《太阳能热发电系统-2012教学教材》由会员分享，可在线阅读，更多相关《太阳能热发电系统-2012教学教材（114页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、太阳能,热发电系统,思考题,1.简述太阳能气流发电的工作原理. 2.常规的火力发电的工作过程. 3.火力发电为何要用过热蒸汽? 4.常规的火力发电要解决的主要问题是什么? 5.你认为太阳能热发电的难点是什么? 6.太阳能气流发电与太阳能热发电相比,各有何优缺点?,目前可见到的发电类型,火力发电（煤发电、油发电） 最常见的，应用最广泛的，耗能最多的型式 水力发电 三峡、丰满电站 （纪念邮票） 要有自然资源、地域优势，人工建站，百年大计 三峡几十年筹划，高峡出平湖，百万移民，鱼鸟迁居，同时解决发电、航运、灌溉三大问题 核电站（秦山、大亚湾） 太阳能发电（光-热发电、光-伏发电） 潮汐能发电（要有自
2、然资源、地域优势） 风力发电,太阳能热发电系统,通过水或其他工质和装置将太阳辐射能转换为电能的发电方式，称为太阳能发电。 太阳能发电目前主要有两种基本途径： 一种是先将太阳辐射能转换为热能，然后再按照某种发电方式将热能转换为电能，即太阳能热发电； 另一种是通过光电器件直接将太阳辐射能转换为电能，即太阳能光伏效应发电。 这里先介绍一种少见的太阳能气流发电,太阳能气流发电,大棚的中央部分高8米，边缘高2米，周长252米。这个庞然大物是在金属骨架上装半透明塑料板制成的。在“烟囱底部安装有气轮发电机。 当大棚内的空气经太阳曝晒以后，其温度比棚外空气约高20。由于空气具有热升冷降的特点，再加上大“烟囱”
3、向外排风的作用，就使热空气通过“烟囱”快速地排出，因而底部进风口抽力很大，流速很快，从而使设在“烟囱”底部的气轮发电机发电。 这座电站，白天可发电10万千瓦，夜间虽没阳光，但棚内空气温度高，仍可发电40千瓦。它的发电成本与核电站相近，相当低廉。,太阳能气流发电,气流电站的试验成功，鼓舞了史兰赫，并积累了经验。于是，他又提出了建造大规模太阳能气流电站的计划。 这个未来的气流电站，将要建在阳光充足、地面开阔的沙漠地区。它的发电能力预计为100万千瓦，“烟囱”高1000米以上，塑料大棚的直径则达10千米，并且使用寿命长达20年。太阳光透过半透明的塑料大棚，将其中的空气加热到2050 ，使热空气以每秒
4、2060米的速度从“烟囱”排出。,太阳能气流发电,更为可贵的是，塑料大棚也可以利用起来作暖房，种植蔬菜和栽培早熟的农作物。 史兰赫将太阳能气流电站的设想变成现实，标志着人类利用太阳能的技术得到进一步的提高，并为利用和改造沙漠创造了良好的条件。 但沙漠地域建高塔有较大难度，如地基问题。,澳大利亚太阳能发电塔,澳大利亚计划建造一座高1 000 m的太阳能发电高塔，2005年交付使用。 该塔的主体部分是一个高达1 000 m的管道，底部塔身宽1 30 m，塔身周围是7X106平方米的温室，该发电塔的工作原理是：地面空气受到太阳光的照射变热后，被吸入塔管内，热空气沿着管道上升，带动管道内的涡轮发电机发
5、电。 这座发电塔计划建在澳大利亚新威尔十州和维多利亚州交界处，建成后可以解决20万户居民的用电问题。澳大利亚工业部为此项目投资3.8亿美元。,本章将对太阳能热发电系统的工作原理、系统组成、基本类型及发展现状与未来展望等内容加以介绍。 太阳能热发电技术可分为两大类型：一类是利用太阳能直接发电，如利用半导体材料或金属材料的温差发电，真空器件中的热电子和热离子发电，碱金属的热电转换，以及磁流体发电等。其特点是发电装置本体无活动部件。 但它们目前的功率均很小，有的仍处于原理性试验阶段，刚进入商业化应用，我们下一节介绍。,另一类是太阳能热动力发电，利用太阳集热器将太阳能收集起来，加热水或其他工质，使之产
