基于AMTEC的碟式太阳能热发电系统的可行性研究

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第 1 期 肖 兰 , 等 : 基于 AM TEC 的碟式太阳能热发电系统的可行性研究
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统通过分离式高温热管耦合在一起 , 高温热管的 冷凝段也即为 AM TEC 回路的蒸发段 , 且高温热 管和 AM TEC 回路中的工质均可采用碱金属钠 。 显然 , 该系统的总体热电转换性能分别由碟式太 阳能集热系统的热性能和 AM TEC 的热电转换性 能决定 。
Qu = Qr - Ql
(4)
图 1 以气态钠为工质的 AM TEC 工作原理图 Fig11 Working principle of AM TEC wit h sodium va2
por as working fluid
2 基于 AM TEC 的碟式太阳能热发 电系统
如图 2 (a) , ( b) 给出了基于 AM TEC 的碟 式太阳能热发电系统的示意图 , 其中图 2 (a) 中 AM TEC 回路动力由电磁泵提供 , 图 2 ( b) 中的 AM TEC 回路动力则由毛细泵提供 。从图中可看 出 , 碟式太阳能集热系统和 AM TEC 热电转换系
0 引 言
太阳能热发电作为人类开发和利用太阳能资 源的主要方式之一 , 目前常用的系统有以聚光型 加热的槽式线聚焦系统 、用定日镜聚光的塔式系 统和采用旋状抛物面聚光镜的点聚焦 - 斯特林 (stirling) 碟式系统 。已有的三种聚光型太阳能
收稿日期 : 2009208207.
热发电 系 统 都 用 热 机 和 发 电 机 来 实 现 能 量 的 转 换 , 在槽式和塔式系统中用的是传统的蒸汽轮机 作原动机 , 这样的系统只有在大容量发电的场合 才能获得良好的技术经济指标 ; 而配以斯特林发 电机的抛物面碟式太阳能热发电系统则有比较优 良的性能指标 , 现有研究结果表明 , 碟式斯特林 系统光学效率高 , 跟踪误差低 , 启动损失小 , 光 热转换效率高达 85 %左右 , 在三类系统中位居首 位 , 也是目前利用太阳能热发电效率最高的太阳 能热发电系统 , 其热发电效率最高可达到
(重庆大学 动力工程学院 , 重庆 400044)
摘要 : 提出一种基于 AM TEC 的碟式太阳能热发电系统 , 该系统通过分离式热管把碟式太阳能集热系统和碱 金属热电转换器 (AM TEC) 耦合起来 。以碟式太阳能集热系统的热性能以及 AM TEC 的热电转换性能为基 础 , 对提出的基于 AM TEC 的碟式太阳能热发电系统的性能进行了初步分析 。结果表明 , 在一定的参数条件 下 , 该系统的总体热电转换效率达到 2016 % , 该系统在碟式太阳能热发电系统中具有一定的竞争力 。最后指 出了需进一步解决和研究的问题 。 关键词 : 碟式太阳能集热器 ; 碱金属热电转换器 ; 太阳能热发电 ; 可行性分析 中图分类号 : T K514 文献标识码 : A 文章编号 : 1007 - 2691 (2010) 01 - 0053 - 04
式中 : 入射到接收器的能量 Q r 取决于集热器的 光学效率ηo , 即
ηo = Q r/ Qs
(5)
吸热器效率 ηr 定义为
ηr = Q u/ Q r
(6)
图 2 基于 AM TEC 的碟式太阳能热发电系统 Fig12 Parabolic dish/ AM TEC solar t hermal power
Qs 之比 , 如图 3 所示 。即
ηc = Q u/ Qs
(2)
如果碟式集热器的采光口面积为 A a , 太阳
能的能流密度为 qs , 则
Qs = qsA a
(3)
在稳态情况下 :
第 37 卷第 1 期 2010 年 1 月
Journal
of
华北电力大学学报 Nort h China Electric Power
U niversit y
Vol137 ,
Jan1 ,
No11 2010
基于 AM TEC 的碟式太阳能 热发电系统的可行性研究
肖 兰 , 吴双应 , 李友荣
1 AM T EC 工作原理
碱金属热电转换器是以β″氧化铝固体电解质 (Beta″Alumina Solid Elect rolyte , BASE) 为离子 选择性渗透膜 , 以液态或气态碱金属为循环工质 的高效面积型热电能量直接转换装置 , 热电转换 效率理论上可达 30 ～ 40 %。目前一般用 Na BASE 为阳离子选择性导体 。AM TEC 适用于太 阳能 、核能 、化石能等多种形式的热源 。不论在 地面还是空间 , 都有很好的应用前景 , 特别是作 为地面分布式电源 , 在国内外已引起了广泛的关 注 。图 1 为一个以气态钠为工质的 AM TEC 工作
Abstract : This paper proposedຫໍສະໝຸດ Baidua parabolic dish/ AM TEC solar t hermal power system , which is a combined system in which a parabolic dish solar collector is cascaded wit h an alkali metal t hermal to electric converter (AM TEC) t hrough a coupling heat exchanger. A separate type heat - pipe receiver was selected to isot hermally transfer t he solar energy from t he collector to t he AM TEC. The