太阳能热发电原理

太阳能热发电原理王志峰中国科学院电工研究所2012年2月27日北京太阳能热发电的含义太阳能热发电是利用太阳能聚光器先将太阳辐射能转化为热能，然后经过各种方式转换为电能的技术形式。太阳能热发电包括：聚光太阳能热发电（CSP）、太阳能半导体温差发电、太阳能烟囱发电、太阳池发电和太阳能热声发电等。聚光太阳能热发电（CSP）是目前已经商业化大规模应用的技术形式。CSP是通过“光-热-功”的转化过程实现发电的一种技术形式，其在原理上和传统的化石燃料电站类似。二者最大的区别在于输入的能源不同，太阳能热发电采用的是太阳能：聚光器将低密度的太阳能转换成高密度的能量，经由传热介质将太阳能转化为热能，通过热力循环做功，实现到电能的转换。CSP的技术形式塔式槽式碟式/斯特林线性菲涅尔点聚焦技术：定日镜自动跟踪太阳，聚焦的阳光反射到位于塔顶的吸热器内。吸热器加热管内的传热介质，将太阳光能转变成热能，再通过热力循环实现发电。聚光比300-1000。系统综合效率高。吸热器类型：水/蒸气、熔盐、空气等。商业化初期的电站多使用水/蒸气作为工作介质（主要考虑到技术风险较小、结构相对简单）传热介质的工作温度范围在250～1200℃，可采用汽轮机或燃气轮机。西班牙PS10电站定日镜吸热器（1）塔式4（2）槽式线聚焦技术：采用抛物面槽式反射镜将太阳光聚集到位于焦线的吸热管上，加热管内的传热工质（油或水），然后经热交换器产生蒸汽驱动汽轮发电机组发电。聚光比在70-80之间；系统综合效率较低。吸热器内工作介质：合成油、水等，当前介质的工作温度一般在400℃以内。美国354MWSEGS电站建于上个世纪80年代，至今已运行20多年。美国SEGS槽式电站5槽式反射镜吸热管（3）碟式点聚焦技术：利用旋转抛物面反射镜，将入射阳光聚集在镜面焦点处，在该处可放置太阳能吸热器吸收热能加热工质驱动汽轮发电机组发电，也可放置太阳能斯特林发电装置或高倍比聚光光伏系统（CPV）直接发电。。聚光比1000-3000；系统效率高单机规模小，非常适合分布式发电。今年1月份全球首座商业化碟式斯特林系统在美国投入运行，总容量1.5MW，由60个单机25kW的系统组成。截至2010年10月，美国加州批准了总计1372.5MW的碟式斯特林电站项目。6（4）线性菲涅尔线聚焦技术：槽式系统的简化；平面镜代替抛物面型曲面镜，通过调整、控制平面镜的倾斜角度，将阳光反射到集热管上，加热内部工作介质，产生蒸汽驱动汽轮机做功发电。聚光比25-100；系统效率较低。镜场可布置非常紧凑，土地利用率高，初投资相对较低。目前在建最大规模为30MW电站，其中关键部件集热管由皇明公司出口供应。皇明公司2.5MW示范系统7反射镜集热管槽式塔式碟式菲涅尔式聚光比70-80300-10001000-300025-100可采用的动力循环模式郎肯循环1)郎肯循环2)布雷顿循环3)联合循环斯特林郎肯循环峰值系统效率21%(d)20%(d)29%(d)20%(p)35%(p)系统年均效率10-15%(d)10-16%(d)16-18%(d)9-11%(p)17-18%(p)15-25%(p)18%-23%(p)热循环效率30-40%ST30-40%ST30-40%SE30-40%ST45-55%CC20-30%GT容量因子24%(d)25-90%(p)25%(p)25-70%(p)25-90%(p)已建单机最大容量80MW20MW1.5MW(25kW×60)5MW各种CSP技术方式的性能（来源：DLR，2004）注：(d)=示范，(p)=预计，ST蒸汽轮机，CC联合循环，SE斯特林机，GT燃气轮机聚光集热子系统热-功-电转换子系统储热子系统CSP电站系统的基本组成白天工作模式1—直接发电聚光集热子系统热-功-电转换子系统储热子系统白天工作模式2—储热+发电聚光集热子系统热-功-电转换子系统储热子系统夜间工作模式—利用储热发电聚光集热子系统热-功-电转换子系统储热子系统CloudyDay(May3)0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%7:009:0011:0013:0015:0017:0019:00Time(hh:mm)SolarOutput(%MaximumOutput)PVSolarThermal13CSP&光伏发电的电力输出太阳能热发电输出电力相对平稳CSP优势——系统友好性、可控性系统友好性是指清洁能源在其开发、输送和使用的全过程中与电网、电源以及其它能源系统相适应、相协调的技术品质与特性。