shè)計成一個二維復(fù)合拋物面。隨著電站規(guī)模的增大，達到兆瓦級時，電站需要配備多套聚光集熱單元。為避免相鄰單元的主鏡場邊緣反射鏡存在相互遮擋的情況，需要抬高集熱器的支撐結(jié)構(gòu)，相鄰單元間的距離也需增大，土地利用率較低，于是，研究者們提出了緊湊型線性菲涅爾式反射聚光系統(tǒng)的概念。相鄰的主反射鏡之間可相互重疊，消減相互遮擋的狀況，提高了土地利用率，也避免了因抬高集熱器支撐結(jié)構(gòu)所帶來的成本增加。 采用直接蒸汽式工質(zhì)加熱系統(tǒng)，即集熱管內(nèi)即為做功工質(zhì)，避免了采用中間傳熱工質(zhì)的 各種技術(shù)問題，但該技術(shù)在蒸發(fā)段處存在兩相流的問題。在兩相流的區(qū)域，集熱管中的溫度分布不均勻，同一根管子上會出現(xiàn)較大的溫度梯度。參考直接蒸汽的槽式發(fā)電系統(tǒng)，直接蒸汽的菲涅爾式聚光集熱系統(tǒng)也可存在三個基本加熱模式：一次通過模式、注入模式以及循環(huán)模式。三種模式各有優(yōu)缺點：一次通過模式結(jié)構(gòu)簡單，但兩相流問題難以控制；注入模式理論上可對兩相流進行調(diào)節(jié)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要額外增加多個閥門和管道，控制也較為復(fù)雜；循環(huán)模式采用氣液分離器，可較為有效的控制兩相流的問題，可謂最為傳統(tǒng)的一種方式，系統(tǒng)的穩(wěn)定性最好，但成本也最高。目 前，直接蒸汽模式的一些組件設(shè)計較為靈活，以上三種模式可結(jié)合使用。根據(jù)上述特點，從系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性的角度出發(fā)，循環(huán)模式實屬優(yōu)選，但需要考慮降低其成本。 山西大學(xué)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 14 表 1 太陽能光熱發(fā)電方式對比 槽式 塔式 碟式 理想電站規(guī)模 100MW 以上 100MW 以上 100KW（單臺） 目前電站最大規(guī)模 80MW 10MW 50KW（單臺） 聚光比 10——30 500——3000 500——6000 接收器 空腔式、真空管式 空腔式、外露式 空腔式 運行溫度（ ℃ ） 200——400 1000——1500 800——1000 工質(zhì) 油 /水、水 熔鹽 /水、水、空氣 油 /甲苯、氦氣 跟蹤方式 單軸 雙軸 雙軸 可否蓄能 有限制 可以 蓄電池 可否有輔助能源 可以 可以 可以 可否全天候工作 有限制 有限制 可以 目前最高效率（ %） 28 28 年平均效率（ %） 11——16 7——20 12——25 現(xiàn)有電站最低發(fā)電 成本（美分 /min） 8 聚光方式 拋物面發(fā)射鏡 平面、凹面反射鏡 旋轉(zhuǎn)對稱反射鏡 光熱轉(zhuǎn)換效率（ %） 70 60 85 峰值效率（ %） 20 23 29 單位面積造價（美元 /平方米 ） 275——630 200——475 320——3100 單位瓦數(shù)造價（美元 /W） —— —— —— 發(fā)展狀態(tài) 可商業(yè)化 試驗示范階段 試驗示范階段 開發(fā)風(fēng)險 低 中 高 應(yīng)用前景 可并網(wǎng) 可并網(wǎng) 可獨立可并網(wǎng) 優(yōu)點 ，投資成本低 ，有很好開發(fā)前景 方式降低成本 山西大學(xué)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 15 缺點 的蒸汽 管技術(shù)有待提高 化配合還需研究 高，商業(yè)化程度不夠 ，無與之配套的商業(yè)化斯特林熱機 ，大規(guī)模生產(chǎn)還需研究 山西大學(xué)工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 16 第 3 章 關(guān)鍵技術(shù) 儲熱材料 自 20世紀 80年代以來 ,美國、法國、西班牙、以色列、澳大利亞等國相繼建立起各種不同類型的試驗示范裝置和商業(yè)化聚光太陽能熱發(fā)電站 (Concent rating solar power ,CSP),促進了 CSP 技術(shù)的發(fā)展和商業(yè)化進程。據(jù)不完全統(tǒng)計 , 1981——1991年全世界共建成了500kW以上 的 CSP系統(tǒng) 20多座。 20世紀 90年代 CSP的研究進入了相對的低谷。但自進入 21世紀以來 ,由于能源的緊張 ,各國又進入研究 CSP系統(tǒng)的熱潮。我國于 20 世紀 70 年代末開始太陽能熱發(fā)電的研究。天津建造了一套功率為 1kW的塔式太陽能熱發(fā)電模擬實驗裝置 ,上海建造了一套功率為 1kW的平板式低沸點工質(zhì)太陽能熱發(fā)電模擬實驗裝置 , 湖南湘潭電機廠與美國公司合作設(shè)計并研制出功率為 5kW 的盤式 ( 蹀式 )太陽能熱發(fā)電裝置樣機。從 2020 年到 2020年在張耀明院士主持下 , 南京春輝科技實業(yè)有限公司、河海大學(xué)等開展了塔式太陽能 熱發(fā)電系統(tǒng)的研究和開發(fā) , 建成了國內(nèi)首座塔式 70kW 太陽能熱發(fā)電系統(tǒng) , 并通過了鑒定驗收。科技部 ―十一五 ‖更大力支持我國的太陽能熱發(fā)電的研究 , 中國科學(xué)院電工所制定了塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展行動計劃 , 在 2020年北京延慶將要建成一座 1MW以水 /水蒸氣為工質(zhì)的塔式電站 。 由于儲熱材料可在電力調(diào)峰和工業(yè)及民用節(jié)能領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)能量在時間和空間上大容量轉(zhuǎn)移的特性 , 正好能補償太陽能因陰雨多云等天氣或晚上而出現(xiàn)的間歇性缺點 , 因此儲熱技術(shù)在太陽能熱發(fā)電中起著十分重要的作用。研究儲熱材 料 , 特別是高溫儲熱材料 , 對提高太陽能熱電發(fā)電效率、優(yōu)化系統(tǒng)管道的設(shè)計和降低成本具有重要意義。儲熱材料的腐蝕性、不穩(wěn)定性等嚴重影響著其在 CSP 系 統(tǒng)的應(yīng)用。國內(nèi)外大量研究人員正在研究可應(yīng)用于 CSP系統(tǒng)的高溫儲熱材料 , 主要集中在高溫儲熱材料的研制及其腐蝕性、穩(wěn)定性、熱物性能、系統(tǒng)設(shè)計等方面。目前 , 正在或探索中可以應(yīng)用于 CSP系統(tǒng)的高溫儲熱材料一般有熔鹽、高溫混凝土、金屬合金等。儲熱材料及儲熱系統(tǒng)在 CSP 系統(tǒng)中起著很重要的作用。研究穩(wěn)定可靠和高效低成本的儲熱材料及儲熱系統(tǒng)一直是該領(lǐng)域的研究方向和目標。儲熱材料在 CSP系統(tǒng)中的 應(yīng)用