太阳能热利用技术的应用与发展

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D 太阳能烟囱热气流发电系统
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西班牙曾经建造的太阳能 烟囱发电系统 H=200m，D=10.3m， R=126m，P=100kW
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太阳能烟囱建在澳大利亚内地西 部的新南威尔士州; 竣工后的高度可达到1公里(3280 英尺); “太阳塔”最多可产生200兆瓦 清洁电能，足以满足大约20万个 家庭的用电需求。 30
斯特林循环工作过程示意图
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斯特林发动机（Stirling Engine)的特点
振动小、噪音、排放低 因为进气压力较小，循环压力比低（一般为1.5-1.8，而内燃机 的至少在7以上），因此压力变化平缓，因而运行平稳、安定。 结构简单、单机容量小 无需燃气压缩机, 无需排气装置，比内燃机少50%的零部件；机 组容量从20-50kw,维护成本较低。 燃料选材广泛 可用任何种类的燃料如天然气、丙烷、氢气、柴油、燃料油、垃 圾填埋气、煤层气(甲烷)、工业废气、太阳能等; 热能效率高且出力和效率不受海拔高度影响 由于吸热和放热均是在等温下进行的，即等温压缩和等温膨胀， 因而满足了热力学第二定律对最高效率的要求。在理论上斯特林 发动机的循环效率与卡诺循环的效率是相等的。一般回热器的效 率ε=0.98～0.99，所以斯特林发动机有较高的热效率。斯特林发 动机高的扫气容积功率是普通的活塞式内燃机所望尘莫及的。
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2 太阳能热发电系统
聚光型
A 塔式发电系统; B 槽式发电系统; C 蝶式发电系统;
非聚光型
D 太阳能烟囱热气流 发电系统; E 太阳池发电系统;
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A 塔式太阳能热发电系统工作原理
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美国加州的塔式太阳能热发电站
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前期造价高点不要紧， 关键是技术要掌握 (2010年并网，年发电量可达270万kWh)
跟踪方式
聚光倍数 光热转换效率/% 年净效率/%
两轴跟踪
600～1000 60 7～20
单轴跟踪
8～80 70 11～16
两轴跟踪
200～3000 85 12～25
发展状态
优点
提供高温过程热，联网发 电运行，实验示范阶段
提供中温过程热，联网发 提供高温过程热，分散独 电运行，到达商业化阶段。 立运行，实验示范阶段
前景非常好，效率高，可 跟踪装置简单，投资成本 高的转化效率，可以独立 以通过开发定日镜及其跟 低，有商业化运行的经验。 运行也可以集成使用，具 踪方式和蓄热来降低成本。 有高效、模块化和组成混 合发电系统的能力 聚光场与吸热场优化配合 问题还需要研究，造价 高，产业化困难。 中 热载体的工作温度低，热 损耗较大，真空管的寿命 还没有得到大规模的验 证，反光镜更换成本高。 低 造价昂贵，没有商业化的 与碟式聚光器配合的 Stirling机。 高
塔式系统
10～20MW 565/1049 20～77 23 7～20 示范阶段 中 可以 可以
碟式系统
5～25MW 750/1382 25 24 12～25 试验样机阶段 高 蓄电池 可以
630～275 4.0～2.7 4.0～1.3
475～200 4.4～2.5 2.4～0.9
3100～3200 12.6～1.3 12.6～1.1
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太阳能热电（CSP）三种方式：碟式效率最高
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Solar One & Solar Two 项目与两家 电力公司的的PPA协议
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太阳能聚光热发电技术比较
发电方式 规模 运行温度/℃ 聚光方式 10～20MW 500～1000 平凹面反射镜 塔式 30～320MW 260～400 抛物面反射镜 槽式 5～25kW 500～1500 旋转对称的抛物面反射镜 碟式
缺点
技术开发风险
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三种类型太阳能热发电系统主要性能参数
参数
规模 运行温度/℃ 年容量因子/% 峰值效率/% 年净效率/% 商业化情况 技术开发风险 可否储能 可否组成混合系统 成本 美元/㎡ 美元/W 美元/Wp
槽式系统