风能及光伏发电，其出力具有显著的间歇性和不确定性。并网运行后出力的剧烈变化将对电力系统实时平衡和稳定运行带来挑战。受电源结构制约，长期以来我国电力系统调峰能力一直不足。煤电装机占全国发电总装机的四分之三（其中供热机组又占了20%以上）。系统调峰问题将是影响制约我国能源结构调整和清洁能源发展的长期性问题。CSP电站可以储热，也可以利用化石燃料补燃；实现发电功率平稳、可控输出。可作为调峰电源；未来随着技术提升，可承担电力系统基础负荷。美国亚利桑那州电力负荷曲线聚光比、吸热器温度集热效率*透平效率马鞍点提高效率途径——聚光比与吸热温度的协同提高提高聚光比：塔式和碟式，其聚光比分别300-1000和1000-3000之间；槽式和菲涅尔式，其聚光比分别在70-80和25-100之间；二次聚光：第一次聚光比*第二次聚光比（10，000）提高吸热器的工作温度：传热介质(水、油、熔融盐、空气、离子液体、液态金属、固体材料)吸热窗口瞬时能量分布（2008.09.27,13:16）投入吸热器窗口能量随时间变化“材料——光学——热学”耦合辐射能量的非均匀、非稳定，传热条件恶化储热材料：水、油、熔融盐、离子液体、液态金属、无机非金属材料（陶瓷）、混合材料第19页国外CSP现状及发展趋势CSP市场现状Source:IEECAS208017560.9177.25403.5354355430490.9668.151071.65199020062007200820092010(MW)新增装机累计装机54.30%39.93%5.76%西班牙美国其它塔式3.6%槽式95.5%碟式0.1%菲涅尔式0.7%2010年底，全球累计商业化运行的CSP装机约1071MW，其中，主要市场在西班牙和美国；主要技术形式为槽式。目前全球在建装机容量超过2000MW，预计2013年全部并网发电。各国CSP规划美国：2010年8月-12月，加州能源局批准了总量达4242MW的CSP项目西班牙：太阳能热发电产业协会数据，共计1372MW热发电项目已经进行了申报登记。西班牙政府规定到2013年国内CSP装机实现2.5GW，产业协会的目标是2020年突破10GW。印度：根据国家太阳能计划，2022年印度太阳能光伏和光热装机容量要达到20GW。其中第一阶段（至2013年3月）的目标是，安装1100MW的并网太阳能电站，100MW屋顶光伏和小型太阳能电站，200MW的离网太阳能应用项目以及几百万平米的太阳能集热系统。目前第一批太阳能热发电项目招标已经结束。上网电价为0.32美元/kWh。摩洛哥：摩洛哥太阳能署正在进行热发电项目预招标，2012年在Quarzazate太阳能园区安装500MW太阳能电力，其中包括一座光伏电站。澳大利亚：13.65亿澳元的太阳能旗舰项目，包括4个大规模太阳能发电站（热发电和光伏各占一半），总预期装机容量为1GW。中国：50MW电站特许权招标2011年1月23日已经完成。2009年7月，12家大型公司在德国慕尼黑启动沙漠行动计划，计划投资4000亿欧元，通过在中东及北非地区建立一系列联网的太阳能热发电站，满足欧洲15%的电力需求以及电站所在国家的部分电力需求。2009年10月30，DII有限责任公司成立。目前公司股东数目从13家增至19家。2010年7月，欧洲能源官员表示在未来5年，欧洲将从北非进口第一批太阳能电力。马格里布国家目前正在投资兴建连接阿尔及利亚、摩洛哥以及突尼斯3个国家间的400kV输电线。欧洲沙漠行动计划(DII)亚太能源共同体-太阳带计划2009年10月，第一届亚洲-太平洋太阳带开发国际论坛在日本东京召开。-太阳能热发电-太阳能制取液态燃料或氢气谢谢！