6、生蒸气，驱动热力发动机，再带动发电机发电；也就是说，先把热能转换成机械能，然后再把机械能转换为电能。 这种类型已达到实际应用的水平，美国等国家已建成具有一定规模的实用电站，下面的介绍即为这种类型的太阳能热发电系统。,5.1 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是相同的，其根本区别在于热源不同，前者以太阳能为热源，后者则以煤炭、石油和天然气等化石燃料为热源。因此，下面首先对火力发电系统工作原理加以简介，然后介绍太阳能热发电系统工作原理。 ,5.1.1 火力发电系统工作原理 所谓火力发电，就是将从煤炭、石油和天然气等燃料所得到的热能变换成机械能，再带动发电机转动
7、产生电能的发电方式。火力发电有汽轮机发电、内燃机发电和燃气轮发电等方式。通常所说的火力发电，主要是指汽轮机发电，也就是利用燃料在锅炉中燃烧得到的热能将水加热成为蒸汽，蒸汽冲动汽轮机，汽轮机带动发电机发出电。火力发电系统由锅炉、汽轮机、发电机等主要设备和许多附属设备组成，如图10-1所示。,(1)蒸汽的能量 在一定压力下将水加热至沸腾，只要有一部分水还未蒸发成蒸汽，水和蒸汽就都保持一定的温度不变，直到全部水都蒸发为水蒸气。这时的温度称为饱和温度，压力称为饱和压力，饱和温度下的蒸汽称为饱和蒸汽。 混合着一些水分的饱和蒸汽称为湿饱和蒸汽，不含水分的饱和蒸汽称为干饱和蒸汽。保持压力不变，继续加热饱和蒸
8、汽，当温度超过饱和温度后，就成了 过热蒸汽。 在热能发电过程中，是将煤粉末燃烧产生的热量被水吸收，成为水或蒸汽的热能。在热力学中，以焓来表征蒸汽或水持有的热能，以O时1kg水所持有的热量作为比较的基准，单位为kJkg。,显然，一定容积的蒸汽随着温度的增加，对其容器的膨胀压力会愈来愈大。根据热力学定律，热能与机械能可互相转换，设两者的交换值为Q(J)，则 QAU+W 式中，W为膨胀功率；AU为蒸汽内能的变化量。火力发电中利用蒸汽来交换电能正是高温高压蒸汽所产生的W。,(2)火力发电的原理 图10-2表示蒸汽做功的过程。燃料燃烧产生的热能将锅炉中的水加热产生湿饱和蒸汽，湿饱和蒸汽通过输汽管时继续加
9、热成为干饱和蒸汽，再经过过热器进一步加热成为过热蒸汽. 高温高压的过热蒸汽通过汽轮机喷嘴后，压力和温度降低，体积膨胀，流速增高，热能转变为动能，推动汽轮机转动，由汽轮机带动发电机旋转发电。汽轮机排出的低温低压蒸汽送进凝汽器凝结成水，再送入锅炉循环使用。 火力发电过程中，燃料的热能要经过锅炉、汽轮机和发电机才能转变为电能，在锅炉和汽轮机等处都有能量损失，其热效率只有30-40左右。,(3)火力发电过程的热流程 提高火力发电效率的关键，是采取措施更加有效地利用热能。下面通过热循环来考察火力发电过程中热能的演变。蒸汽火电厂的热循环包括朗肯循环、回热循环和再热循环。,朗肯循环。是现代蒸汽动力装置的基本
10、热力循环。因系由苏格兰工程学教授朗肯对卡诺循环进行改进而成，故称之为朗肯循环。如图103(a)所示，火电厂的燃料燃烧产生热量，将送进锅炉的水(给水)加热成为蒸汽。为有效地利用锅炉的燃烧热，锅炉内设有过热器，把蒸汽进一步加热为过热蒸汽。过热蒸汽进入汽轮机后膨胀做功，将一部分热能转换为推动汽轮机旋转的动能，成为低温低压蒸汽从汽轮机排出(排汽)进入凝汽器，经冷却后又凝结成水。整个热循环为给水+蒸汽+排汽一凝水一给水。图103(b)是表示这一过程的热循环图。,回热循环。 是现代蒸汽动力装置普遍采用的一种热力循环，是在朗肯循环基础上对吸热过程加以改进而成。在朗肯循环中，汽轮机排汽所含的蒸发热在凝汽器中丢
11、失，这部分热量很大。如图104所示，为提高热效率，在汽轮机内膨胀的过程中抽出一部分蒸汽，用来加热锅炉的给水，这个热循环就称之为回热循环。它不仅减少了凝水器中丢失的热量，并且还提高了通过汽轮机的过热蒸汽的温度及压力，从而使整个系统的热效率提高。,再热循环。 过热蒸汽在汽轮机高压缸中膨胀至某一中间压力后全部返回锅炉再度加热，然后引入汽轮机中低压缸继续做功的一种水汽循环。在图105所示的热循环过程中，汽轮机分为高压和低压两级，高压级的排汽全部引出后送到锅炉的再热器中再加热，然后再送到低压级继续做功。通过再热循环可以最大限度地利用蒸汽的热能通常用于l0万千瓦以上的汽轮发电机组。,(4)火力发电系统的能
