1、第二章 太阳能发电技术目前, 较为成熟的太阳能发电技术是光伏发电和太阳能热发电。第一节 太阳能热发电1.概述太阳能发电分为太阳能直接光发电和太阳能间接光发电。太阳能直接光发电有太阳能光伏发电、太阳能光感应发电等。太阳能间接光发电有太阳能热发电、太阳能光化学发电、太阳能光生物发电等。太阳能热发电分为太阳能热直接发电和太阳能热间接发电。太阳能热直接发电有太阳能热离子发电、太阳能热光伏发电、太阳能热温差发电和太阳能热磁流体发电等。太阳能热间接发电分为非聚光类太阳能热发电（低温）和聚光类太阳能热发电（中、高温） 。非聚光类太阳能热发电有太阳池热发电、太阳能热气流发电等。聚光类太阳能热发电有塔式太阳能热
2、发电、槽式太阳能热发电、碟式太阳能热发电。聚光类太阳能热发电是通过聚光产生高温，再通过各种发电装置将热能转换为电能，效率较高,具有应用前景。太阳能热发电系统一般由六部分组成：（1）太阳能集热子系统：将分散的、功率密度低的太阳能聚集。（2）吸热与输送热量子系统：吸收聚集的太阳热量，输送给工质。这两部分简称为太阳场，是太阳能发电系统的核心。（3）蓄热子系统：将多余的太阳热量储存起来，以便太阳辐射不足或夜间也能发电。使发电装置能稳定运行。（4）蒸汽发生系统：将热量专递给工质，使温度、压力提高。（5）动力子系统：蒸汽膨胀做功。（6）发电子系统：将机械能转化为电能。除热源外，太阳能热发电与常规化石能源热
3、力发电方式热力学工作原理相同，都是通过 Rankine（兰金、郎肯）循环、 Brayton（布雷顿）循环或Stirling（斯特林）循环将热能转换为电能。Rankine 循环压缩器燃烧室Brayton（布雷顿）循环斯特灵发动机是通过气体受热膨胀、遇冷压缩而产生动力的。它包含了一定量的气体，这些气体在“冷”端（通常是室温）和“热”端（通常由煤油或酒精燃烧进行加热）之间运动。位移活塞推动着气体在两个“端”之间运动。伴随着气体的膨胀和压缩，动力活塞也改变了发动机内部的体积。演示2.槽式太阳能热发电系统槽式太阳能热发电是将多个槽型抛物面聚光集热器经过串并联的排列, 产生高温, 加热工质, 产生蒸汽,
4、驱动汽轮机发电机组发电的系统。槽式太阳能热发电系统具有规模大、寿命长、成本低等特点, 非常适合商业并网发电。整个系统包括聚光集热子系统、换热子系统、发电子系统、蓄热子系统和辅助能源子系统。（1）聚光集热子系统。是系统的核心, 由聚光镜、接收器和跟踪装置构成。作用是收集太阳能量，加热工质。（2）换热子系统。由预热器、蒸汽发生器、过热器和再热器组成。当系统工质为油时, 采用双回路, 即接收器中工质油被加热后, 进入换热子系统中产生蒸汽, 蒸汽进入发电子系统发电。直接采用水为工质时, 可简化此子系统。（3）发电子系统。基本组成与常规发电设备类似, 但需要配备一种专用装置, 用于工作流体在接收器与辅助
5、能源系统之间的切换。（4）蓄热子系统。太阳能热发电系统在早晚或云遮间隙必须依靠储存的能量维持系统正常运行。蓄热的方法主要有显式、潜式和化学蓄热三种方式。（5）辅助能源子系统。在夜间或阴雨天, 一般采用辅助能源系统供热, 否则蓄热系统过大会弓起初始投资的增加。一种双回路槽式太阳能热发电系统工作原理如图：一种单回路槽式太阳能热发电系统工作原理如图：在 19851991 年间, 美国在南加州先后建成 9 座槽式太阳能热发电站, 总装机容量 353.8MW, 是世界上规模最大、成效最高的太阳能发电工程。以最为典型的 80MW 装机容量的 SEGS电站为例, 其主要技术特征为槽式抛物面反射镜东西向放置,
6、 采用单轴跟踪技术。集热器为性能优越的 LS-3 型集热器它使用的是真空管环形接收器, 直径 70mm 的不锈钢管装在同心直径为115mm 圆柱形玻璃套内, 玻璃管上涂覆双层减反射膜, 阳光透过率为 0.965, 玻璃管内保持真空以减少热损失, 不锈钢管表面采用磁控溅射涂覆高温选择性吸收涂层, 其可见光吸收比达 0.96, 红外发射比为 0.19,不锈钢管和玻璃套管间采用可伐封接；集热器工作介质为导热油, 工作温度为 391 整个电站共使用了900 个这样的太阳集热器。抛物面反射镜的开口面积达 545m2, 使用了 224 块扇形玻璃镜片, 镜片背面镀银, 每片镜片由 4 个圆形托盘托附在支架
