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(北京)CHINAUNIVERSITYOFPETROLEUM《机械工程创新与实践》太阳能发电系统的创新设计院系名称：机械与储运工程学院专业名称：机械工程学生姓名：刘德才学号：2015214020导师：王德国完成日期2016年6月2日月刘德才：太阳能发电系统的创新设计太阳能发电系统的创新设计刘德才(中国石油大学(北京)北京200240)摘要：传统的光伏发电具有能量转化率低，占地面积大，成本高等不足，因此，涌现出了一些新的利用太阳能发电的新设计，本文详细介绍了塔式、槽式、碟式、太阳能热气流等新型太阳能发电系统的工作原理，并介绍了他们的应用情况和研究现状，分析对比了各类型太阳能发电系统的优缺点。结果表明，塔式太阳能热发电系统聚光比高，系统容量大、效率高，但费用昂贵；槽式太阳能热发电系统结构简单，但聚光比小，系统工作温度较低；碟式太阳能热发电系统聚光比大，系统效率高，结构紧凑，安装方便，但其核心部件斯特林发动机加工制造技术难度较大；太阳能热气流发电等太阳能热发电等在技术上各有优势。关键词：太阳能热发电塔式碟式槽式太阳能热气流TheCreativeDesignofSolarPowerSystemLIUDecai(ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing200240)Abstract：TraditionalPVhasanenergyconversionrate,largearea,highcostisinsufficient,andtherefore,theemergenceofsomenewdesignofthenewuseofsolarpower,Thispaperdescribestheworkingprincipleofthetowertype,troughtype,dishtype,solarenergyhotgasflowtype,andsolarenergypoolfivemaintypesofsolarpowergenerationsystemanddescribestheirapplicationandresearchstatus,analysisandcomparisonofthevarioustypesofadvantagesanddisadvantagesofsolarpowersystems.Theresultsshowedthatconcentratingsolarthermalpowertowersystemishigh,thesystemcapacity,highefficiency,buttheyarecostly;simpletroughsolarthermalpowergenerationsystemarchitecture,theconcentrationratioissmall,lowersystemtemperatures;dishsolarthermalpowergenerationsystemsconvergingratio,highsystemefficiency,compact,easytoinstall,butthelargerthecorecomponentsoftheStirlingenginemanufacturingtechnicaldifficulty;thesolarenergyhotgasflowpowergenerationintechnologyhavetheirownadvantages.Keywords：solarenergythermalpowergenerationtowertypedishtypetroughtypesolarenergyhotgasflow0前言*121世纪，全人类都面临着同样的能源问题。