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太阳能光热发电（CSP）基础知识学习2020年1月3日星期五目录123456光热发电概述槽式光热发电塔式光热发电碟式光热发电菲涅尔式光热发电总结讨论目前利用太阳能发电的两种基本方式太阳能热发电太阳能光伏发电太阳能热能发电太阳能热动力发电概述太阳能热发电是先将太阳能转化为热能，再将热能转化成电能，它有两种转化方式：一种是将太阳热能直接转化成电能，如半导体或金属材料的温差发电，真空器件中的热电子和热电离子发电，碱金属热电转换，以及磁流体发电等。（不是光伏）另一种方式是将太阳热能通过热机（如汽轮机）带动发电机发电，与常规热力发电类似，只不过是其热能不是来自燃料，而是来自太阳能。聚光太阳能发电（ConcentratingSolarPower，缩写CSP），准确表述应是“聚光太阳能热发电”，俗称“光热发电”，指使用辐射能汇聚装置，聚焦太阳的辐射能，加热工质，通过工质输送热能做功推动发电机的发电方式。概述太阳能热发电系统工作原理太阳能热发电系统与火力发电系统的工作原理基本上相同的。根本区别在于热源不同。集热器收集太阳能转变为热能直接转变为电能转化为蒸汽驱动发电机太阳能热发电系统组成典型的太阳能热发电系统由4部分组成：集热子系统热传输子系统蓄热与热交换子系统发电子系统蓄热子系统：由于太阳能受季节、昼夜和气象条件的影响，为保证发电系统的热源稳定，需设置蓄热装置。蓄热低温（100℃）中温（100~500℃）高温（500℃）极高温(1000℃左右)蓄热材料水化盐导热油熔化盐氧化锆耐火球槽式光热发电抛物面槽式88塔式光热发电塔式塔式塔式电站PowerTowers塔式电站用一个中心吸收器取代火力发电站的锅炉。吸收器利用由许多反射镜聚集的阳光把其中的介质(如水)加热，并产生温度和压力都相当高的蒸汽。蒸汽驱动汽轮发电机组发电。塔式电站的聚光倍数高(1000～3000)，其介质工作温度通常大于350℃，因此通常被称为高温太阳能热发电。塔式电站的优点是聚光倍数高，容易达到较高的工作温度；能量集中过程由反射光一次完成，方法简捷有效；吸收器散热器面积相对较小，光热转换效率高。但塔式电站建设费用高，其中反射镜的费用占50%以上。太阳能塔式电站的总体效率可以达到20%。目前世界上较大的太阳能塔式电站功率已达到10MW，太阳能辐射通过多个反射镜聚集到放置在高塔顶的中心吸收器上。计算机控制每块反射镜都能独立的根据太阳的位置来调整各自的方位和倾角，这保障了每块反射镜都能随时把太阳能反射到吸收器上，但这无疑增加了成本。塔式电站的致命缺点是太阳能电站规模越大，反射镜阵列的占的面积越大，吸收塔的高度也要提升。例如，一个计划中的1MW的塔式电站，要用2.93万块反射镜，单镜面积为30m2。这些反射镜布置在3km2的场地上，塔的高度为305m。IVANPAH（美国）392MW延庆1MW光热电站集热塔延庆1MW光热电站反射镜延庆1MW光热电站效果图碟式光热发电碟式斯特林菲涅尔式光热发电线性菲涅尔式线性菲涅尔式光热发电工作原理类似槽式光热发电，只是采用菲涅尔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，因此加热的水蒸汽质量不高，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。斯特林发电机SchematicofaStirlingsystemSchematicofaDish/Stirlingsystem斯特林发动机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％的世界转换效率纪录碟式斯特林系统在中国商业化推广的主要瓶颈在于斯特林发动机的开发聚焦到太阳能接收器的太阳能，其峰值转换效率为31.25%。SES公司拥有将太阳能转换为商业网络电力31.25%的世界转换效率纪录。汽轮机和空冷岛塔式电站和碟式抛物镜集热器分散布置式电站均为点聚焦，聚光倍数高达500以上。但塔式电站的跟踪代价高，碟式电站的能量集中代价大，二者受到了目前技术水准的限制，实现商业化尚需时日。槽式电站是线聚焦，聚光倍数小于100。但槽式电站跟踪精度低，导致控制代价小，同时采用管状吸收器，工作介质受热流动同时集中能量。槽式电站的总体代价相对小，经济效益相对提高，所以目前槽式电站发展迅速。塔式、槽式和碟式三种电站技术比较光热发电技术比较优点缺点槽式同步跟踪降低跟踪控制代价，成本低；具有商业化运行经验。中、高温过程，可以蓄热储能、联网发电运行。管道系统比塔式复杂得多，热量及阻力损失大，真空管破损更换增加成本。塔式采用高温熔融盐蓄热储能，聚光比高，易达到较高工作温度；接收器散热面积相对较小。技术复杂，投资较大，发电成本高，配套设备还不成熟。蝶式热力发电效率高，单台装置可独立运行，也可进行模块化组合，自动化控制性好，维护量少；建设周期短，运行成本低。造价昂贵，商业化可行性需要证实。菲涅尔式集热管固定，连接简单，反射镜为平面镜，便于制造与清洗，同时近地安装，风阻小；直接产生蒸汽，参数高；造价相对便宜。投运机组少，效率不够高，储能时间较小。