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光热发电原理

作者:admin发布时间:2020-12-11 19:11

  光热发电原理_物理_自然科学_专业资料。光热发电 太阳能光热发电是指利用大规模阵列抛物或碟形镜面收集太阳热能, 通过换 热装置提供蒸汽,结合传统汽轮发电机的工艺,从而达到发电的目的。采用太阳 能光热发电技术, 避免了昂贵的硅晶光电转换工艺,

  光热发电 太阳能光热发电是指利用大规模阵列抛物或碟形镜面收集太阳热能, 通过换 热装置提供蒸汽,结合传统汽轮发电机的工艺,从而达到发电的目的。采用太阳 能光热发电技术, 避免了昂贵的硅晶光电转换工艺,可以大大降低太阳能发电的 成本。 而且, 这种形式的太阳能利用还有一个其他形式的太阳能转换所无法比拟 的优势, 即太阳能所烧热的水可以储存在巨大的容器中,在太阳落山后几个小时 仍然能够带动汽轮发电。 基本信息 中文名称:光热发电 外文名称:solar thermal electric power generation 目 特 的:发电 点:成本较低 主要原理:收集太阳热能 1 简介 目录 2 原理 3 系统形式 4 商业前景 5 市场现状 6 首个项目 7 发展历程 8 太阳能利用现状 简介 太阳能光热发电是新能源利用的一个重要方向。 太阳能光热发电是太阳能利用中的重要项目之一,只要将太阳能聚集起来, 加热工质,驱动汽轮发电机即能发电。1950 年,原苏联设计了世界上第一座太 阳能塔式电站,建造了一个小型试验装置。太阳能光热发电 70 年代,太阳电池 价格昂贵,效率较低,相对而言,太阳热发电与光伏发电相比,效率较高,技术 比较成熟, 因此当时许多工业发达国家都将太阳热发电作为重点,投资兴建了一 批试验性太阳能热发电站。据不完全统计,从 1981~1991 年,全世界建造的太 阳能热发电站(500kw 以上)约有 20 余座,发电功率最大达 80MW 。按太阳能采 集方式划分,太阳能热发电站主要有塔式、槽式、蝶式和菲涅尔式四类。这些电 站基本上都是试验性的。例如,日本按照阳光计划建造的一座 1MW 塔式电站, 一座 1MW 槽式电站,完成了试验工作后即停止运行。 美国 10MW 太阳 1 号塔 式电站,进行一段时间试验运行后及时进行技术总结,很快将它改建为太阳:号 电站,并于 1996 年 1 月投入运行。80 年代中期,人们对建成的太阳能热发电 站进行技术总结后认为,虽然太阳能热发电在技术上可行,但投资过大(美国太 阳:号电站投资为 1.42 亿美元),且降低造价十分 困难,所以各国都改变了原来的计划,使太阳能 热发电站的建设逐渐冷落下来。例如,美国原计 划在 1983~1995 年建成 5~10 万 KW 和 10~30 万 KW 太阳能热电站, 结果没有实现。正当人们怀疑 太阳能热发电的时候,美国和以色列联合组成的 路兹太阳能热发电国际有限公司, 自 1980 年开始 进行太阳热发电技术研究,主要开发槽式太阳能 热发电系统,5 年后奇迹般地进入商品化阶段。该 公司从 1985 年至 1991 年在美国加州沙漠建成 9 座槽式太阳能热电站,总装机容 353.8MW 。电站 的投资由 1 号电站的 5976 美元/KW ,降到 8 号电站的 3011 美元/KW,发电成 本从 26.5 美分/kwh 降到 8.9 美分/kwh。该公司满怀信心,计划到 2000 年,在 加州建成装机容量达 800MW 槽式太阳能热发电站, 发电成本降到 5~6 分/kwh。 遗憾的是, 1991 年因路兹公司破产而使计划中断。 路兹热电站的成功实践表明, 不能简单地否定太阳能热发电技术,而应继续进行研究开发,不断完善,使其早 日实现商业化。为此,以色列、德国和美国几家公司进行合作,继续推动太阳能 热发电的发展,他们计划在美国内华达州建造两座 80MW 槽式太阳能热电站, 两座 100MW 太阳能与燃气轮机联合循环电站。在西班牙和摩洛哥分别建造 135MW 和 18MW 太阳能热发电站各一座。 蝶式太阳能热发电系统功率较小, 一 般为 5~50kw,可以单独分散发电,也 可以组成较大的发电系统。美国、澳大 利亚等国都有一些应用,但规模不大。 