当面临全球污染严重、常规能源近乎枯竭，又急需大量能源的双重矛盾时，全人类达成了共识:依靠科技进步，大规模开发利用太阳能、风能、生物质能等可再生清洁能源。近年来太阳能热发电在欧美快速发展，已建成了很多太阳能发电站，并达到并网发电的实际应用水平。太阳能热发电是将太阳光聚集并将其转化为工作流体的高温热能，通过常规的热机或其它发电技术[1]。太阳能热发电主要有塔式、槽式、碟式、太阳能热气流和太阳能池热发电５种类型。太阳能热发电是解决未来电力需求问题的一条重要途径。1塔式太阳能热发电1.1技术特点塔式太阳能热发电系统工作原理是利用定日镜将太阳光集中在１个高的建筑物顶端的吸热器上，热量传递给热传导工质，高温蒸汽带动蒸汽涡轮发电机发电。该发电系统主要由定日镜、吸热与热能传递系统、发电系统３部分组成（图1、图2）。[2]月刘德才：太阳能发电系统的创新设计图1塔式太阳能热发电聚焦示意图2塔式太阳能热发电系统塔式太阳能电站的聚光比一般在300~1500，远高于槽式，但小于碟式。由于塔式太阳能电站定日镜数量较多，因此可实现高温、大功率发电，装机容量可达到30~400MW，运行温度可高达到1000℃以上。虽然塔式太阳能电站的聚光效率受余弦损失影响，但是可通过提高工质温度和单机容量来提高单机效率，故塔式系统整体效率高于槽式系统。塔式太阳能热发电系统接收器散热面积相对较小以及运用了储能槽，使其有较高的光电转换效率。塔式太阳能热发电的参数可与高温、高压火电站一致，这样不仅使太阳能电站有较高的热效率，而且也容易获得配套设备。但是，塔式太阳能热发电建设费用昂贵，尤其是定日镜场，每块镜面所需要的跟踪定位机构价格昂贵，定日镜的投资占整个项目投资的一半甚至更高[3]。1.2应用与研究现状塔式太阳能热电站在西班牙已经得到大规模应用并取得了很好的效果，典型塔式太阳能热电站如表1[4]所示。表1塔式太阳能热电站项目名称投运年传热工质蓄热工质功率/kW西班牙SSPS1981液钠钠500西班牙CESA-11983水蒸气熔盐1000美国MSEE1984熔盐熔盐1000西班牙TSA1993空气陶瓷1000西班牙PS102007水蒸气水蒸气11000中国南京2005空气空气70从上表可以看出，中国塔式太阳能热电站的技术水平和功率远远落后于欧美等发达国家。电站容量越大，定日镜的镜面面积越大，这就要求定日镜具有足够的结构强度、刚度和稳定性。电站容量越大，定日镜场占地面积越大，远距离定日镜跟踪系统的精度直接影响反射到塔顶吸热器的光斑准确性，以致影响吸热器的集热温度，乃至电站的发电效率[5]。所以，研制高反射率、耐腐蚀、耐磨损及结构强度良好的定日镜、开发远距离高精度的跟踪系统、优化定日镜场的布置、控制整个定日镜场的成本至关重要[6]。储热技术的难点包括储热工质及其传输系统；熔融盐的制备技术及热物理特性研究；储热传热单元设备管道系统的预热保温、疏通融堵技术；高温熔盐泵的研制、要求能在600℃以上工作温度下长期稳定工作的大流量熔盐输送泵。熔融盐储热系统的高温分解和腐蚀使系统的可靠性降低，熔盐管道和储罐在低温下需要保温及预热，增加了系统难度和电耗。太阳能光热发电所用汽轮机与传统火电机组的汽轮机不同，它要具备适应频繁启停的能力。频繁启停会产生转子应力，引起汽轮机金属疲劳，降低机组的安全性和使用寿命。每次启动都是一个加热过程，对叶片等各个承压部件会造成较大压力，这就需要光热发电用的汽轮机组件具备更好的性能。传统火电的汽轮机可以在稳定的蒸汽流量下维持连续性满负荷运转长达数月，而光热电站受太阳辐照强度的影响，蒸汽流量时有变化，汽轮机须能应对蒸汽流量波动对其造成的影响。1.3技术发展前景(1)大容量和高参数塔式太阳能热发电技术相对其它太阳能热发电方式的优势在于大规模发电成本最低。在不超过临界点的情况下，规模越大，工作介质参数越高，系统效率越高，经济性越好。在塔式太阳能热发电规模化上有两种技术方案：一是模块化、多塔组合，另一种是增大单塔的容量。由于影响因素较多，两种方案孰优孰劣在理论上尚未有结论，还须要在工程实践中摸索。