12、量转换过程 图l0-6归纳了火力发电系统能量转换的全过程，即煤炭、石油和天然气等燃料包含的化学能在燃烧即氧化反应过程中以热量的形式释放出来，热量加热锅炉中的水和蒸汽，成为蒸汽所包含的热能 高温高压的过热蒸汽在汽轮机中膨胀做功，转化为高速气流，推动汽轮机旋转，热能转换为机械能（过热蒸汽才有高速气流效果） 最后，由汽轮机带动发电机旋转发电，输出电能。这就是火力发电系统发电的整个能量转换过程。,火力发电要解决的主要问题,1. 提高能耗效率 2.减少温室气体(SO2)排放,5.1.2 太阳能热发电系统基本工作原理 在介绍了火力发电系统工作原理之后，再阐述太阳能热发电系统的工作原理，就简单容易了所谓太阳
13、能热发电，就是利用聚光集热器把太阳能聚集起来，将某种工质加热到数百摄氏度的高温，然后经过热交换器产生高温高压的过热蒸汽，驱动汽轮机并带动发电机发电。 从汽轮机出来的蒸汽，其压力和温度均已大为降低，经过冷凝器冷凝结成液体后，被重新泵回热交换器，又开始新的循环。由于整个发电系统的热源来自于太阳能，因而称之为太阳能热发电系统,利用太阳能进行热发电的能量转换过程，首先是将太阳辐射转换为热能，然后是将热能转换为机械能，最后是将机械能转换为电能。整个系统的效率也将由这3部分的效率所组成 为使读者得到关于太阳能热发电系统的基本概念，下面首先介绍一下理想热机的卡诺循环。它是法国工程师卡诺于1824年首先提出的
14、，故称为卡诺循环。该循环是由绝热压缩(工质温度由T2提高至T1)、定温吸热(工质在T2下从同温度的高温热源吸取热量Q1)、绝热膨胀(工质温度从Tl降至T2)、定温放热(工质在T2下向外部低沮热源定温排出热量),4个过程组成的一个可逆循环(见图107)。 在相同的界限温度(T1和T2)间任何实际的热力循环由于不可逆损失与非定温传热，不可能达到如此离的热效率，故卡诺循环是一个理想的循环。卡诺循环的研究，使热能转变为功的过程成为可能，并对提高实际循环的热效率提出了方向,将热能转换为机械功的条件及理论上可得到的最大转换效率，已由热力学第二定律和上面介绍的卡诺循环原理所阐明热力学第二定律表明，任何热机都
15、不可能从单一热源吸取热量并使之全部变为机械功所以，热机从热源吸取的热量中必有一部分要传递给另一低于热源温度的物体，称之为冷源，如图108所示。,由上式可知，要提高热机效率Vm，热源温度T1，应尽可能高，冷源温度T2应尽可能低。对于太阳能热发电系统来说，冷源(即冷凝器)的温度主要取决于环境，而在实际应用中冷源的温度是很难低于环境温度的。因此，提高热机效率的主要途径，是提高热源的温度，这就需要采用聚光集热器。但温度过高也会带来诸多问题，如对结构材料的要求苛刻，对聚光跟踪的精度要求高，集热器的热效率随着温度的增加而减少等，所以过于提高热源的温度也并不总是有利的。,太阳能热发电系统的总效率Vo为集热器
16、效率Vt、热机效率Vm和发电机效率Vt的乘积，即 VoVcVmVt 由于太阳能的不稳定性，系统中必须配置蓄能装置，以便夜间或雨雪天时提供热能，保证连续供电。也可考虑组成太阳能与常规能源相结合的混合型发电系统，用常规能源补充太阳能的不足。,5.2 太阳能热发电系统组成 太阳能热发电系统由集热子系统、热传输子系统、蓄热与热交换子系统和发电子系统所组成，如图10-9所示。,碟式系统 也称为盘式系统。主要特征是采用盘状抛物面镜聚光集热器，其结构从外形上看类似于大型抛物面雷达天线。由于盘状抛物面镜是一种点聚焦集热器，其聚光比可以高达数百到数千倍，因而可产生非常高的温度。这种系统可以独立运行，作为无电边远地区的小型电源，一般功率为1025kW，聚光镜直径约1015m；也可用于较大的用电户，把数台至十数台装置并联起来，组成小型太阳能热发电站。,5.2.1 集热子系统 吸收太阳辐射能转换为热能的装置。主要包括聚光装置、接收器和跟踪机构等部件。不同的功率和不同的工作温度有其合适的结构。100以下的小