30～320MW 390/734 23～50 20 11～16 可商业化 低 有限制 可以
投运年份 额定电功率/MW 集热器面积 万㎡ 介质入口温度/℃ 介质出口温度/℃ 蒸汽参数 ℃/bar 太阳能
1985 13.8 8.296 240 307
1986 30 18.899 231 316
1991 80 48.396 293 391 371/100
天然气
透平循环 效率/% 太阳能 天然气
A. 各国家制定的阳光计划 1973年美国“国家太阳能光发电计划”；1974年日本“阳光计 划”; B. 取得了一批较为重要的成果； 抛物面镜聚光集热器（CPC）；真空集热管；非晶硅太阳能电池; 太阳能热发电示范电站、光解水制氢等； C. 该阶段许多国家制定的发展计划存在要求过高、过急的问题
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石+油（HT-43） 混合盐（HITEC）
蓄热容量/h
0.5
2
3
7MW×4
3.3
3
涡轮蒸汽条件 /(℃/bar) 投运时间 建设费用/(10-6) 美元 每千瓦投资/(10-4) 美元
510/65 1981 年4月 25
500/10 1981年8月 17.1
187.1/12 1981年8月 21.9
聚焦到太阳能接收器的太阳能，转换 为25kW的电力，其峰值转换效率约 为31.25%。SES公司拥有将太阳能 转换为商业网络电力31.25 ％的世界 2013-8-14 转换效率纪录
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自由活塞斯特林机器（FPSE）
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1-2:等温压缩过程; 2-3:等容加热过程; 3-4:等温膨胀过程; 4-1:等容膨胀过程;
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1.3 太阳能的转换和利用方式
光—热转换
太阳热水系统、太阳能空调制冷系统、 太阳能干燥器、太阳房、太阳灶等;太 阳能热发电(光-热-电转换) 、海水淡化等;
光—电转换 太阳能光伏电池 光—化学转换 太阳能光化制氢
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太阳能热利用技术介绍
太阳能热发电系统 太阳能热制冷技术 太阳能家用热水系统 太阳能海水淡化技术
第三阶段(1981~1991年)：太阳能发展进入低潮
石油价格大幅度回落；太阳能利用技术无重大突破； 核电发展较快。
第四阶段(1992年~现在)：太阳能的快速发展
A. 太阳能利用与可持续发展和生态环境保护相结合； B. 发展目标明确，重点突出； C. 注重将研发成果尽快市场化； D. 我国，太阳能热水器和太阳能电池发展较快，目前以 金融危机为契机，加速优化能源结构，大力发展太阳 能技术。
510/101 1982年4月 140
430/40 1983年6月 23.6
520/98 1983年6月 18
250/40 1985年9月
2.50
3.42
2.19
1.40
0.944
1.8
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B.槽式太阳能热发电系统
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SEGSⅧ（LUZ）
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槽式线聚焦太阳能发电系统
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北京八达岭塔式太阳能发电站
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世界上已建成的塔式太阳能热发电系统
国家或机构 站名 额定电功率/MW 站址 年日照时数/h 设计最大辐照度 /(KW/㎡) 定日镜面积和台数 反射镜总面积/㎡ 聚光集热方式 集热介质 蓄热介质 欧共体（长期） （法、意、德） EURELICS 1 意大利西西里岛 3000 春分正午时1.0 52㎡×70台 23㎡×112台 6216 集中型空腔受光 水-蒸汽 混合盐（HITEC） 国际能源机构10国 （长期） SSPS-CRS 0.5 西班牙南部阿尔梅 里亚 3000 春分正午时0.92 29.3㎡×93台 3655 集中型空腔受光 钠 钠 日本（停） 仁尾 1 香川县仁尾 町 2200 夏至午后时 0.75 16㎡×807台 12912 集中型空腔 受光 水-蒸汽 压力水 美国 SOLAR ONE 10 加州巴斯托 3500 冬至午后时0.9 39.9㎡×1818 台 72540 集中型外部受 光 水-蒸汽 法国（停） THEMIS 2.5 法国南部比利牛 斯山中 2400 春分正午时1.04 53.7㎡×200台 10740 集中型空腔受光 混合盐（HITEC） 西班牙（长期） CESA-1 1 西班牙南部阿尔梅 里亚 3000 春分正午时0.92 36～40㎡×300台 11400 集中型空腔受光 水-蒸汽 混合盐（HITEC） CSC-5 5 克里米亚黑海海滨 2320 夏至午后2时0.9 25㎡×1600台 40000 集中型外部受光 水-蒸汽 压力水 前苏联
