《新能源概論》課件-6、第三章 太陽能及其利用-3.3太陽能熱發(fā)電技術(shù)

20五月2025第三章

太陽能及其利用4第三節(jié)

太陽能熱發(fā)電技術(shù)一、太陽能熱發(fā)電太陽能熱發(fā)電技術(shù)，通常稱為聚光式太陽能發(fā)電，就是利用光學(xué)系統(tǒng)聚集太陽輻射能，用以加熱工質(zhì)，產(chǎn)生高溫蒸汽，驅(qū)動汽輪機組發(fā)電，實現(xiàn)熱能→機械能→電能的轉(zhuǎn)換。1、優(yōu)勢（1）避免了昂貴的硅晶體光電轉(zhuǎn)換工藝，可以大大降低太陽能發(fā)電的成本。（2）太陽能所燒熱水可以貯存在容器中，在太陽落山后幾個小時仍然能夠帶動汽輪發(fā)電。（3）與光伏發(fā)電相比，具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、運行成本低等優(yōu)點。2、發(fā)電方式：槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)、碟式太陽能熱發(fā)電技術(shù)、塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)。3、基本結(jié)構(gòu)：太陽能集熱系統(tǒng)、跟蹤系統(tǒng)、儲能裝置、熱傳輸和交換系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)、電力變換裝置、蓄電池、補充能源、交流穩(wěn)壓裝置。二、儲熱裝置1、儲熱系統(tǒng)的作用能夠調(diào)節(jié)負(fù)荷、降低設(shè)備容量和投資成本，進一步提高太陽能利用效率和設(shè)備利用率，提高太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的可靠性和經(jīng)濟性。是影響熱發(fā)電效率的重要因素，也是太陽能熱發(fā)電的關(guān)鍵部分。2、儲熱系統(tǒng)構(gòu)成蓄熱材料、高溫導(dǎo)熱流體、圓管式換熱器。（1）這種傳熱流體與蓄熱材料之間有換熱器的布置方式稱為間接蓄熱（2）蓄熱階段：熱流體沿著換熱管流動把高溫?zé)崮軅鬟f到蓄能材料中（3）放熱階段：冷流體沿著相反方向流動把蓄熱材料中的熱能吸收到流體中用來發(fā)電。3、儲熱方式按照熱能存儲方式不同，目前主要蓄熱技術(shù)與方法可分為：顯熱蓄熱、潛熱蓄熱、化學(xué)反應(yīng)蓄熱三種方式。（1）顯熱蓄熱：通過某種材料溫度的上升或下降而存儲熱能。是三種熱能存儲方式中原理最簡單、技術(shù)最成熟、材料來源最豐富、成本最低廉的一種。常用的蓄熱介質(zhì)有固體（高溫混凝土、花崗巖等）和液體（水、熔鹽、礦物油、合成油、液態(tài)金屬等）。①礦物油/砂：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，效率低。②混凝土：對其內(nèi)部換熱管要求高，占整個蓄熱系統(tǒng)成本的45～55％③導(dǎo)熱油：一般用于400℃以下的場合，但高溫時的蒸汽壓力非常大，需要特殊的壓力閥等設(shè)備，易發(fā)火災(zāi)，且價格昂貴。④液態(tài)金屬：可應(yīng)用于較高的溫度，且金屬材料密度大、導(dǎo)熱率高、整體溫度分布均勻，具有良好的吸熱和放熱性能。但比熱容小，熱負(fù)荷高時溫度波動大，而且高溫下易燃易爆。⑤水/蒸汽作為傳熱蓄熱介質(zhì)：可用于幾乎所有的熱發(fā)電站。導(dǎo)熱率高、無毒無腐蝕、易于運輸。但是在高溫高壓下需增加管壁厚度，導(dǎo)致導(dǎo)熱降低、成本增加。⑥熔鹽做熱發(fā)電的傳熱或蓄熱介質(zhì)：可將蒸汽輪機的工作溫度由導(dǎo)熱油的393℃提高到450～500℃（硝酸鹽），提高了吸熱器的溫度，在發(fā)電容量不變的情況下，可以減少蓄能系統(tǒng)的體積和重量；與導(dǎo)熱油相比，價格低且不易燃燒、無毒；可根據(jù)不同的溫度要求選擇不同的鹽。（2）潛熱蓄熱：通過蓄熱材料發(fā)生相變時吸收或放出熱量來實現(xiàn)能量的儲存，具有蓄熱密度大，充、放熱過程溫度波動范圍小等優(yōu)點。（3）化學(xué)反應(yīng)蓄熱：用化學(xué)反應(yīng)過程中的反應(yīng)熱來進行蓄熱。具有儲能密度高、可以長期儲存等優(yōu)點。在蓄熱過程中，熱能驅(qū)動吸熱反應(yīng)，由氫氧化鈣產(chǎn)生氧化鈣和水；在放熱過程中，只要將水蒸氣加熱氧化鈣，兩者生成氫氧化鈣并釋放熱能。三、太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)1、槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)（1）系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式①單回路系統(tǒng)：傳熱工質(zhì)在各個分散的聚光集熱器中被加熱形成蒸汽匯聚到汽輪機。②雙回路系統(tǒng)：傳熱工質(zhì)在各個分散的聚光集熱器中被加熱匯聚到熱交換器，經(jīng)換熱器再把熱量傳遞給汽輪機回路。（2）集熱系統(tǒng)：一般采用真空式玻璃集熱管（3）角度控制系統(tǒng)：適應(yīng)一天中太陽角度變化（4）（5）導(dǎo)熱流體：（6）不足之處：油、水蒸氣等390~550℃，1.0MPa~12MPa太陽能熱發(fā)電原理（以槽式為例）聚光集熱系統(tǒng)熱-功-電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)蓄熱系統(tǒng)太陽能發(fā)電廠熱交換器熱鹽貯藏罐550℃冷鹽貯藏罐150℃蒸汽發(fā)生器冷卻塔蒸汽輪機發(fā)電機熱交換器白天工作模式1—直接發(fā)電晚上白天聚光集熱系統(tǒng)熱-功-電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)蓄熱系統(tǒng)熱鹽冷鹽熱蒸汽冷水聚光集熱系統(tǒng)熱-功-電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)蓄熱系統(tǒng)白天工作模式2—蓄熱+直接發(fā)電晚上白天熱蒸汽冷水熱鹽冷鹽晚上白天聚光集熱系統(tǒng)熱-功-電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)蓄熱系統(tǒng)夜間工作模式2—利用蓄熱發(fā)電2、碟式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)（1）系統(tǒng)組成：碟式聚光器、接收器、熱機、支架、跟蹤控制系統(tǒng)以及儲能和補充能源等組成。