太阳能热电技术和装备

太阳能热电技术和装备 近几年，随着科技的发展，能源消耗越来越严重，传统的方式获得的能源越来越不能满足现代的需要，同时，传统进行发电的方法一般为火力发电，而火力发电会产生比较严重的污染，不仅仅是对江河湖海的水污染，还会加重温室效应～其他诸如风力发电，水利发电尽管已经投入使用，也确实减缓了电力的压力，但是这些方法对自然条件的限制比较大，所以大幅度地投入使用的可能性不大，因此，我们急需找到一种既清洁又能大范围使用的能源来转化为电能。近几年，通过科学家的努力，太阳能作为一种全新的高效的清洁能源逐渐开始进入人们的日常生活，譬如我们用的最多的太阳能热水器，就是以太阳能来转化为热能的装置。而今，人们正在思考，能否将太阳能转化为电能，解决越来越严重的能源短缺问题。 一、太阳能的介绍 太阳能(Solar Energy)，一般是指太阳光的辐射能量，在现代一般用作发电。自地球形成生物就主要以太阳提供的热和光生存，而自古人类也懂得以阳光晒干物件，并作为保存食物的方法，如制盐和晒咸鱼等。但在化石燃料减少下，才有意把太阳能进一步发展。太阳能的利用有被动式利用(光热转换)和光电转换两种方式。太阳能发电一种新兴的可再生能源。广义上的太阳能是地球上许多能量的来源，如风能、化学能、水的势能等等。 太阳能是由内部氢原子发生聚变释放出巨大核能而产生的能，来自太阳的辐射能量。人类所需能量的绝大部分都直接或间接地来自太 阳。植物通过光合作用释放氧气、吸收二氧化碳，并把太阳能转变成化学能在植物体内贮存下来。煤炭、石油、天然气等化石燃料也是由古代埋在地下的动植物经过漫长的地质年代演变形成的。此外，水能、风能等也都是由太阳能转换来的。地球本身蕴藏的能量通常指与地球内部的热能有关的能源和与原子核反应有关的能源。 与原子核反应有关的能源正是核能。原子核的结构发生变化时能释放出大量的能量，称为原子核能，简称核能，俗称原子能。它则来自于地壳中储存的铀、钚等发生裂变反应时的核裂变能资源，以及海洋中贮藏的氘、氚、锂等发生聚变反应时的核聚变能资源。这些物质在发生原子核反应时释放出能量。目前核能最大的用途是发电。此外，还可以用作其它类型的动力源、热源等。 现代的太阳热能科技将阳光聚合，并运用其能量产生热水、蒸气和电力。除了运用适当的科技来收集太阳能外，建筑物亦可利用太阳的光和热能，方法是在设计时加入合适的装备，例如巨型的向南窗户或使用能吸收及慢慢释放太阳热力的建筑材料。 二、太阳能的发展 70年代以来，鉴于常规能源供给的有限性和环保压力的增加，世界上许多国家掀起了开发利用太阳能和可再生能源的热潮。1973年，美国制定了政府级的阳光发电计划，198O年又正式将光伏发电列入公共电力规划，累计投入达8亿多美元。1992年，美国政府颁布了新的光伏发电计划，制定了宏伟的发展目标。日本在 7O年代制定了“阳光计划”，1993年将“月光计划”(节能计划)、“环境计划”、“阳光 计划”合并成“新阳光计划”。德国等欧共体国家及一些发展中国家也纷纷制定了相应的发展计划。90年代以来联合国召开了一系列有各国领导人参加的高峰会议，讨论和制定世界太阳能战略规划、国际太阳能公约，设立国际太阳能基金等，推动全球太阳能和可再生能源的开发利用。开发利用太阳能和可再生能源成为国际社会的一大主题和共同行动，成为各国制订可持续发展战略的重要内容。 自“六五”计划以来，我国政府一直把研究开发太阳能和可再生能源技术列入国家科技攻关计划，大大推动了我国太阳能和可再生能源技术和产业的发展。 20多年来，太阳能利用技术在研究开发、商业化生产、市场开拓方面都获得了长足发展，成为世界快速、稳定发展的新兴产业之一。 三、太阳能资源的分布 太阳向宇宙空间发射的辐射功率为3.8x1023kW的辐射值，其中20亿分之一到达地球大气层。到达地球大气层的太阳能，30%被大气层反射，23%被大气层吸收。47%到达地球面，其功率为800000亿kW，也就是说太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于燃烧500万吨煤释放的热量。 全球人类目前每年能源消费的总和只相当于太阳在40分钟内照射到地球表面的能量。 