研究表明,蝶式太阳能热发电系统应用 于空间,与光伏发电系统相比,具有气 动阻力低、发射质量小和运行费用便宜 等优点,美国从 1988 年开始进行可行 性研究,太阳能光热发电在太阳能低发 电计划中,以色列在死海沿岸先后建造 了三座太阳池发电站,第一座功率为 150kw,于 1979 年投入运行。以色列曾计划围绕死海建造一系列太阳池电站, 以提供以色列全国三分之一用电需要。 美国也曾计划将加州南部萨尔顿海的一部分变为太阳池,建造 80~600 万 KW 太阳池电站。后来,以色列和美国太阳池发电计划均作了改变。 除了以上 几种太阳能热发电方式外,1983 年在西班牙建成一座太阳能抽风式热电站;以色 列、美国等计划建造太阳能磁流体热发电试验装置;还开展了太阳能海水差发电 研究。 适用于小功率的太阳能热发电技术还有太阳能热离子发电和差发电,它们 在特殊场合得到了一些应用。 我国在太阳能热发电领域受经费和技术条件的限制, 开展的工作比较少。在六五期间建立了一套功率为 lkw 的太阳能塔式热发电模 拟装置和一套功率为 lkw 的平板式太阳能低热发电模拟装置。此外,我国还与美 国合作设计并试制成功率为 5kw 的盘式太阳能发电装置样机。 原理 太阳能光热发电的原理是, 通过反射镜将太阳光汇聚到太阳能收集装置,利 用太阳能加热收集装置内的传热介质(液体或气体),再加热水形成蒸汽带动或者 直接带动发电机发电。 系统形式 一般来说,太阳能光热发电形式有槽式、塔式、碟式(盘式)、菲涅尔式四种 系统 。 折叠 槽式 槽式太阳能热发电系统全称为槽式抛物面反射镜太阳能热发电系统, 是将多 个槽型抛物面聚光集热器经过串并联的排列,加热工质,产生过热蒸 汽,驱动 汽轮机发电机组发电。 20 世纪 80 年代初期,以色列和美国联合组建了 LUZ 太阳能热发电国际有 限公司。 从成立开始, 该公司集中力量研究开发槽式太阳能热发电系统。 从 1985 年-1991 年的 6 年间,在美国加州沙漠相继建成了 9 座槽式太阳能热发电站,总 装机容量 353.8MW ,并投入网营运。经过努力,电站的初次投资由 1 号电站的 4490 美元/KW 降到 8 号电站的 2650 美元/kW,发电成本从 24 美分/KWh 降到 8 美分/KWh。 建于西班牙的 Acurex 槽式太阳能热发电系统,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。作为太阳能量不足时的 备用,系统配备有一个辅助燃烧炉,用天然气或燃油来产生蒸汽。 要提高槽式太阳能热发电系统的效率与正常运行, 涉及到两个方面的控制问 题,一个是自动跟踪装置,要求使得槽式聚光器时刻对准太阳,以保证从源头上 最大限度的吸收太阳能, 据统计跟踪比非跟踪所获得的能量要高出 37.7%。 另外 一个是要控制传热液体回路的温度与压力, 满足汽轮机的要求实现系统的正常发 电。针对这两个控制问题,国内外学者都展开了研究,取得了一定的研究进展。 德州华园新能源应用技术研究所与中科院电工所、 清华大学等科研单位联手 研制开发的槽式太阳能中高温热利用系统,设备结构简单、而且安装方便,整体 使用寿命可达 20 年,可以很好的应用于槽式太阳能热发电系统。由于太阳能反 射镜是固定在地上的, 所以不仅能更有效地抵御风雨的侵蚀破坏,而且还大大降 低了反射镜支架的造价。 更为重要的是,该设备技术突破了以往一套控制装置只 能控制一面反射镜的限制。 采用菲涅尔凸透镜技术可以对数百面反射镜进行同时 跟踪,将数百或数千平方米的阳光聚焦到光能转换部件上(聚光度约 50 倍,可以 产生三、四百度的高温),改变了以往整个工程造价大部分为跟踪控制系统成本 的局面, 使其在整个工程造价中只占很小的一部分。同时对集热核心部件镜面反 射材料,以及太阳能中高温直通管采取国产化市场化生产,降低了成本,并且在 运输安装费用上降低大量费用。 这两项突破彻底克服了长期制约槽式太阳能在 中高温领域内大规模应用的技术障碍, 为实现太阳能中高温设备制造标准化和产 业化规模化运作开辟了广阔的道路。 折叠 塔式 1973 年,世界性石油危机的爆发刺激了人们对太阳能技术的研究与开发。 相对于太阳能电池的价格昂贵、效率较低,太阳能热发电的效率较高、技术比较 成熟。许多工业发达国家,都将太阳能热发电技术作为国家研究开发的重点。从 1981-1991 年 10 年间,全世界建造了装机容量 500kW 以上的各种不同形式的 兆瓦级太阳能热发电试验电站余座,其中主要形式是塔式电站,最大发电功率为 80MW 。