《太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)（114頁(yè)珍藏版）》請(qǐng)?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、太 陽(yáng) 能熱 發(fā) 電 系 統(tǒng) 思 考 題 1.簡(jiǎn) 述 太 陽(yáng) 能 氣 流 發(fā) 電 的 工 作 原 理 . 2.常 規(guī) 的 火 力 發(fā) 電 的 工 作 過 程 . 3.火 力 發(fā) 電 為 何 要 用 過 熱 蒸 汽 ? 4.常 規(guī) 的 火 力 發(fā) 電 要 解 決 的 主 要 問 題 是 什 么 ? 5.你 認(rèn) 為 太 陽(yáng) 能 熱 發(fā) 電 的 難 點(diǎn) 是 什 么 ? 6.太 陽(yáng) 能 氣 流 發(fā) 電 與 太 陽(yáng) 能 熱 發(fā) 電 相 比 ,各 有何 優(yōu) 缺 點(diǎn) ? 目 前 可 見 到 的 發(fā) 電 類 型 火 力 發(fā) 電 （ 煤 發(fā) 電 、 油 發(fā) 電 ） 最 常 見 的 ， 應(yīng) 用 最 廣 泛 的 ，

2、 耗 能 最 多 的 型 式 水 力 發(fā) 電 三 峽 、 豐 滿 電 站 （ 紀(jì) 念 郵 票 ） 要 有 自 然 資 源 、 地 域 優(yōu) 勢(shì) ， 人 工 建 站 ， 百 年 大 計(jì)三 峽 幾 十 年 籌 劃 ， 高 峽 出 平 湖 ， 百 萬(wàn) 移 民 ， 魚 鳥 遷居 ， 同 時(shí) 解 決 發(fā) 電 、 航 運(yùn) 、 灌 溉 三 大 問 題 核 電 站 （ 秦 山 、 大 亞 灣 ） 太 陽(yáng) 能 發(fā) 電 （ 光 -熱 發(fā) 電 、 光 -伏 發(fā) 電 ） 潮 汐 能 發(fā) 電 （ 要 有 自 然 資 源 、 地 域 優(yōu) 勢(shì) ） 風(fēng) 力 發(fā) 電 太 陽(yáng) 能 熱 發(fā) 電 系 統(tǒng) 通 過 水 或 其 他 工 質(zhì)

3、 和 裝 置 將 太 陽(yáng) 輻 射 能轉(zhuǎn) 換 為 電 能 的 發(fā) 電 方 式 ， 稱 為 太 陽(yáng) 能 發(fā) 電 。 太 陽(yáng) 能 發(fā) 電 目 前 主 要 有 兩 種 基 本 途 徑 ： 一 種 是 先 將 太 陽(yáng) 輻 射 能 轉(zhuǎn) 換 為 熱 能 ， 然 后 再按 照 某 種 發(fā) 電 方 式 將 熱 能 轉(zhuǎn) 換 為 電 能 ， 即 太陽(yáng) 能 熱 發(fā) 電 ； 另 一 種 是 通 過 光 電 器 件 直 接 將 太 陽(yáng) 輻射 能 轉(zhuǎn) 換 為 電 能 ， 即 太 陽(yáng) 能 光 伏 效 應(yīng) 發(fā) 電 。 這 里 先 介 紹 一 種 少 見 的 太 陽(yáng) 能 氣 流 發(fā) 電 太 陽(yáng) 能 氣 流 發(fā) 電 1978年 ，

4、 前 聯(lián) 邦 德 國(guó) 史 蘭 赫 博 士 的 一 個(gè) 奇妙 構(gòu) 思 ， 在 德 國(guó) 政 府 支 持 下 ， 一 個(gè) 新 奇 的 電 站建 成 了 ， 并 獲 得 試 驗(yàn) 成 功 。 它 為 人 類 利 用 大 陽(yáng)能 發(fā) 電 開 辟 了 一 條 新 的 途 徑 。 史 蘭 赫 獨(dú) 辟 蹊 徑的 設(shè) 計(jì) 思 想 受 到 了 人 們 的 高 度 贊 揚(yáng) ， 在 當(dāng) 代 科學(xué) 界 傳 為 美 談 。 太 陽(yáng) 能 氣 流 電 站 的 中 央 ， 豎 立 著 一 個(gè) 大“ 煙 囪 ” 。 它 是 用 波 紋 薄 鋼 板 卷 制 而 成 ， 其 直徑 達(dá) 10.3米 ， 高 200米 ， 重 約 20萬(wàn) 千

