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1、2018/1/26,1,太阳能热发电& 聚光光伏发电技术,中国工程院院士 南京市科协主席,张耀明,东南大学太阳能研究中心主任,2018/1/26,2,太阳能发电目前主要有太阳能光伏发电和太阳能热发电。太阳能热发电按其工质温度高低分为低温太阳能热发电和高温太阳能热发电，低温太阳能热发电效率低，目前很少采用。高温太阳能热发电按其聚光器种类不同分为：塔式、槽式和碟式。,太阳能发电主要形式,2018/1/26,3,太阳能热发电技术,2018/1/26,4,塔式,碟式,槽式,太阳能热发电三种基本形式,2018/1/26,5,三种系统比较： 塔式效率高，槽式成本低，碟式单机可标准化生产，三种方式各自优势明
2、显，同时缺点也很明显：塔式一次性投入大，槽式相对塔式和碟式效率较低，碟式单机规模很难做大。 目前来说，塔式和碟式尚处于研究、开发、示范阶段，槽式已经是最成熟的商业化技术。,2018/1/26,6,塔式太阳能热发电技术,塔式太阳能热发电系统的基本形式是利用独立跟踪太阳的定日镜群，将阳光聚集到一个固定在塔顶部的接收器上，用以产生高温。加热工质产生过热蒸汽或高温气体，驱动发电机组发电，从而将太阳能转换为电能 。塔式太阳能热发电系统包括：聚光子系统、集热子系统、发电子系统、蓄热子系统和辅助能源子系统。具有规模大、热传递路程短、热损耗少、聚光比和温度较高等特点。,2018/1/26,7,塔式太阳能热发电
3、代表工程是美国的Solar Two美国1982年在加利福尼亚州兴建了一座大型塔式太阳能热电站。该电站位于美国加州南部Barstow沙漠地区附近，这座电站占地7万多平方米，塔高90米，采用了1818个聚光镜，发电能力达到1万千瓦，命名为太阳一号（ solar one ）。美国太阳二号(solar two)是在美国太阳一号基础上改建的，主要是添加了蓄能装置，使整个装置利用率提高了40%。,2018/1/26,8,2018/1/26,9,Solar Two 流程图,2018/1/26,10,将太阳光能量转化为工作流体的热能，设计主要取决于聚光器（Concentrator）的类型、温度和压力工作范围、
4、辐射通量。要求能承受一定数值的太阳光能量密度和梯度，避免局部过热等发生，流体的流动分布与能量密度分布相匹配，附带有蓄热功能，效率高，简单易造，成本经济。主要有外露式和空腔式,外露式,空 腔 式,接收器,2018/1/26,11,接收器吸热材料：金属丝网、泡沫陶瓷、陶瓷管等。载热介质:水/蒸汽、钠、熔盐、空气。,2018/1/26,12,最新建成的PS10,2007年3月，欧洲第一座商业化塔式聚光太阳能电站在西班牙南部城市Seville附近建成。这座所谓的PS10塔式太阳能电站装机容量11MW，通过624台定日镜来发电，每台定日镜面积120平方米，它们将阳光聚集到115米高的太阳能塔上，塔上装有
5、一个太阳能接收器和蒸汽轮机，由蒸汽轮机带动发电机来发电。,2018/1/26,13,PS10,2018/1/26,14,发展方向：1、提高各部件制备技术及其效率；2、增大电站规模，降低定日镜等成本；3、 “联合循环”。,2018/1/26,15,槽式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，收集较高温度的热能，加热工质，产生过热蒸汽，驱动汽轮发电机组发电 。,槽式太阳能热发电系统,2018/1/26,16,2018/1/26,17,2018/1/26,18,2018/1/26,19,槽式太阳能热发电系统（SEGS）包括：聚光集热子系统、换热子系统、汽轮发电子系统，根据系统的