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美国9座槽式太阳能热发电系统技术参数与运行性能（LUZ公司）
项目 地址（均在加州） SEGSⅠ Daggett SEGSⅡ Daggett SEGSⅢ Kramer Junction 1987 30 23.03 248 349 327/43 SEGSⅣ Kramer Junction 1987 30 23.03 248 349 327/43 SEGSⅤ Kramer Junction 1988 30 25.05 248 349 327/43 SEGSⅥ Kramer Junction 1989 30 18.8 293 391 371/100 SEGSⅦ Kramer Junction 1989 30 19.428 293 391 371/100 SEGSⅧ Harper Lake 1990 80 46.434 293 391 371/100 SEGSⅨ Harper Lake
太阳能热利用技术的 应用与发展
1. 太阳能热利用的现状及意义
1.1 太阳能的特点 1.2 太阳能利用的发展阶段 1.3 太阳能转换和利用方式
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1.1 太阳能的特点
资源丰富，可以再生；
清洁干净，对生态几乎无破坏；
能源密度低且高度分散； 不稳定； 开发利用的技术方案多。
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C 蝶式太阳能热发电系统
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Schematic of a Dish/Stirling system
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Schematic of a Dish/Brayton system
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碟式斯特林系统国内商业化推广的主要瓶颈在 于斯特林发动机的开发
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31.5
510/105
29.4 37.3
510/105
30.6 37.4 无再热 73
510/105
30.6 37.4 无再热 73
510/105
30.6 37.4 无再热 73
510/105
37.5 39.5 再热 76
510/105
37.5 39.5 再热 76
371/100
37.6 37.6 再热 80
371/100
37.6 37.6 再热 80
汽轮机循环方式 镜场光学效率/%
无再热 71
无再热 71
从太阳能到电能的 年平均转换效率/
年发电量/M kW 30.1 80.5
11.5
92.78
11.5
92.78
11.5
91.82
13.6
90.85
13.6
92.65
13.6
252.75 256.13
① 包括天然气过热；②1986年建成时为233120㎡；③按太阳能总辐射能量计。
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1.2 太阳能利用的发展阶段
第一阶段(1946~1965年)：太阳能利用的兴起
A. 太阳能选择性涂层和硅太阳能电池等技术的突来自百度文库； B. 平板式集热器技术上渐趋成熟； C. 太阳能吸收式空调取得进展； D. 太阳能热发电技术等的初步研究。
第二阶段(1973~1980年)：太阳能利用的发展热潮
E 太阳池发电技术
冷凝器
蒸发器
以色列20世纪80年代在死海建了一座功率5MW的太阳池发电站。
国际太阳能热发电进展与商业化
当前太阳能热发电技术分为如下类型：中央塔式、槽式、碟式、太阳烟囱、 太阳池。碟式发电系统即适合独立运行也可以模块组合，其容量从几十KW到 几百兆瓦。 1973年，第一次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。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20余座，其中主要形式是塔式电站，最大 发电功率为80MW。 目前，国际上碟式太阳能热发电也已经开始商业化运作，加州Solar One与 Solar Two电站合计850MW（二期达到1750MW)的运行，已经证明了碟式斯 特林系统技术上和经济上是可行的，具有强大的生命力。 美国、德国、西班牙等各国研究机构正在积极推进和发展高效、长寿命、高 可靠性的Solar/Gas混合的碟式斯特林（Dish/Stirling)发电系统，通过技术进 2013-8-14 32 步和规模化运作降低成本，进行商业化推广。