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太阳能光热发电原理及市场现状分析


    太阳能光热发电是指利用大规模阵列抛物或碟形镜面收集太阳热能,通过换热装置提供蒸汽,结合传统汽轮发电机的工艺,从而达到发电的目的。采用太阳能光热发电技术,避免了昂贵的硅晶光电转换工艺,可以大大降低太阳能发电的成本。而且,这种形式的太阳能利用还有一个其他形式的太阳能转换所无法比拟的优势,即太阳能所烧热的水可以储存在巨大的容器中,在太阳落山后几个小时仍然能够带动汽轮发电。
原理
  太阳能光热发电的原理是,通过反射镜将太阳光汇聚到太阳能收集装置,利用太阳能加热收集装置内的传热介质(液体或气体),再加热水形成蒸汽带动或者直接带动发电机发电。
系统形式
  一般来说,太阳能光热发电形式有槽式、塔式、碟式(盘式)、菲涅尔式四种系统 。
槽式
  槽式太阳能热发电系统全称为槽式抛物面反射镜太阳能热发电系统,是将多个槽型抛物面聚光集热器经过串并联的排列,加热工质,产生过热蒸 汽,驱动汽轮机发电机组发电。
20世纪80年代初期,以色列和美国联合组建了LUZ太阳能热发电国际有限公司。从成立开始,该公司集中力量研究开发槽式太阳能热发电系统。从1985年-1991年的6年间,在美国加州沙漠相继建成了9座槽式太阳能热发电站,总装机容量353.8MW,并投入网营运。经过努力,电站的初次投资由1号电站的4490美元/KW降到8号电站的2650美元/kW,发电成本从24美分/KWh降到8美分/KWh。
建于西班牙的Acurex槽式太阳能热发电系统,借助槽形抛物面聚光器将太阳光聚焦反射到接收聚热管上,通过管内热载体将太阳光聚焦反射到接收聚热管上,通过管内热载体将水加热成蒸汽,推动汽轮机发电。作为太阳能量不足时的备用,系统配备有一个辅助燃烧炉,用天然气或燃油来产生蒸汽。要提高槽式太阳能热发电系统的效率与正常运行,涉及到两个方面的控制问题,一个是自动跟踪装置,要求使得槽式聚光器时刻对准太阳,以保证从源头上最大限度的吸收太阳能,据统计跟踪比非跟踪所获得的能量要高出37.7%。另外一个是要控制传热液体回路的温度与压力,满足汽轮机的要求实现系统的正常发电。针对这两个控制问题,国内外学者都展开了研究,取得了一定的研究进展。
  德州华园新能源应用技术研究所与中科院电工所、清华大学等科研单位联手研制开发的槽式太阳能中高温热利用系统,设备结构简单、而且安装方便,整体使用寿命可达20年,可以很好的应用于槽式太阳能热发电系统。由于太阳能反射镜是固定在地上的,所以不仅能更有效地抵御风雨的侵蚀破坏,而且还大大降低了反射镜支架的造价。更为重要的是,该设备技术突破了以往一套控制装置只能控制一面反射镜的限制。采用菲涅尔凸透镜技术可以对数百面反射镜进行同时跟踪,将数百或数千平方米的阳光聚焦到光能转换部件上(聚光度约50倍,可以产生三、四百度的高温),改变了以往整个工程造价大部分为跟踪控制系统成本的局面,使其在整个工程造价中只占很小的一部分。同时对集热核心部件镜面反射材料,以及太阳能中高温直通管采取国产化市场化生产,降低了成本,并且在运输安装费用上降低大量费用。 这两项突破彻底克服了长期制约槽式太阳能在中高温领域内大规模应用的技术障碍,为实现太阳能中高温设备制造标准化和产业化规模化运作开辟了广阔的道路。
塔式
  1973年,世界性石油危机的爆发刺激了人们对太阳能技术的研究与开发。相对于太阳能电池的价格昂贵、效率较低,太阳能热发电的效率较高、技术比较成熟。许多工业发达国家,都将太阳能热发电技术作为国家研究开发的重点。从1981-1991年10年间,全世界建造了装机容量500kW以上的各种不同形式的兆瓦级太阳能热发电试验电站余座,其中主要形式是塔式电站,最大发电功率为80MW。由于单位容量投资过大,且降低造价十分困难,因此太阳能热发电站的建设逐渐冷落下来。