由于单位容量投资过大,且降低造价十分困难,因此太阳能热发电站的 建设逐渐冷落下来。 但对塔式太阳能热发电的研究开发并未完全中止。1980 年美国在加州建成 太阳 I 号塔式太阳能热发电站,装机容量 10MW。经过一段时间试验运行后,在 此基础上又建造了太阳 II 号塔式太阳能热发电站, 并于 1996 年 1 月投入试验运 行。 折叠 盘式 盘式(又称碟式)太阳能热发电系统是世界上最早出现的太阳能动力系统。近 段时间以来,盘式太阳能热发电系统主要开发单位功率质量比更小的空间电源。 盘式太阳能热发电系统应用于空间,例如,1983 年美国加州喷气推进试验室完 成的盘式斯特林太阳能热发电系统, 其聚光器直径为 11m, 最大发电功率为 24.6 kW ,转换效率为 29%。1992 年德国一家工程公司开发的一种盘式斯特林太阳 能热发电系统的发电功率为 9kW ,到 1995 年 3 月底,累计运行了 17000h,峰 值净效率 20%,月净效率 16%,该公司计划用 100 台这样的发电系统组建一座 MW 的盘式太阳能热发电示范电站。 盘式(又称碟式)太阳能热发电系统(抛物面反射镜斯特林系统)是由许多镜子 组成的抛物面反射镜组成, 接收在抛物面的焦点上,接收器内的传热工质被加热 到 750℃左右,驱动发动机进行发电。 美国热发电计划与 Cummins 公司合作,1991 年开始开发商用的 7 千瓦碟 式/斯特林发电系统,5 年投入经费 1800 万美元。1996 年 Cummins 向电力部门 和工业用户交付 7 台碟式发电系统,计划 1997 年生产 25 台以上。Cummins 预 计 10 年后年生产超过 1000 台。该种系统适用于边远地区独立电站。 美国热发电计划还同时开发 25 千瓦的碟式发电系统。25 千瓦是经济规模, 因此成本更加低廉,而且适用于更大规模的离网和并网应用。1996 年在电力部 门进行实验,1997 年开始运行。 折叠 菲涅尔式 工作原理类似槽式光热发电,只是采用菲涅耳结构的聚光镜来替代抛面镜。 这使得它的成本相对来说低廉,但效率也相应降低。 此类系统由于聚光倍数只有数十倍,因此加热的水蒸气质量不高,使整个系 统的年发电效率仅能达到 10%左右;但由于系统结构简单、直接使用导热介质产 生蒸汽等特点,其建设和维护成本也相对较低。 商业前景 以上三种系统性能比较。 有实现商业化的可能和前景。三种系统均可单独使 用太阳能运行,安装成燃料混合(如与天然气、生物质气等)互补系统是其突出的 优点。 就几种形式的太阳热发电系统相比较而言,槽式热发电系统是最成熟,也是 达到商业化发展的技术,应该指出,槽式、塔式和盘式太阳能光热发电技术同样 受到世界各国的重视,并正在积极开展工作。 2009 年底全球投运的光热电站装机容量为 668.15MW ,截至 2010 年,全 球已投入运行的光热装机容量达 988.65MW , 其中, 槽式占 94.57%, 塔式次之, 占 4.37%。从目前已投运光热电站国家分布来看,美国占了 48.95%,其次是西 班牙,占 47.49%。 预计到 2015 年,全球将光热发电累计装机 24.5GW ,五年复合增速 90%; 到 2020 年光热发电在全球能源供应份额中将占 1-1.2%, 到 2030 年占 3-3.6%, 到 2050 年占 8.5-11.80%,即到 2050 年光热发电装机容量将达到 830GW ,每 年新增 41GW 。 从国内光热发电来看:近年来,光热发电在中国太阳能发电政策规划中的地 位开始显著提升。 伴随光热发电在中国能源结构中的战略地位的提升,光热发电 行业有望获得更多政策倾斜,随之而来的是光热发电产业化进程加快。预计到 2015 年,我国的太阳能热发电装机容量将达 3GW 左右,市场总量达 450 亿元 人民币。 市场现状 全球光热资源丰富。 全球光热发电市场主要分布在南欧、 北非、 中东、 南非、 南亚、中国、澳洲、北美与南美。截止 2014 年 4 月底,全球已投入运行的光热 电站约 4000MW,其中约 93%集中于西班牙与美国;在建约 1600MW ,主要分布 在美国、西班牙、印度、南非、伊朗、摩洛哥、澳大利亚、中国等国家。IEA 预 测到 2060 年光热直接发电及采用光热化工合成燃料发电共占全球电力结构约 30%。 美国能源部将光热发电技术定为基础负荷电站。预计到 2020 年,加州光热 发电占可再生能源的 40%。