发电方式塔式槽式碟式规模10MW～20MW30KW～320KW5KW～25kW运行温度/℃500～1000260～400500～1500聚光方式平凹面反射镜抛物面反射镜旋转对称的抛物面反射镜跟踪方式两轴跟踪单轴跟踪两轴跟踪聚光倍数600～10008～80200～3000光热转换效率/%607085年净效率/%7～2011～1612～25发展状态提供高温过程热，可联网发电运行。处于实验示范阶段，最大容量10MW提供中温过程热，可联网发电运行。商业化阶段，最大容量80MW。提供高温过程热，分散独立运行。处于实验示范阶段，独立系统容量小于50MW。优点长远看前景很好，效率高，可以通过开发定日镜及其跟踪方式和蓄热来降低成本。跟踪装置简单，投资成本低，有商业化运行的经验。较高的转化效率，可以独立运行也可以集成使用，具有高效、模块化和组成混合发电系统的能力缺点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。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。造价昂贵，没有商业化的与碟式聚光器配合的Stirling机。太阳能聚光热发电技术比较三种类型太阳能热发电系统主要性能参数参数塔式系统槽式系统碟式系统年容量因子/%峰值效率/%20～772323～50202524商业化情况示范阶段可商业化试验样机阶段技术开发风险中低高可否储能可以有限制蓄电池可否组成混合系统可以可以可以成本美元/㎡美元/W美元/Wp475～2004.4～2.52.4～0.9630～2754.0～2.74.0～1.33100～320012.6～1.312.6～1.1国内外典型工程案例光热发电吸引了各路资本的关注。业内普遍对光热发电的前景看好，并且兴建了大批电站，典型项目如下：★美国Ivanpah电站（392MW）和新月沙丘电站（110MW）★浙大中控德令哈50MW塔式光热电站★首航节能敦煌110MW塔式光热电站★龙腾太阳能内蒙古乌拉特中旗600米1.6MWth槽式回路★兰州大成200kW槽式光热发电示范项目★北京延庆八达岭1MW塔式太阳能发电站北京延庆八达岭1MW塔式太阳能发电站2012年8月9日下午13:18分，位于北京延庆八达岭地区的我国首个光热发电示范项目——1MW塔式光热发电示范项目电站首次全面运行发电实验成功。该项目总投资1.2亿元，于2006年启动。这是我国光热发电产业发展史上具有里程碑意义的标志性事件。发电装机容量1MW；定日镜场采光面积10,000平米；吸热塔高118米；传热介质为水/蒸汽；储热介质为饱和蒸汽和导热油；2.35MPa,390℃蒸汽轮机发电。2011年7月17日产汽，2012年8月9日发电。美国这两座电站，在光热发电产业发展上具有重要意义。Ivanpah电站为全球最大的光热电站，该电站于2013年12月31日开始首次投入商业运营；CrescentDunes（新月沙丘）为全球最大的熔盐塔式电站，该电站于2014年2月12日开始进入调试阶段。两大电站的建成投运开启了塔式光热发电技术的新纪元。★美国Ivanpah电站（392MW）和新月沙丘电站（110MW）★浙大中控德令哈50MW塔式光热电站中控太阳能公司投资建设，总装机容量为50MW，是中国第一座商业化运营的太阳能热发电站。项目场址位于青海省海西州德令哈市西出口太阳能工业园区。项目一期10MW工程于2013年7月5日成功上网发电，并实现连续、稳定运行。★中控太阳能德令哈10MW塔式光热电站投资数据该项目预计总投资9.96亿元，为50兆瓦塔式光热发电项目。一期10兆瓦采用DSG技术，总投资额2.1亿元，包括与50兆瓦装机配套的公用设施建设。该工程共建设6个热功率为40MW的镜场和吸热塔，1套熔融盐蓄热系统，1套蒸汽发生器系统，1套汽轮发电机系统以及辅助发电系统；全场共设置定日镜217440面，每个镜场设置36240面，每面镜子2平米；吸热塔高度80m。★首航节能敦煌110MW塔式光热电站该项目规划装机规模100MW+1*10MW塔式光热电站，一期的1*10MW高温高压凝气式汽轮机发电机组，带15小时熔盐储热，总投资4.4亿元。★首航节能中广核德令哈50MW槽式项目中广核德令哈50MW槽式光热电站是中国首个开工的大规模商业化光热发电项目，为亚开行低息贷款项目且面向全球招标，此次中标后，结合正在敦煌建设的110MW塔式熔盐光热电站，这将使首航光热成为中国唯一一家同时拥有商业化塔式和槽式光热电站EPC能力和业绩的公司。★首航节能天津1MWt槽式项目该项目由首航光热公司在天津市建设完成，展示了首航光热公司具有槽式电站项目的设计、制造、采购、建设、测试、运行维护等能力。★兰州大成200kW槽式光热发电示范项目该项目规模为各200kW电功率的槽式和线性菲涅尔式光热发电项目；由两组各150m槽式聚光集热回路和两组各96m长线性菲涅尔聚光集热回路构成。项目于2012年5月9日下午并网发电。★龙腾太阳能内蒙古乌拉特中旗600米1.6MWth槽式回路该项目为常州龙腾太阳能热电设备有限公司建设的槽式示范回路；2013年6月，该示范回路实现了商业电站典型工况下的稳定运行。