(2)与传统火电机组的互补塔式太阳能热发电系统与燃煤机组互补是太阳能热发电的一个重要发展方向。燃煤机组的可调整性可以弥补太阳能的间歇性，降低了太阳能镜场的铺设面积，大大降低太阳能热发电的投资和风险。当前，太阳能热发电系统和燃煤机组互补主要有两种集成方式：直接蒸汽产生系统和间接换热蒸汽产生系统。直接蒸汽产生系统中循环工质直接引入太阳能集热器场，利用太阳能加热，产生蒸汽或热水，其工质参数要求不高于400℃/10MPa；间接换热蒸汽产生系统中，循环工质由太阳能间接加热，通过中间介质传递热量。工质参数可达到375℃[7](3)与其它清洁能源发电方式相结合太阳能集热系统与其它常规电站或联合循环电站结合起来，即为整体化太阳能电站（Inte-grated月刘德才：太阳能发电系统的创新设计solarcombinecyclesystem，ISCCS）。平时，ISCCS最大化地利用太阳能发电，在夜间或太阳辐射强度较小时用一定比例的常规发电方式弥补太阳能发电的不足，一般都以天然气、地热能及生物质等作为后备热源。华能集团清洁能源研究院研发建造的线性菲涅尔太阳能热发电系统就是利用华能南山电厂现有燃气轮机进行联合循环发电的。(4)拓宽应用新领域除发电之外，塔式太阳能热发电技术还可应用到辅助石油萃取、供暖及海水淡化等其它新的应用领域。美国雪佛龙在加州的科林加油田把塔式太阳能集热系统加热产生的水蒸气应用于重油的开采。该系统拥有日光反射镜7000多面，定日镜场占地26万平方米，聚光塔高100m，每小时可将350桶蒸汽输入地下，增产石油5%。2槽式太阳能热发电2.1技术特点槽式系统(图3、图4)将由抛物线槽式聚光镜、集热管等构成的大量槽式太阳能聚光集热器(以下简称槽式集热器)布置在场地上，再将这些槽式集热器加以串、并联，抛物线槽式聚光镜采用单轴跟踪方式追踪太阳运动轨迹，将直射太阳辐射聚焦到位于抛物线焦线的集热管上，集热管中的传热工质被加热到400℃左右用以产生高温高压蒸汽，从而推动汽轮发电机组发电。图3槽式太阳能热发电系统图4槽式太阳能热发电系统工作原理槽式热发电系统结构简单，集热器等设备均分布在地面上，安装维修方便；聚光器、集热器可以同步跟踪，跟踪代价大为降低；系统容量无限制。但是，其聚光较低，吸热器散热面积较大，故集热器所能达到的介质工作温度≤400℃；管道系统复杂，热量及阻力损失较大，降低了系统的净输出功率和效率；难以实现双轴跟踪，致使余弦效应对光的损失每年平均达到30%[8]；线型吸热器表面无法进行绝热处理，辐射损失随温度的升高而增加2.2应用与研究现状槽式系统作为商业化程度最高的太阳能热发电系统，从1980年美国与以色列联合组建的LUZ公司研制开发槽式线聚焦系统开始，至今已经发展了近30年。槽式太阳能热电站典型代表如表2所示。表2槽式太阳能热电站地点投运年装机容量/MW循环类型日本四国香川县19811.0蒸汽循环美国加州莫汉夫沙漠1985~1991353.8蒸汽循环西班牙DISS1996~19992.0DSG以色列2001100.0蒸汽循环美国南部2006100.0蒸汽循环美国内华达州200664.0蒸汽循环1985年，LUZ公司在美国加利福尼亚州建立了第1座槽式太阳能热发电站(槽式电站)SEGSⅠ，实现了槽式技术的商业化运行。SEGSⅠ－Ⅸ槽式电站已经成为了世界许多国家研究槽式技术的模型和样例，是槽式技术具有里程碑意义的代表作，具有深远的影响力。与国外相比较，我国槽式技术起步较晚。还处于科研试验阶段，中科院工程热物理在我国这一领域处于领先。德国Schott公司对槽式太阳能热发电系统的高温真空管进行了改进，在局部增加了太阳辐射反射圈，并使真空管有效利用长度大于96％，且调整了相关玻璃材料配方。传统槽式系统的工质为导热油，导热油工质被加热后，流经换热器加热水产生过热蒸汽，借助于蒸汽动力循环推动常规汽轮发电机组发电，虽然技术成熟，但是导热油工质本身存在很多缺陷，因此出现了DSG槽式系统，该系统直接加热集热管中的水，由于DSG槽式系统运行中集热器内存在水－水蒸气两相流转化过程，因此，其控制