2）聚光比可達到500～1000，運行溫度能夠達到750℃~1500℃，可以實現(xiàn)很高的熱機效率。（3）熱發(fā)電系統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)化裝置主要采用斯特林發(fā)動機作為原動機，熱電轉(zhuǎn)換效率可達40%。（4）處于初期發(fā)展階段，沒有投入到大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用中。空氣或氦氣750~1500℃，5~12MPa3、塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)（1）系統(tǒng)組成：定日鏡群、接收器、蓄熱槽、主控系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)等（2）根據(jù)導(dǎo)熱工質(zhì)的不同，接收器可分為外部受光型和空腔型兩種。（3）聚光比一般在200～1000。（4）與槽式集熱器不同的是塔式集熱器的管路短，工作溫度高，接收器的工作介質(zhì)通常采用熔鹽鹽液在接收器中加熱到600℃輸送到高溫儲熱裝置，在熱交換裝置中將水加熱成高溫蒸汽后進入低溫?zé)醿ρb置保存（約280℃）。溶液泵再把低溫的熔鹽液送入接收器中加熱。水蒸汽、熔融鹽、空氣、液態(tài)金屬等250~1200℃，0.1MPa~5MPa4、三種光熱發(fā)電方式的比較（1）槽式發(fā)電系統(tǒng)①換熱和發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)最成熟、代價較低，已達到商業(yè)化應(yīng)用；②跟蹤機構(gòu)比較簡單，易于實現(xiàn)；③總成本最低，基本接近火力發(fā)電成本；④幾何聚光比低，集熱溫度不高，熱轉(zhuǎn)功效率低（35%左右）。（2）碟式發(fā)電系統(tǒng)①系統(tǒng)復(fù)雜，集熱器分散布置，但控制代價相對較低；②接收器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，單機規(guī)模受到限制，投資較高；③目前系統(tǒng)規(guī)模較小要實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用比較困難。（3）塔式發(fā)電系統(tǒng)①通過熔鹽儲熱方式，具有聚光比和工作溫度高的特點；②熱傳遞路程短，熱損耗少，系統(tǒng)綜合效率高；③可實現(xiàn)高精度、大容量、連續(xù)發(fā)電；④控制系統(tǒng)和機械裝置復(fù)雜，建設(shè)費用較高。太陽熱發(fā)電技術(shù)比較槽式塔式碟式線性菲涅爾功率15～200MW15～200MW9～25kW15～200MW溫度390℃575℃750℃390℃峰值效率(太陽能-電能)20%23%30%18%年效率11～16%7～20%12～25%13%商業(yè)化進程商業(yè)化商業(yè)化示范商業(yè)化技術(shù)風(fēng)險低中等高中等是否可蓄熱是是是是聯(lián)合設(shè)計是是是是四、太陽能熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及主要問題太陽能熱發(fā)電在商業(yè)上沒有得到大規(guī)模應(yīng)用，根本原因是目前太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電成本高。造成太陽能熱發(fā)電成本高的主要原因有以下三個方面：（1）太陽能能流密度低，需要大面積的光學(xué)反射裝置和昂貴的接收裝置將太陽能直接轉(zhuǎn)換為熱能，這一過程的投資成本占整個電站投資的一半左右。（2）太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電效率低，年太陽能凈發(fā)電效率不超過15％。在相同的裝機容量下，較低的發(fā)電效率需要更多的聚光集熱裝置，增加了投資成本。（3）由于太陽能供應(yīng)不連續(xù)、不穩(wěn)定，需要在系統(tǒng)中增加蓄熱裝置，大容量的電站需要龐大的蓄熱裝置和管路系統(tǒng)，造成整個電站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加了成本。因此，建立高效率、大容量、高聚光比的太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)是降低發(fā)電成本的主要研究方向。為推動太陽能光熱發(fā)電技術(shù)的商業(yè)化必須考慮太陽輻照的不連續(xù)性?？刹扇∨c化石燃料互補的聯(lián)合發(fā)電途徑。五、太陽能熱發(fā)電技術(shù)展望利用太陽能發(fā)電是解決當(dāng)前能源、資源和環(huán)境等問題的有效途徑和方法。太陽能熱電開發(fā)所占土地面積并不比某些常規(guī)能源大，并且可在太陽能資源豐富的荒漠地區(qū)建設(shè)，這是常規(guī)能源所不能達到的，太陽能熱力發(fā)電與火力發(fā)電相比不會消耗資源；也不會產(chǎn)生廢氣廢渣而污染空氣、土壤和水；也不會像核電產(chǎn)生核泄漏，對較大范圍造成嚴(yán)重而