system’s overall t hermal - electric conversion performance was analyzed based on t he t hermal performance of solar dish collector , and t hermal - electric conversion performance of AM TEC. Results show t hat t he overall conversion efficiency of parabolic dish/ AM TEC system could reach up to 2016 %. The parabolic dish/ AM TEC solar power system exhibits a great potential and competitiveness over ot her solar dish/ engine systems. Finally , t he issues needed to be furt her studied were presented. Key words : solar dish collector ; AM TEC ; solar t hermal power system ; feasibility analysis
Feasibility analysis on a parabolic dish/ AM TEC solar t hermal power system
XIAO Lan , WU Shuang2ying , L I You2rong
(College of Power Engineering , Chongqing University , Chongqing 400044 , China)
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华 北 电 力 大 学 学 报 2010 年
2914 %。然而 , 应当指出的是 , 传统的碟式太阳 能热发电系统中的斯特林发电机需要用氢或氦作 工质 , 工作压力高达 150 个大气压 , 增加了斯特 林发动机的制造难度 , 目前在我国还缺乏成熟的 斯特林热机的制造技术 , 从国外进口又受到国外 高技术出口的限制 , 因此 , 斯特林碟式太阳能热 发电系统在我国的发展受到严重的技术阻碍而进 展缓慢 ; 不仅如此 , 所有这些带有运动部件的系 统都包含了可观的维护工作量和必须的运行维护 费用 ; 以上也是造成目前的碟式太阳能热发电系 统的初投资和运行成本较高的原因之一 。于是 , 有相关学者提出了把无运动部件 、无声而且不需 维护的直接发电器件来替代上述能量转换部件的 思路 。中国科学院电工研究所于 2004 年 6 月 10 日在北京通县高温实验场成功地实现了太阳能聚 光热发电的实验 。这是我国首次采用碟式太阳能 聚光技术进行的太阳能热发电 。该项目的热电转 换部分尝试使用了热电转换材料 , 这在世界上属 于首次 。这说明采用直接发电器件实现高效率点 聚焦太阳能热直接发电是完全可行的 。碱金属热 电转换器 (Alkali Metal Thermoelect ric Converter , AM TEC) 作为直接发电器件中的一种 , 除了无 运动部件 、无声 、无需维护 、工作可靠和高效洁 净之外 , 而且它还是一种低电压面积型器件 , 功 率密度高 ; 可以靠模块组合构成不同规模的发电 装置 , 而且能量转换效率与装置容量无关 , 因而 颇受人们的关注 。如果把点聚焦一斯特体系统中 的斯特林发动机/ 发电机组以碱金属热电转换发 电器件取而代之 , 那么就构成了点聚焦碟式太阳 能热直接发电系统 。本文则提出一种通过分离式 热管耦合的基于 AM TEC 的碟式太阳能热发电系 统 , 并对其可行性进行分析和研究 。
原理图 。温度为 T1 (400～700 K) 的液态钠从 冷凝器 由 电 磁 泵 或 毛 细 管 吸 液 芯 驱 动 进 入 蒸 发 器 , 蒸发器从热源吸收热能使液态钠气化并进入 高温区 , 温度升高到 T2 (900～1 300 K) 。高温 气态钠在多孔薄膜阳极与固体电解质的界面处发 生电离 : Na →e + Na + 。由于β″氧化铝固体电解 质是一种阳离子电导率很高而电子电导率很低的 固体电解质 , 从而具有离子选择性渗透膜的功 能 。因此 , 由 BASE 两侧钠蒸气压力差决定的化 学势梯度驱使 Na + 穿过β″氧化铝固体电解质 , 向低压 侧 的 固 体 电 解 质 与 多 孔 薄 膜 阴 极 界 面 迁 移 , 而电子则在多孔薄膜阳极与固体电解质的界 面处积聚 。当外电路接通时 , 电子经负载到达多 孔薄膜阴极 , 在 BASE 多孔薄膜阴极界面与钠离 子复合成中性钠原子 , Na + + e →Na 。钠原子吸 收气化热而蒸发 , 以气相到达冷凝器表面 , 释放 出凝结热 。凝结的钠 , 由电磁泵或毛细吸液芯结 构驱动进入蒸发器 , 以循环使用 。因此 , 碱金属 热电转 换 器 只 要 求 聚 光 镜 焦 斑 处 的 温 度 不 低 于 900 K 就能实现高效发电 , 而碟式太阳能聚光吸 热系统能提供 600～2 000 ℃的高温 , 这一温度正 好与碱 金 属 热 电 转 换 器 能 高 效 发 电 所 要 求 的 一 致。
system
3 初步性能分析结果
如前所述 , 碟式太阳能热发电系统的总体热
电转换效率为
ηoverall = ηηc AM TEC
(1)
式中 : ηc 和ηAMTEC分别为碟式太阳能集热系统的 热效率和 AM TEC 的热电转换效率 。而碟式太阳
能集热系统的热效率 ηc 定义为集热器所吸收的 有用能量 Q u 与照射到碟式集热器上的太阳能量