国际太阳能资源分布 根据国际太阳能热利用区域分类，全世界太阳能辐射强度和日照 时间最佳的区域包括北非、中东地区、美国西南部和墨西哥、南欧、澳大利亚、南非、南美洲东、西海岸和中国西部地区等。根据德国航空航天技术中心(DLR)的推荐，不同地区太阳能热发电技术和经济潜能数据及其技术潜能基于太阳年辐照量测量值大于6480MJ/m2，经济潜能基于太阳年辐照量测量值大于7200MJ/m2。 北非地区是世界太阳能辐照最强烈的地区之一。 摩洛哥、阿尔及利亚、突尼斯、利比亚和埃及太阳能热发电潜能很大。阿尔及利亚的太阳年辐照总量9720MJ/m2，技术开发量每年约169440TW?h。摩洛哥的太阳年辐照总量9360MJ/m2，技术开发量每年约20151TW?h。埃及的太阳年辐照总量10080MJ/m2，技术开发量每年约73656TW?h。太阳年辐照总量大于8280MJ/m2的国家还有突尼斯、利比亚等国。阿尔及利亚有2381.7km2的陆地区域，其沿海地区太阳年辐照总量为6120MJ/m2，高地和撒哈拉地区太阳年辐照总量为6840,9540MJ/m2，全国总土地的82%适用于太阳能热发电站的建设。 中东几乎所有地区的太阳能辐射能量都非常高。 以色列、约旦和沙特阿拉伯等国的太阳年辐照总量8640MJ/m2。阿联酋的太阳年辐照总量为7920MJ/m2，技术开发量每年约2708TW?h。以色列的太阳年辐照总量为8640MJ/m2，技术开发量每年约318TW?h。伊朗的太阳年辐照总量为7920MJ/m2，技术开发量每年约20PW?h。约旦的太阳年辐照总量约9720MJ/m2，技术开发量每年约6434TW?h。以色列的总陆地区域是20330km2;Negev沙 漠覆盖了全国土地的一半，也是太阳能利用的最佳地区之一，以色列的太阳能热利用技术处于世界最高水平之列。我国第1座70KW太阳能塔式热发电站就是利用以色列技术建设的。 美国也是世界太阳能资源最丰富的地区之一。 根据美国239个观测站1961—1990年30年的统计数据，全国一类地区太阳年辐照总量为9198,10512MJ/m2，一类地区包括亚利桑那和新墨西哥州的全部，加利福尼亚、内华达、犹他、科罗拉多和得克莎斯州的南部，占总面积的9.36%。二类地区太阳年辐照总量为7884,9198MJ/m2，除了包括一类地区所列州的其余部分外，还包括犹他、怀俄明、堪萨斯、俄克拉荷马、佛罗里达、佐治亚和南卡罗来纳州等，占总面积的35.67%。三类地区太阳年辐照总量为6570,7884MJ/m2，包括美国北部和东部大部分地区，占总面积的41.81%。四类地区太阳年辐照总量为5256,6570MJ/m2，包括阿拉斯加州大部地区，占总面积的9.94%。五类地区太阳年辐照总量为3942,5256MJ/m2，仅包括阿拉斯加州最北端的少部地区，占总面积的3.22%。美国的外岛如夏威夷等均属于二类地区。美国的西南部地区全年平均温度较高，有一定的水源，冬季没有严寒，虽属丘陵山地区，但地势平坦的区域也很多，只要避开大风地区，是非常好的太阳能热发电地区。 我国太阳能资源分布 我国幅员广大，有着十分丰富的太阳能资源。据估算，我国陆地表面每年接受的太阳辐射能约为50x1018kJ，全国各地太阳年辐射总 量达335,837kJ/cm2?a，中值为586kJ/cm2?a。从全国太阳年辐射总量的分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳辐射总量很大。尤其是青藏高原地区最大，那里平均海拔高度在4000m以上，大气层薄而清洁，透明度好，纬度低，日照时间长。例如被人们称为“日光城”的拉萨市，1961年至1970年的平均值，年平均日照时间为3005.7h，相对日照为68%，年平均晴天为108.5天，阴天为98.8天，年平均云量为4.8，太阳总辐射为816kJ/cm2?a，比全国其它省区和同纬度的地区都高。全国以四川和贵州两省的太阳年辐射总量最小，其中尤以四川盆地为最，那里雨多、雾多，晴天较少。例如素有“雾都”之称的成都市，年平均日照时数仅为1152.2h，相对日照为26%，年平均晴天为24.7天，阴天达244.6天，年平均云量高达8.4。