聚光型太阳能热发电系统的优化

聚光型太阳能热发电系统是利用聚焦型太阳能集热器把太阳辐射能转变成热能,然后通过汽轮机、发电机来发电。根据聚焦的型式不同,聚光型太阳能集热发电系统主要有塔式、槽式和碟式。

3.4.2.1　塔式

塔式太阳能热发电系统(SPT)是将集热器置于接收塔的顶部,许多面定日镜根据集热器类型排列在接收塔的四周或一侧,这些定日镜自动跟踪太阳,使反射光能够精确地投射到集热器的窗口内。投射到集热器的阳光被吸收转变成热能后,便加热盘管内流动的介质产生蒸汽,蒸汽温度一般会达到650℃,其中一部分用来带动汽轮发电机组发电,另一部分热量则被储存在蓄热器里,以备没有阳光时发电用。图3.7为塔式太阳能热发电系统流程图,它分别由定日镜阵列、高塔、受热器、传热流体、换热部件、蓄热系统、控制系统、汽轮机和发电系统等部分组成。

图3.6　中温太阳能甲醇制氢-发电联产系统

图3.7　塔式太阳能热发电系统

国外SPT的研究开始于20世纪70年代。至90年代中期,一些国家相继建造了多座SPT示范电站,因其技术复杂和造价高,此后不再新建示范电站,但相关研究仍在继续,研究的主要方向转向电站模型、大型定日镜和高效储能系统,美国在试验研究方面处于世界领先水平。由美国能源部投资,爱迪生公司、洛杉矶水电部和加利福尼亚能源委员会合作在南加州Barstow兴建的Solar One电站于1981年建成,1982年4月投入运行,后经对蓄热介质改造成Solar Two电站。日本三菱重工业公司研制出功率为1MW的SunShine塔式太阳能热发电装置,安装在四国的香川县仁尾町海边,1981年9月建成投运,耗资50亿日元。欧洲共同体出资2500万美元在意大利西西里建造的1MW塔式太阳能热发电装置Eurelios电站,于1981年5月开始投入运行。法国1979年投资128亿法郎,采用Ti-Tec盐为传热介质和储热介质,在其南部比利牛斯山中建造2.5MW的THEMIS电站,于1983年6月开始运行,电站共采用了53.7m2的定日镜200台。

我国近年来开始重视塔式太阳能热发电并进行塔式系统全尺寸试验研究。2005年10月,我国首座70kW的SPT系统在南京市江宁开发区建成并成功发电,该电站塔高33m,共用32面定日镜,占地约40亩,投资500万元。国家“十一五”科技攻关项目计划在我国沙漠地区建立第一座兆瓦级塔式太阳能热发电试验示范电站。为降低成本和提高效率,目前的研究方向是高精确度太阳光跟踪系统,经济且高效的蓄热材料,具有高反射率的延展膜反射材料和适合沙漠缺水地区使用的闭循环发电装置。关于塔式太阳能热发电的关键技术现分析如下：

1.定日镜及其自动跟踪

定日镜是一种安装在刚性金属结构上双轴可自动跟踪太阳的聚焦型反射镜,由控制系统根据太阳的位置进行方位和角度的调整,以保证将太阳光精确地汇集到高塔顶部的受热器外表面上,并能自动翻转、收拢,以防大风、尘土、冰雹等对其造成损坏。定日镜围绕高塔按一定规律布置成群,用量及占用面积与发电功率有关,布置方案应以年均太阳热利用最优为目标函数。

2.受热器

受热器(又称太阳锅炉)位于中央高塔顶部,是SPT电站中光热转换的关键部件,其作用是将定日镜群汇集来的太阳光能转换为热能,加热工作介质至500℃以上。受热器的设计应充分考虑聚焦面的能量密度分布规律、被加热工质的物理特件及状态参数。