6、不同设计思路有时还包括蓄热子系统、辅助能源子系统。美国和以色列合资组建的鲁兹（LUZ）公司：槽式热发电技术的最主要代表。 从19851991年间，在美国南加州先后建成9座槽式太阳能热发电站，总装机容量353.8MW，是世界上规模最大、成效最高的太阳能发电工程，是槽式太阳能热发电技术应用的典范，也是到目前为止唯一的商业化运行的槽式电站。成本最低达8美分/度。,2018/1/26,20,主要技术特征： 以最为典型的80MW装机容量的SEGS电站为例。 900个LS-3型集热器，开口面积达545m2，使用了224块扇形玻璃镜片，镜片背面镀银，每片镜片由4个圆形托盘托附在支架上； 槽式抛物面反射镜；南
7、北向放置，东西向跟踪；支架上装有太阳辐射传感器；液压传动机构驱动支架跟踪太阳； 经集热器工作介质为导热油，工作温度为391；整个电站共使用了这样的太阳能集热器；使用了真空管环形接收器，不锈钢管装在同心圆柱形玻璃套内，玻璃管内保持真空以减少热损失，不锈钢管表面采用磁控溅射涂覆高温选择性吸收涂层，不锈钢管和玻璃套管间采用可伐封接。 SEGS电站的循环效率为38.4%，峰值太阳能热电转换效率为24%，年平均太阳能热电转换效率为14%，电站的初始投资为2650美元/kW，其发电的成本为8美分/kWh（91年数据）。,2018/1/26,21,九座电站运行至2003年总输出达12000GWh,2018/
8、1/26,22,最近建成的内华达Solar One 槽式太阳能电站,2018/1/26,23,2007年6月，内华达Solar one 太阳能电站建成运行发电，其装机容量64MW，总占地面积400英亩，其中太阳能槽式集热器占总面积四分之三。该电站共有槽式抛物面集热器760个，镜子面积达到18万平方米，以此来收集聚焦太阳光对吸热管内的工质加热，其吸热管由金属和玻璃造成并涂有选择性吸热涂层，单根吸热管长度为4米，全厂共使用吸热管18240根。,2018/1/26,24,Andasol-1 和Andasol-2,在西班牙Andalucia地区，两座50MW槽式太阳能电站（Andasol-1 和And
9、asol-2）目前正在建设中。每个电站的太阳能集热器预期安装面积为510120平方米、具有6小时的储热量。Andasol太阳能电站将成为欧洲首座槽式太阳能热发电站，每座太阳能电站的装机容量将可供20万人使用，其单个电站512000平方米的集热面积将使其成为世界最大的槽式太阳能电站。Andasol-1项目在2006年5月由于资金短缺被迫中断，但现已同时获得欧盟和德国环境部资助，并于2006年7月开始建设，预计2008年完工。,2018/1/26,25,（1）先进的聚光器结构； 围绕结构（轴式衍架式）；长度（100米150米）；聚光镜材料；玻璃厚度；降低整机重量等等。,LS3型100米长阵列,EU
10、ROTROUGH型150米长阵列,发展方向：,2018/1/26,26,（2）性能提高的真空管接收器； 涂层技术提高发射率；结构上最大限度减少阴影面积；调整相关材料配方，使得可伐更好封接等等。,以色列Solel公司接收器,德国Schott公司接收器,2018/1/26,27,（3）DSG技术：直接用水作为介质，取消大量换热器， 简化系统，提高效率，降低成本 。,2018/1/26,28,热管式系统结构,2018/1/26,29,（4）联合发电系统。与常规电站联合，由太阳能提供汽轮机中、低压部分的蒸汽。这样可提高系统效率，降低成本。,2018/1/26,30,（5）可靠性技术研究。例如，运动中的
11、高温真空接收器在聚光器阵列两端与布置在地面上不动的导热油管路之间存在一个重要的活动密封连接问题。现在一般设计为球型关节，需要考虑高温、一定压力、处于运动状态、密封等因素。（6）极轴跟踪技术。南北向聚光集热器由原来的水平放置改为面朝南的倾斜轴，充分考虑方位角和高度角的影响，从而更有效地接收太阳辐射能。,2018/1/26,31,碟式太阳能热发电技术,碟式太阳能热发电系统是利用旋转抛物面反射镜，将入射阳光聚集在焦点上，放置在焦点处的太阳能接收器收集较高温度的热能，加热工质，产生过热蒸汽，驱动汽轮发电机组发电；或在焦点处直接放置斯特林（stirling）电机发电。 碟式太阳能热发电系统具有寿命长、效