其它地区的太阳年辐射总量居中。 太阳能的高值中心和低值中心都处在北纬22?,35?这一带，青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心;太阳年辐射总量，西部地区高于东部地区，而且除西藏和新疆两个自治区外，基本上是南部低于北部;由于南方多数地区云雾雨多，在北纬30?,40?地区，太阳能的分布情况与一般的太阳能随纬度而变化的规律相反，太阳能不是随着纬度的增加而减少，而是随着纬度的增加而增长。按接受太阳能辐射量的大小，全国大致上可分为五类地区: 太阳能丰富区:在内蒙中西部、青藏高原等地，年总辐射在150千 卡/平方公分以上。 太阳能较丰富区:北疆及内蒙东部等地，年总辐射约130,150千卡/平方公分。 太阳能可利用区:分布在长江下游、两广、贵州南部和云南，及松辽平原，年总辐射量为110,130千卡/平方公分。 四、太阳能发电装备 一、太阳能槽式热发电 太阳能槽式热发电系统采用多个抛物线槽型镜面集热器，将太阳能光聚集到位于焦线的中心管上，使管内的导热介质加热至350-390度，然后循环的被加热介质经热交换产生过热蒸汽，过热蒸汽推动常规的汽轮发电机组发电。槽式太阳能热发电系统包括五个子系统。一是聚光集热子系统。由聚光镜、接收器和跟踪装置构成。接受器中的集热管一般采用长4米、直径70毫米的不锈钢内管。在不锈钢内管上镀有选择性涂层，用于吸收太阳能光热。不锈钢管外边还有一层耐高温的真空玻璃管，中间被抽取真空后保持一定真空度，以达到隔热保温效果。二是换热子系统。由预热器、蒸汽发生器、过热器和再热器组成。当系统工质为油时，采用双回路，即接收器中工质油被热后，进入换热子系统中产生蒸汽，蒸汽进入发电子系统发电。三是发电子系统。基本组成与常规发电设备类似，但需要配备一种专用装置，用于工作流体在接收器与辅助能源系统之间的切换。四是蓄热子系统。太阳能热发电系统在早晚或云遮间隙必须依靠储存的能量维持系统正常运行。蓄热的方法主要有显式、潜式和化学蓄热三种方式。五是 辅助能源子系统。在夜间或阴雨天，一般采用辅助能源系统供热，否则蓄热系统过大会引起初始投资的增加。目前槽式热发电系统的功率可达10-1000兆瓦，是目前所有太阳能热发电站中功率最大，也是目前最具商业化运用条件的太阳能发电模式。 二、太阳能塔式热发电 塔式太阳能热发电系统一般由反射镜阵列、高塔、集能器、蓄热器、 发电机组等五个主要部分组成。反射镜阵列由许多面反射镜按一定规律排列而成。这些反射镜自动跟踪太阳，反射光能够精确地投射到集能器的窗口里。高塔可以建在镜阵中央或南侧。集能器按需要设计成单侧受光或四周受光。当阳光投射到集能器被吸收转变成热能后，便加热盘管内流动着的介质产生蒸汽。一部分热量用来带动汽轮发电机组发电，另一部分热量则被贮存在蓄热器里，以备没有阳光时发电用。由于聚光倍数高达1000以上，接受器一般可以收集1000兆瓦级的辐射功率，产生1000度的高温，总效率在15%以上。塔式电站的优点一是是聚光倍数高，容易达到较高的工作温度，阵列中的定日镜数目越多，其聚光比越大，接收器的集热温度也就愈高。二是能量集中过程是靠反射光线一次完成的，方法简捷有效。三是接收器散热面积相对较小，因而可得到较高的光热转换效率。塔式太阳能热发电系统可与高温、高压火电站的参数一致，这样不仅使太阳能发电系统有较高的热效率，而且容易获得配套设备。由于该发电系统每块镜面都随太阳运动而独立调节方位及朝向，所需要的跟踪定位机构代价高昂，在一定程度上限制了它的推广应用。目前塔式发电的利用规模 可达10-20兆瓦，还处于科技研发和示范工程阶段。 三、太阳能盘式热发电 太阳能盘式发电系统是利用曲面聚光反射镜，将入射阳光聚集在焦点处，在焦点处直接放置斯特林发动机发电的一种太阳能利用装置。系统的主要部分由控制柜、聚光反射镜、接受器、迴转台、跟踪装置和斯特林发动机构成。跟踪装置可连续地在两个坐标轴方向根据太阳移动进行定位。斯特林发动机为闭环活塞式发动机，聚焦的阳光直接落在发动机头部的吸热组件上，加热其内部的气体工质氦气进行发电。接收器位于各抛物面的焦点处，可产生800度左右的高温，效率达29.4%，在聚光式发电中是最高的。