但对塔式太阳能热发电的研究开发并未完全中止。1980年美国在加州建成太阳I号塔式太阳能热发电站,装机容量10MW。经过一段时间试验运行后,在此基础上又建造了太阳II号塔式太阳能热发电站,并于1996年1月投入试验运行。
盘式
  盘式(又称碟式)太阳能热发电系统是世界上最早出现的太阳能动力系统。近段时间以来,盘式太阳能热发电系统主要开发单位功率质量比更小的空间电源。盘式太阳能热发电系统应用于空间,例如,1983年美国加州喷气推进试验室完成的盘式斯特林太阳能热发电系统,其聚光器直径为11m,最大发电功率为24.6 kW,转换效率为29%。1992年德国一家工程公司开发的一种盘式斯特林太阳能热发电系统的发电功率为9kW,到1995年3月底,累计运行了17000h,峰值净效率20%,月净效率16%,该公司计划用100台这样的发电系统组建一座MW的盘式太阳能热发电示范电站。
盘式(又称碟式)太阳能热发电系统(抛物面反射镜斯特林系统)是由许多镜子组成的抛物面反射镜组成,接收在抛物面的焦点上,接收器内的传热工质被加热到750℃左右,驱动发动机进行发电。
美国热发电计划与Cummins公司合作,1991年开始开发商用的7千瓦碟式/斯特林发电系统,5年投入经费1800万美元。1996年Cummins向电力部门和工业用户交付7台碟式发电系统,计划1997年生产25台以上。Cummins预计10年后年生产超过1000台。该种系统适用于边远地区独立电站。
美国热发电计划还同时开发25千瓦的碟式发电系统。25千瓦是经济规模,因此成本更加低廉,而且适用于更大规模的离网和并网应用。1996年在电力部门进行实验,1997年开始运行。
菲涅尔式
  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,因此加热的水蒸气质量不高,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。
商业前景
  以上三种系统性能比较。有实现商业化的可能和前景。三种系统均可单独使用太阳能运行,安装成燃料混合(如与天然气、生物质气等)互补系统是其突出的优点。
  就几种形式的太阳热发电系统相比较而言,槽式热发电系统是最成熟,也是达到商业化发展的技术,应该指出,槽式、塔式和盘式太阳能光热发电技术同样受到世界各国的重视,并正在积极开展工作。
2009年底全球投运的光热电站装机容量为668.15MW,截至2010年,全球已投入运行的光热装机容量达988.65MW,其中,槽式占94.57%,塔式次之,占4.37%。从目前已投运光热电站国家分布来看,美国占了48.95%,其次是西班牙,占47.49%。
预计到2015年,全球将光热发电累计装机24.5GW,五年复合增速90%;到2020年光热发电在全球能源供应份额中将占1-1.2%,到2030年占3-3.6%,到2050年占8.5-11.80%,即到2050年光热发电装机容量将达到830GW,每年新增41GW。
从国内光热发电来看:近年来,光热发电在中国太阳能发电政策规划中的地位开始显著提升。伴随光热发电在中国能源结构中的战略地位的提升,光热发电行业有望获得更多政策倾斜,随之而来的是光热发电产业化进程加快。预计到2015年,我国的太阳能热发电装机容量将达3GW左右,市场总量达450亿元人民币。


  潍坊华孚机械科技有限公司为国内某上市公司设计制造的太阳能光热支架成型自动化设备现已处于调试生产阶段。

 

太阳能光热发电原理及市场现状分析 2017-1-9 本文被阅读 792 次
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