7、上,支架上装有太阳辐射传感器, 经液压传动机构驱动支架跟踪太阳, 如遇恶劣天气, 支架自动翻转, 镜面开口向下, 从而使镜面和接收器得到保护。SEGS电站的循环效率为 38.5%, 峰值太阳能热电转换效率为 24%, 年平均太阳能热电转换效率为14%。LS-3 型集热器的工质是导热油 , 整个系统采用双回路设计, 导热油在换热子系统中, 产生高温水蒸汽进入汽轮机组发电。但是双回路不仅降低了系统效率而且增加了设备投资。SEGS电站采用 LS-4 型集热器, 集热器中直接使用水作工质, 使电站的循环效率达 40%, 峰值太阳能热电转换效率为 28%, 年平均太阳能热电转换效率为 17%。槽式太阳能
8、热发电另一典范是希腊的克里达电站。克里达电站位于希腊风景如画的克里达岛, 为了保护这里的自然环境不被现代化工业所破坏, 希腊政府在岛上兴建了 50MW 的克里达槽式太阳能热发电站, 设计寿命 25 年, 在阴天续晚上采用燃烧矿物燃料方式供热。20 世纪 70 年代, 在槽式太阳能热发电技术方面,中科院和中国科技大学曾做过单元性试验研究。进入 21 世纪, 南京春辉科技实业有限公司和河海大学新材料新能源开发研究院联合组成攻关队伍, 在太阳能热发电领域的太阳光方位传感器、自动跟踪系统、槽式抛物面反射镜、槽式太阳能接收器方面取得了突破性进展。目前正着手开展完全拥有自主知识产权的槽式太阳能热发电试验装
9、置, 预计 2007 年底将成功发电。3、塔式太阳能热发电系统塔式太阳能热发电系统的基本形式是利用独立跟踪太阳的定日镜群, 将阳光聚集到一个固定在塔顶部的接收器上, 用以产生高温。加热工质产生过热蒸汽或高温气体, 驱动发电机组发电, 从而将太阳能转换为电能。塔式太阳能热发电系统包括聚光子系统、集热子系统、发电子系统、蓄热子系统和辅助能源子系统。具有规模大、热传递路程短、热损耗少、聚光比和温度较高等特点, 极适合于大规模并网发电。（1）聚光子系统：包括定日镜群和跟踪装置。采用双轴跟踪, 以确保每台定日镜的反射光线进入集热系统的接收器内；定日镜微弧度的镜面保证太阳光聚焦到塔顶的接收器；定日镜群的成
10、本占总投入的一半以上。（2）集热子系统：包括定日镜场中间或南方的竖塔和竖塔顶部的接收器。竖塔的高度取决于电站容量；接收器主要有空腔式和外露式两种型式, 竖塔在镜场中间时一般选用外露式接收器, 竖塔在镜场南方时选用空腔式接收器。（3）发电子系统：按照工质是水还是气体选用汽轮机组或燃气轮机组, 其基本组成与常规发电设备类似, 但需要设置工作流体在接收器和辅助能源系统之间循环的切换装置。（4）蓄热子系统：太阳能热发电系统在早晚或云遮间隙必须依靠储存的能量维持系统正常运行。蓄热的方法主要有显式、潜式和化学蓄热三种方式。（5）辅助能源子：系统在夜间或阴雨天, 一般采用辅助能源系统供热, 否则蓄热系统过大
11、会引起初始投资的增加。示意图原理图美国太阳 2 号 10MW1950年, 原苏联设计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, 由意大利等9个欧洲国家在西西里岛联合建造了世界首座并网运行的塔式太阳能热电站, 这座电站塔高50米, 镜场配置70台50m 2和112台23m 2的聚光镜。电站的额定功率为1000kW, 总占地2万平方米。每台聚光镜由两部电动机带动实现了双轴跟踪, 镜面把阳光聚集成光束反射到塔顶锅炉, 锅炉内产生高达500的水蒸气驱动汽轮机发电机组发电。由于具有良好的储能设施,无论是白天黑夜, 阴天雨天都能保证连续发电。这里银光闪烁, 被人们称为西西里岛的“ 聚宝盆
12、 。1980年美国在加利福尼亚州南部别Barstow沙漠地区附近兴建了一座大型塔式太阳能热电站Solar One, 额定功率为10MW, 占地7万多平方米, 塔高90米, 采用了1818台聚光镜, 接收器内产生516水蒸汽驱动汽轮发电机发电。1996年, 在Solar One原址建造了10MW的塔式太阳能热发电系统 Solar Two。 Solar Two采用硝酸盐作为蓄热介质, 接收器内的硝酸盐被加热到565用来直接生产蒸汽或储存在绝热的储槽内, 供多云时段或日落后使用。由于增加了有效的蓄热手段,日落后Solar Two能够向 1万个家庭供电3个小时。该装置的设计商业运行寿命为2530年。2