当在800度温度下运行时，单个盘式装置最大可发电约50千瓦。太阳能盘式发电系统可以实现并网发电，感应发电机效率达到94%以上， 可提供60Hz， 单相230V、三相460V的电力。交流发电机有时需要调频至直流，再调至交流，用来解决发电机输出波动及与电网匹配的问题。由于斯特林发动机的运动部件间没有机械连接，无须润滑、密封简单，被其带动的微型热电共生器既生电又生热等特点，使其具有能量转换效率高、机器非常“安静”、寿命长和非常环保、完全燃烧后只产生很少一点氧氮化物和一氧化碳等优势。虽然它与槽式电站相似，也可将多个盘组成一个较大的系统，但它原则上仍是小型发电系统。如果在一个区域内集中若干个这样的系统，也可以采用集中控制的方式，总功率能达到5-1000千瓦。近年来国际上太阳能盘式热发电技术得到了长足的进步和发展，该技术以投资省、成本低、效率高为主要特征，电站容量可 大可小，可以独立运行，也可以并网运行，因此具有广泛的适应性。 四、太阳能热气流发电 太阳能热气流发电系统是利用太阳辐射产生的热空气向上流动转化为动能的原理,并通过适当的机械转化成电能的一种自然驱动的发电装置。太阳能热气流发电系统主要由太阳能集热棚、导流烟囱和涡轮发电机组三部分构成。太阳能集热棚建在一块太阳辐照强、绝热性能比较好的土地上;集热棚和地面有一定间隙，可以让周围空气进入系统;集热棚中间离地面一定距离处装着烟囱，在烟囱底部装有涡轮机。太阳光照射集热棚，集热棚下面的土地吸收透过覆盖层的太阳辐射能，并加热土地和集热棚太阳能热气流覆盖层之间的空气，使集热棚内空气温度升高，密度下降，并沿着烟囱上升，集热棚周围的冷空气进入系统，从而形成空气循环流动。由于集热棚内的空间足够大，当集热棚内的空气流到达烟囱底部的时候，在烟囱内将形成强大的气流，利用这股强大的气流推动装在烟囱底部的涡轮机，带动发电机发电。太阳能热气流发电系统除了进行发电以外,还可以利用涡轮机旋转的动能直接抽取地下水,用于干旱地区农业灌溉。还可以在太阳能烟囱上安装风力发电机,利用风能和太阳能进行互补,提高发电功率和削减大风对太阳能烟囱装备的破坏。同时，还可利用太阳能烟囱改善局部空气扩散,消除局部的大气污染。但因烟囱入口热源温度与环境温度只相差只几十度，决定了其发电效率不可能很高，一般很难超过1%。而这一系统占地面积又大，30兆瓦的电厂就需用地400万平方米，因此，比较适合地广人稀的沙漠地区。 五、太阳能光伏发电 将太阳光辐射能通过光伏效应直接转换为电能，称为太阳能光伏发电技术。太阳能光伏发电系统主要由太阳能电池组件(阵列) 、控制器、蓄电池、逆变器和用户负载等组成。其中,太阳能电池组件和蓄电池为电源系统,控制器和逆变器为控制保护系统, 用户负载为系统终端。从上世纪70年代中期开始地面用太阳电池商品化以来，晶体硅就作为基本的电池材料占据着统治地位。以晶体硅材料制备的太阳能电池主要包括:单晶硅太阳电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池和薄膜晶体硅电池。单晶硅电池具有电池转换效率高，稳定性好，但是成本较高;非晶硅太阳电池具有生产效率高，成本低廉，但是转换效率较低，而且效率衰减得比较快;多晶硅太阳能电池则具有稳定的转换效率。而且性能价格比最高;薄膜晶体硅太阳能电池近年有了快速发展，但现在还占不到光伏发电的6%。从目前来看，薄膜电池虽有很好的发展潜质，但单晶硅与多晶硅电池仍是较长时间内的主流产品。太阳能光伏发电技术日新月异，企业转换率已达17%，实验室转换率已达24.7%，每年的平均增长速度超过0.2%以上。由于太阳能光伏发电具有安全可靠、无噪声、无污染、能量随处可得、无机械转动部件、故障率低、维护简便、无人值守、建站周期短、规模大小随意和无需架设输电线路、方便与建筑物结合等特点，它已成为太阳能发电最基本、最普遍和最有前景的应用形式。 五、总结 综上所述，太阳能作为一种全新的能源方式，他拥有很多其他能 源不能比拟的优点，尽管这种技术目前还不是很完善，还存在很多问 题，但我相信，再经过几年的发展，当这种技术完全发展起来后，他 一定会成为新能源领域的新军～