12、率高、灵活性强等特点，可以单台供电，也可以多套并联使用，非常适合边、远、山区发电。整个系统包括：聚光集热子系统、发电子系统、蓄热子系统。,2018/1/26,32,2018/1/26,33,单台碟式太阳能发电机,多套并联的碟式太阳能发电机站,2018/1/26,34,美国、德国等国家的科研部门相继展开碟式太阳能热发电的研制开发，样机转换效率目前最高达29.4%，吸热器的效率为65%90%。2004年，美国SES在Sandia国家实验室建造出5套25kWe碟式斯特林系统。2005年8月，SES公司实施由40套25kWe组成的1MW碟式项目，并宣布与南加州爱迪生电力公司签署的850MW的PPA电力
13、购买协议。由德国研发的6套9-10kWe处于商业化前夕的碟式斯特林系统在西班牙PSA获得示范，并累计达30000小时的运行纪录。为进一步降低系统成本，德国环境部资助的新6台碟式斯特林系统发展计划已由SBP公司执行。,2018/1/26,35,美国电力供应研究认为，当碟式斯特林系统成本在2000-1200美元/kWe时才会产生巨大市场。要想实现这个目标成本，必须在以下几个方面作出努力：1、扩大生产规模。与塔式、槽式太阳能热发电系统相比，碟式系统效率可标准化生产。规模化生产可大大降低其成本：生产一台10kW碟式斯特林发电系统成本为12000美元/kW；100台时，成本为8500美元/kW；年产10
14、00台时，制造成本为4500美元/kW；而年产3000台时，制造成本为4500美元/kW，制造成本为2800美元/kW；当年产品10000台时，制造成本仅为1920美元/kW，其发电成本可降至5至6美分/ kWh。,2018/1/26,36,2、增大单机容量。目前最大单机发电能力为50KW，以色列魏茨曼研究院计划单机能力增大到70KW，可降低其成本。3、斯特林发动机。碟式系统一般采用斯特林发电系统，提高斯特林发动机效率，降低其成本，可降低整个系统的成本。4、热管式接收器。采用热管技术，使碟式斯特林发电系统接收器集吸热、蓄热、发电三位一体，提高系统效率，降低成本。,2018/1/26,37,成本
15、趋势：美国Sunlab预测2020年每度电3-4美分 。,成本,2018/1/26,38,国内首座塔式太阳能热发电示范工程,南京春辉科技实业有限公司（南京玻纤院第三研究所）和河海大学新能源新材料开发研究院联合组成攻关队伍，利用各自开展了近10年的研究经验，在太阳能热发电领域的太阳光方位传感器、自动跟踪系统，尤其是塔式太阳能热发电的定日镜、槽式太阳能热发电的槽式抛物面反射镜取得重大成绩，同时在塔式太阳能接收器、槽式太阳能接收器方面也取得了突破性进展，并拥有自主知识产权。与以色列合作建立的70kW塔式太阳能热发电示范工程已于2005年10月底正式发电。这也标志着我国太阳能应用技术跨入国际先进水平行
16、列。,2018/1/26,39,70kW塔式太阳能热发电全景,2018/1/26,40,国外定日镜占整个系统投资一半以上，我们自主设计的定日镜巧妙的解决了国外同行的技术难点，大大降低了成本，拥有自主知识产权，为以后大规模生产打下基础。每台定日镜20至40平方米，反射到位于33米高中心塔接收器时光斑直径400mm左右。,定日镜,2018/1/26,41,2018/1/26,42,2018/1/26,43,我国首座塔式太阳能热发电系统通过鉴定,以中科院物理所清洁能源中心主任陈立泉院士和中国科学院研究员、中国工程院院士闻立时组成的高规格专家鉴定委员会对项目给予了高度评价：研发建成的塔式太阳能热发电示范工程为国内首创；该项科技成果填补了国内空白，在系统整体技术上达到国际同类系统的先进水平，其中定日镜的曲面成型技术及其时钟开环和传感器闭环相结合的控制技术属国际首创。,