3.蓄热系统

太阳辐射强度具有显著的不稳定性和间断性,为弥补这一不足,使之从辅助能源最终变为一种使用方便、可靠的清洁能源,储能问题的解决是关键的一环。太阳能储能分为太阳能显热储能、潜热储能和化学反应储能三种热能储存方式。其中化学反应储能被认为是最具发展前途的一种储能方式,它具有可得到高品位热能,温度与速率在热储(释)能过程中均可控制,在常温下可长期无热损储存且储能密度远高于显热储能或相变蓄热储能等优势。

3.4.2.2　槽式

槽式太阳能热发电系统(图3.8)是一种中温热力发电系统。其结构紧凑,太阳能热辐射收集装置占地面积比塔式和碟式系统要小30%～50%。槽形抛物面集热装置的制造所需的构件形式不多,容易实现标准化,适合批量生产。用于聚焦太阳光的抛物面聚光器加工简单,制造成本较低,抛物面场每平方米阳光通径面积仅需11～18kg玻璃,耗材最少。

槽式太阳能热发电主要是借助槽形抛物面聚光器将太阳光聚焦反射到接收聚热管上,通过管内热载体将水加热成蒸汽,推动汽轮机发电。基于槽式系统的太阳能热电站主要包括：大面积槽形抛物面聚光器、跟踪装置、热载体、蒸汽产生器、蓄热系统和常规Rankine循环蒸汽发电系统。现将关键技术介绍如下。

图3.8　槽式太阳能热发电系统

1.聚光器(www.xing528.com)

槽形抛物面镜聚光集热器是反射式聚光器中应用较多的一种,它只需要用一维跟踪就可以获取中温。目前,开发的重点是提高聚光器的效率,如提高反射面加工精度、研制高反射材料、降低制造成本。近年来,国内一些高等院校与企事业单位对槽式抛物面聚光器做了不少单元性试验研究,并成功研制出采光口宽度为2.5m、长12m的槽式聚光器。通过对单向抛物反射器反射面的研究,采用复合蜂窝技术,研制出了超轻型结构的反射面,解决了使用平面玻璃制作曲面镜的问题,降低了制造难度。

2.吸收器

槽式系统太阳能吸收器的主要发展趋势为真空集热管和腔体吸收器。真空集热管是一种高效太阳能集热元件,从制造真空太阳能集热管的材料来看,又可分为两类：一类为全玻璃真空太阳能集热管；另一类为玻璃-金属真空太阳能集热管。真空集热管的优点为：选择性涂层可以提高阳光的吸收率,减少其发射率；真空夹层使两管间的对流热损失为零；玻璃管外径较小,并且透明,既可减少对阳光的遮挡,也可降低外表面的对流热损。我国自20世纪80年代中期开始研制真空集热管,攻克了热压封等许多技术难关,建立了拥有全部知识产权的真空集热管生产基地,产品质量已达到世界先进水平,生产能力也居世界首位。玻璃-金属真空太阳能集热管是一种新型的集热管,目前在我国还处于开发阶段,它比全玻璃真空集热管的效率要高若干倍,热循环也要好一些,不会发生管的冻裂,坚固耐用,可做成大、中、小各种太阳能真空集热管,是一种理想的器材。腔体吸收器的结构为一槽形腔体,外表面覆隔热材料,利用腔体的黑体效用,可充分吸收聚焦后的阳光。与真空集热管相比,腔体吸收器具有较低的直射能流密度；腔体壁温较均匀,热性能稳定,集热效率高；无需光学选择性涂层,只需传统的材料和加工工艺；成本低且便于维护,但光学效用不如真空集热管好。在太阳能的中、低温利用中,二者的效率有一相交值,在选择时要根据具体情况选择不同类型的集热装置。

3.跟踪技术

槽形抛物面镜聚光集热器的跟踪方式按照入射光和主光轴的位置关系可分为两轴跟踪和单轴跟踪。两轴跟踪是根据太阳高度和赤纬角的变化情况而设计的,它具有最理想的光学性能,是最好的跟踪方式,能够使入射光与主光轴方向一致,获得最多的太阳能。单轴跟踪只要求入射光线位于含有主光轴和焦线的平面,它结构简单,实际生产中在跟踪精度要求不高或阳光充裕的地方一般优先考虑单轴跟踪。按焦线位置的不同,单轴跟踪分为南北地轴式、南北水平式和东西水平式三类。