13、0世纪90年代后期, 以色列魏兹曼科学研究院对塔式系统进行了改进, 他们利用一组独立跟踪太阳的定日镜, 将阳光反射到固定在塔顶部的初级反射镜抛物镜上, 然后由初级反射镜将阳光向下反射到次级反射镜复合抛物聚光器（CPC ）,最后由CPC将阳光聚集在其底部的接收器上。通过接收器的空气被加热到1200推动燃气轮机发电机组, 燃气轮机排放的500左右气体再用于推动另一台发电机组, 从而使系统的总发电效率达到25%28%。近几年来, 中国工程院院士张耀明教授带领南京春辉科技实业有限公司（南京玻璃纤维研究设计院三所）科技人员, 在太阳能热发电研究领域中取得了自动跟踪太阳、聚光、集热等方面的技术突破。由南京
14、春辉科技实业有限公司、河海大学新材料新能源研究开发院联合建设的国内首座“塔式太阳能热发电系统” 于2005年10月底在南京市江宁太阳能试验场顺利建成, 并成功投入并网发电。经过连续并网发电运行测试表明该发电系统在运行稳定性、操控机动性、安全可靠性等方面均达到研发建设目标。4.碟式太阳能热发电系统碟式（又称盘式）太阳能热发电系统是利用旋转抛物面反射镜, 将入射阳光聚集在焦点上, 放置在焦点处的太阳能接收器收集较高温度的热能, 加热工质, 驱动发电机组发电；或在焦点处直接放置太阳能斯特林（String）发电装置发电。整个系统包括旋转抛物面反射镜、接收器、跟踪装置、热机系统。具有寿命长、效率高、灵活
15、性强等特点, 可以单台供电, 也可以多套并联使用。有广泛的发展前景。碟式太阳能聚光比可达3000以上，接收器的面积小，能量损失少，接受器接受温度可达800，因此碟式太阳能发电的效率高，目前太阳能转化为电能的效率达30%。一般旋转抛物面反射镜的直径为515米，系统功率为5-50kW。斯特林热机是目前碟式太阳能热发电技术中研究和应用最多的一种，成本与光伏发电比较将显著降低，并且纯转化效率比光伏发电高一倍以上。热电联供转化效率更是高达5倍，在太阳能住宅应用领域前景广阔。大功率地搜集汇聚太阳能，用斯特林热机带动发电机发电，能够大功率地利用太阳能发电，是人类利用太阳能这种可再生能源的一种很好的方式. 用
16、硅光电池光伏组件发电成本很高，一般只能用于小规模太阳能发电，较难进行大容量电力网供电，斯特林太阳能发电相对光伏系统太阳能发电成本要低得多，较成熟的斯特林太阳能发电，只有光伏系统发电成本的1/51/10。由于斯特林太阳能发电功率较大，可以进入电力网供电。相对于槽式和塔式太阳能热发电技术, 碟式太阳能热发电技术起步较晚, 但发展较快。从20世纪70年代末到80年代初由瑞典的USAB及美国的多家机构发起研究, 此后德国、韩国等国家的科研部门相继展开碟式太阳能热发电的研制开发, 并完成样机测试。在这项研究中, 光电转换效率最高达29.4%, 吸热器的效率为65%90%。1982年美国加州建造了碟式斯特
17、林太阳能热发电实验装置, 其聚光器直径为11m, 由320 个小镜面组成, 镜面总面积89m 2, 焦距6.6m, 工作温度达1090, 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40套25kW组成的 1MW碟式系统, 以便为850MW电站建设积累经验。由德国研发的6套910kW 碟式斯特林系统在西班牙 PSA进行了商业化前夕的示范, 并累计达30000时的运行纪录。为进一步降低系统成本, SBP公司已实施了由德国环境部资助的6台新碟式斯特林系统发展计划。1994年澳大利
18、亚建造了一套旋转抛物反光镜面积达400 m 2的50kW碟式系统, 工质为水, 产生的蒸汽驱动汽轮机发电。国内上海交通大学、天津大学和南京航空航天大学等许多高等院校和中科院、上海研究所等科研单位在碟式系统方面作过研究, 并取得了很多宝贵经验。单台碟式太阳能发电机多台串并联的碟式太阳能发电站三种太阳能热电站的发展状态及优缺点塔式 槽式 碟式发展状态 提供高温过程热，可联网发电运行。处于试验示范阶段，最大容量 10MW提供中温热，可联网发电运行。商业化阶段，最大容量 80MW，总容量为354提供高温过程热，分散独立运行。处于试验示范阶段，独立系统容量小于kW优点 从长远看，前景很好，效率高。可以通过蓄热或互补降低成本。具有商业运行经验，互补方式已得到验证。较高的转化效率，可以模块化或复合运行。缺点 聚光场与吸热场优化配合问题还需要研究真空管的寿命还没有得到大规模的验证。定日镜更换成本高。没有商业化的与碟式聚光器配合的 Stirling 机