此外,美国能源部 SunShot 对光热发电的研发目标 是到 2020 年实现 75%的成本削减,在不依赖政策补贴的前提下将光热发电的 LCOE(平准化电力成本)推至 6 美分/KWh 甚至更低的水平。这个价格将使太阳 能光热发电拥有与传统火电相竞争的能力。美国颁布了 2 个激励政策,一个是 30%的投资税收抵免,另外一个是贷款担保政策。即便如此,美国的激励政策也 促进了光热发电产业的迅速发展。同时,美国能源部对光热发电的资金支持每年 都高达 5000 万美元左右,这也促进了其光热技术的发展。 欧洲光热发电 Desertec 计划规模宏大。2009 年 10 月,德国主要的大企业 宣布成立联合企业,投资 4000 亿欧元在非洲北部建立太阳能发电站,该项目被 命名为 Desertec,即沙漠技术。它的目标就是利用撒哈拉沙漠架设 9000 平方公 里的太阳能电板,来满足全世界的电力要求。根据该计划,这项工程到 2050 年 的时候,所产生的电能产量顶峰值将达到 100GW ,相当于 100 座火力发电厂的 发电量,届时将满足欧洲地区 15%的用电需求。2013 年,中国国家电网宣布加 入这一计划,推进全球配置可再生能源。 全球光热市场近年重拾高增速。 光热发电经过了上世纪 70 年代的研发兴起, 80 年代的第一批建站建立之后,长期处于停滞阶段。直到 2007 年,市场开始逐 渐复苏。2010~2013 年,全球光热发电的装机量快速增长。2009 年底全球装机 量仅为 700MW ,2013 年底全球总的并网光热发电的装机容量达 3320MW 。截 止 2014 年 4 月底,全球装机量已接近 4000MW 。 首个项目 我国第一家工业化运行的太阳能光热发电项目在柴达木盆地建成, 项目已具 备发电能力,不久将实现并网发电。 这个总投资 9.96 亿元的 50 兆瓦光热项目位于青海省海西蒙古族藏族自治州 德令哈市西出口, 由青海中控太阳能发电有限公司建设。据公司副总经理陈武忠 介绍。 陈武忠介绍说,项目的核心技术是追日,用关键技术控制安装在地面的上 万块玻璃镜子像向日葵一样追着太阳光将其反射到吸热塔上的吸热器中, 将吸热 器内的水转化成高温蒸汽,再通过管道传输推动汽轮发电机发电。 发展历程 在技术进步和各国政府补贴政策的驱动下,光伏发电行业自 20 世纪 90 年 代后半期进入了快速发展时期, 光伏电池产量由 1977 年的 126 兆瓦增加到 2008 年的 6850 兆瓦,年均增长 39.51%。08 年底,世界光伏发电装机达到 15GW , 其中 08 年实现装机 5.6GW , 较 07 年增长近 133%。 据欧洲光伏工业协会预测, 2020 年世界光伏发电将占总电量的 1.3%,到 2025 年光伏发电将占全球的发电 量的 2.5%, 按此推算未来数十年, 全球光伏发电产业的增长率将高达 25%--30%。 据美国 iSuppli 预测,受金融危机影响,09 年光伏电池系统的全球装机容量将比 上年减少 32%, 2011 年增速将恢复到 57.8%,2012 年及 2013 年的增长率也将 维持这一水平。 太阳能主要以光-热、光-电、光-化学、光-生物质等几种转换方式来利用, 其中太阳能光-电转换主要采用太阳能电池来实现。按基体材料分,太阳能电池 主要分为两类:一类是硅太阳能电池,包括单晶硅电池、多晶硅电池、非晶硅电 池、微晶硅电池等;一类是化合物太阳能电池,主要包括单晶硅化合物电池、多 晶硅化合物电池, 硅太阳能电池一直是主流产品, 其中多晶硅太阳能电池自 1998 年开始成为世界光伏发电市场的主角。 太阳能利用现状 从太阳资源的利用方式上来说, 本质上, 地球上的风能、 水能、 海洋温差能、 波浪能和生物质能以及部分潮汐能都是来源于太阳;即使是地球上的化石燃料 (如煤、石油、天然气等)从根本上说也是远古以来贮存下来的太阳能,所以太阳 能的利用范围非常大。 而对太阳辐射能的即时利用是当前技术研究的重点,是作 为一种能取代常规能源的新能源。 太阳能利用经过长久的发展,特别是 1973 年第一次石油危机以来, 人们意识到不可再生能源的有限性,对新能源的研究投 入大大增加,太阳能作为永久的、清洁的能源具有光明的前景,得到了很大的发 展。目前对太阳辐射的利用主要流行的有热利用光和电利用两种。

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