太阳能辅助抽水蓄能发电技术的研究

太阳能辅助抽水蓄能发电技术的研究

摘要：基于槽式太阳能的基础上，建立了太阳能与抽水蓄能电站联合发电系统，设计与计算了其子系统的运行状况，理论分析了系统的经济性，本系统可以用于发电、海水淡化、环境保护，在技术和经济性上都具有研究使用以及推广的价值。

关键词：太阳能抽水蓄能电站经济性海水淡化环境保护Research on Power Generation Technology of Solar Assisted Pumped Storage

Abstract:On the basis of slot-type solar power,setting up co- generation system of the solar power and the pumped storage, which designing and calculating operation situation of its subsystem.This paper mainly analyzes the economy of this system, which has value of usage and promotion on technology and economy because this system can use for electricity generation , desalination and environment protection.

Key word:solar;pumped storage;economy;desalination;environment protection;

随着科技和经济的发展，世界对能源和淡水资源的需求日益增长，而传统的不可再生能源已面临枯竭，全球能源形势十分严峻[1]。传统能源的消耗造成环境污染和生态破坏，人类生存的环境压力变的

越来越大，促使世界各国开始研究新能源，将战略目光转向清洁能源的开发，太阳能是新能源的重要组成部分。近年来，为了提高太阳能的利用效率，国内外关于太阳能与化石燃料机组集成发电技术研究较多[2-6]。利用集热器收集的太阳能来代替从汽机里抽气来预热给水，实现温度对口应用，这种系统能使太阳能转化为电力的效率大大提升。针对这种技术，国内外研究人员对适用的循环、适用工质、做功装置、系统性能和经济性等进行了大量研究[7-9]。忽略了化石燃料相对来说越来越缺乏，而且对环境污染比较大。本文利用抛物面槽式集热技术收集太阳能，用来加热下水库的水来产生蒸汽，通过空气的浮力和负压来提高水的势能，和常规发电相比较，所需的蒸汽品质和温度的要求都低很多，对外部材质要求和长期使用提供了有利条件。在常规抽水蓄能水电站的基础上，合理集成太阳能热利用系统，组成太阳能辅助抽水蓄能水电站发电系统，是实现太阳能大规模利用和节能减排的一个有效途径，太阳能与抽水蓄能水电站集成方案的选取以及经济性的研究是其实施的重要基础。

1 太阳能辅助抽水蓄能电站发电系统

太阳能热发电与常规抽水蓄能机组都是用水作为中间能量的载体,组成太阳能辅助抽水蓄能机组系统的2子系统之间主要是通过共同的工质耦合到一起，图1给出了太阳能辅助抽水蓄能发电系统图，图中包含有以下几个部分。

(1)太阳能聚光系统

目前有多种太阳能聚光系统，太阳能聚光系统技术较成熟，拟采用现有的曹氏聚光器收集太阳能，在此基础上开发和利用太阳能。槽式太阳能集热器的主要部件包括：抛物面反射镜、吸收器、驱动系统和金属支撑结构。抛物面反射镜是一种线聚焦装置，真空集热管的轴线放置于抛物柱面的焦线上。外管材料为玻璃，内管材料一般为铜或钢，内管外表面涂有选择性吸收涂层。

(2)水的蒸发系统

热交换器采用管壳式热交换器，下管程流体和壳程流体互不掺混，只是通过管壁交换热量，为了提高管程流体的流速在热交换器一端封头里加一块隔板，构成两管程结构。开放式汽水分离器将产生的大量水蒸汽进入半开放式上升管中。

(3)半开放式上升管管道系统

半开放式上升管管道系统是输送蒸汽进入上水库的主要通道，通过内部环境与外界的压力差让蒸汽自动上升，是保证此发电系统的关键。

(4)蒸汽冷凝系统

采用喷水冷凝法进行冷凝，当蒸汽从蒸汽管道被输送到喷水冷却罩中，用抽水泵从水库中抽水，利用喷水管对喷水冷却罩内的蒸汽进行喷水，使蒸汽和水直接混合，得到大量的白雾和冷却水，在回旋风

机的作用下使白雾形成水滴混合冷却水通过出水槽重新流入上水库中。

(5)抽水蓄能水电站

抽水蓄能电站利用电力负荷低谷时的电能抽水至上水库，在电力负荷高峰期再放水至下水库发电的水电站。又称蓄能式水电站。它可将电网负荷低时的多余电能，转变为电网高峰时期的高价值电能，还适于调频、调相，稳定电力系统的周波和电压，且宜为事故备用，还可提高系统中火电站和核电站的效率[10]。抽水蓄能电站在抽水与发电过程中存在能量损失，抽水蓄能电站发电量小于抽水电量。有资料可循，抽水蓄能电站的能量损失接近总能量的四分之一，采用太阳能辅助抽水蓄能电站的研究可以节约用于抽水的电量，同时还能产生电能(图1）。

2 太阳能辅助抽水蓄能混合发电系统集成方案

2.1 太阳能集热面积的计算

太阳能辅助抽水蓄能发电系统是基于槽式太阳能的基础上提出来的。槽式太阳能集热器目前技术比较成熟，应用较广泛的一种太阳能收集装置，其在运行过程中，存在着多种能量损失，如(图2)所示，通过建立目标函数确定集热器的集热面积。

根据能量守恒定律，可以对金属管列出能量平衡方程，有：

式中：为太阳辐射强度，W/；为集热器抛物面反射镜开口面积，；为集热器的光学效率，金属管与玻璃管之间的辐射热损，；为玻璃管

与大气之间的辐射热损失，为导体吸收的有用能量，金属管与玻璃管之间的对流热损，根据能量守恒定律，可以对玻璃管列出能量平衡方程，有：

集热器热损失的大小可以用集热器热效率来表示。定义集热器热效率为：流体吸收的有用能量与投射到集热器反射镜上的太阳辐射能量之比。通过求解方程组，得到导热流体吸收的有用能量，则集热器热效率可以表示为：加热20℃的水使其变为100℃的水蒸汽所需热量，计算公式为：

式中：为热量，单位为kW；为水的气化潜热（1.01×105Pa下，100℃),2260kJ/kg；为水的质量流量，kg/s；为水的比热容，kcal/kg·K；为水的入口温度，K；为指热油的出口温度，K。

集热器吸收的热量即为上式所求，由槽式集热器热效率值为71.45%，取辐射强度值1043W/m2，则太阳能与抽水蓄能电站结合的技术需要的槽式集热器的面积公式为

2.2 喷水冷凝系统的设计与计算