3.4.2.3　碟式

现代碟式太阳能热发电技术在20世纪70年代末由瑞典USAB等发起研究。美国A.Corporation于1984年建立了一套25kW碟式斯特林太阳热发电系统,太阳能-电能的最高转换效率是29.4%。德国SBP公司于1984—1988年间建造了两套大型碟式太阳能热发电装置,安装在沙特阿拉伯的利亚德附近,采用张膜结构的聚光镜,直径17m,工作压力15MPa,当入射光辐照度为1000kW/m2时,净输出53kW,效率达23.1%。此后德国、韩国等国家的科研部门相继展开碟式聚光太阳能热发电技术的研制开发,并已完成样机测试,在这些研究中光电转换效率最高为29.4%,吸热器的效率为65%～90%。国内在碟式太阳能热发电研发与应用方面的报道不多,我国科学院电工研究所从20世纪70年代末期开始从事太阳能热发电研究,另外还有湘潭电机厂。70年代末,湘潭电机厂和美国合作,建成了碟太阳能热发电试验装置,聚光镜直径7.5m,用铝合金制造,分块成形,组合而成,表面贴铝膜,附有电脑控制的双轴跟踪系统；用导热油吸热,然后传热给有机工质,驱动汽轮发电机组发电。试验装置发电3kW,基本达到预定目标,并且在聚光镜设计制造方面积累了宝贵的经验,该工作至1985年告一段落。

目前,碟式发电装置的容量范围一般在5～50kW之间,聚光镜开口直径一般限制在10～20m之间。碟式太阳能热发电装置包括碟式聚光集热系统和热电转换系统,主要由碟式聚光镜、吸热器、热机及辅助设备组成。

1.碟式聚光镜

碟式聚光镜可分为玻璃片式、整体抛物面式和张膜式三类。美国SAIC/STM25kWe的聚光镜镜面由16块直径3m的张膜圆盘组成,即将许多小玻璃镜片贴在薄不锈钢板上。玻璃片式最早由JPL、AdvanceCorp等单位开发。张膜式结构由SBP、Solar Kinetics等单位开发,由LaJet、Cummins、DOE、HTC等单位发展为张膜片式结构。反光材料有铝膜、银膜及薄银玻璃等。目前,美国Sunlab、DOE、SAIC等正在开发一种极具前景的超薄银玻璃反光镜。

2.吸热器

吸热器是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,而是落在吸热腔体的开口上,开口应尽可能小,以减小辐射和对流热损失,而吸热面通常放置在焦点后方。对圆柱形、平顶锥形、椭圆形、球形及复合平顶锥形五种腔式吸热器的热性能研究的结果表明,吸热器腔体的形状对系统的能量分布有很大影响,但对吸热器的热效率影响很小。

3.热机

碟式热电系统中的热机可采用斯特林发动机、低沸点工质汽轮机或燃气轮机等。斯特林发动机(又称热气机)是研究与开发的热点,它是一种高温高压外燃机,使用氢或氦作为循环工质。现代高性能斯特林机的气体工作温度超过700℃,压力达到20 MPa。斯特林机的工质气体被交替地加热和冷却,并达到相同的温度和体积。斯特林机通常配置有一个高效换热器,用于回收气体做功后的余热并预热待加热气体。如图3.9所示为斯特林循环的定温压缩、定容吸热、定温膨胀及定容放热四个基本过程。斯特林机的热电转换效率可达40%,其高效率和外燃机特性使得它成为碟式太阳能热发电系统的首选热机。

图3.9　斯特林发动机循环流程

4.辅助设备

由于太阳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,不能直接提供给用户,需要经过电力变换以输出稳定的交/直流电压。另外,由于太阳能只有白天存在,且对天气变化极为敏感,为了使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方式。储能可以有多种形式,如相变储热和化学储能。相变储热是依靠晶体相变时的大量潜热,在白天阳光充足时将太阳热能储存起来,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。表3.1对以上三种热发电系统的性能进行了对比。

表3.1　几种聚光型太阳能热电系统的性能对比