5、 克 。 在“ 煙 囪 ” 的 周 圍 ， 是 巨 大 的 環(huán) 形 曲 面 半 透 明 塑料 大 棚 。 太 陽(yáng) 能 氣 流 發(fā) 電 大 棚 的 中 央 部 分 高 8米 ， 邊 緣 高 2米 ， 周 長(zhǎng) 252米 。這 個(gè) 龐 然 大 物 是 在 金 屬 骨 架 上 裝 半 透 明 塑 料 板 制 成的 。 在 “ 煙 囪 底 部 安 裝 有 氣 輪 發(fā) 電 機(jī) 。 當(dāng) 大 棚 內(nèi) 的 空 氣 經(jīng) 太 陽(yáng) 曝 曬 以 后 ， 其 溫 度 比 棚 外空 氣 約 高 20 。 由 于 空 氣 具 有 熱 升 冷 降 的 特 點(diǎn) ， 再加 上 大 “ 煙 囪 ” 向 外 排 風(fēng) 的 作 用 ， 就

6、 使 熱 空 氣 通 過“ 煙 囪 ” 快 速 地 排 出 ， 因 而 底 部 進(jìn) 風(fēng) 口 抽 力 很 大 ，流 速 很 快 ， 從 而 使 設(shè) 在 “ 煙 囪 ” 底 部 的 氣 輪 發(fā) 電 機(jī)發(fā) 電 。 這 座 電 站 ， 白 天 可 發(fā) 電 10萬(wàn) 千 瓦 ， 夜 間 雖 沒 陽(yáng)光 ， 但 棚 內(nèi) 空 氣 溫 度 高 ， 仍 可 發(fā) 電 40千 瓦 。 它 的 發(fā)電 成 本 與 核 電 站 相 近 ， 相 當(dāng) 低 廉 。 太 陽(yáng) 能 氣 流 發(fā) 電 氣 流 電 站 的 試 驗(yàn) 成 功 ， 鼓 舞 了 史 蘭 赫 ， 并積 累 了 經(jīng) 驗(yàn) 。 于 是 ， 他 又 提 出 了 建 造 大 規(guī)

7、模 太 陽(yáng) 能 氣 流 電 站 的 計(jì) 劃 。 這 個(gè) 未 來(lái) 的 氣 流 電 站 ， 將 要 建 在 陽(yáng) 光 充 足 、地 面 開 闊 的 沙 漠 地 區(qū) 。 它 的 發(fā) 電 能 力 預(yù) 計(jì)為 100萬(wàn) 千 瓦 ， “ 煙 囪 ” 高 1000米 以 上 ， 塑料 大 棚 的 直 徑 則 達(dá) 10千 米 ， 并 且 使 用 壽 命長(zhǎng) 達(dá) 20年 。 太 陽(yáng) 光 透 過 半 透 明 的 塑 料 大 棚 ，將 其 中 的 空 氣 加 熱 到 2050 ， 使 熱 空 氣以 每 秒 2060米 的 速 度 從 “ 煙 囪 ” 排 出 。 太 陽(yáng) 能 氣 流 發(fā) 電 更 為 可 貴 的 是 ， 塑

8、料 大 棚 也 可 以 利 用 起 來(lái) 作暖 房 ， 種 植 蔬 菜 和 栽 培 早 熟 的 農(nóng) 作 物 。 史 蘭 赫 將 太 陽(yáng) 能 氣 流 電 站 的 設(shè) 想 變 成 現(xiàn) 實(shí) ，標(biāo) 志 著 人 類 利 用 太 陽(yáng) 能 的 技 術(shù) 得 到 進(jìn) 一 步 的 提高 ， 并 為 利 用 和 改 造 沙 漠 創(chuàng) 造 了 良 好 的 條 件 。 但 沙 漠 地 域 建 高 塔 有 較 大 難 度 ， 如 地 基 問 題 。 澳 大 利 亞 太 陽(yáng) 能 發(fā) 電 塔 澳 大 利 亞 計(jì) 劃 建 造 一 座 高 1 000 m的 太 陽(yáng) 能 發(fā) 電 高塔 ， 2005年 交 付 使 用 。 該 塔 的 主

9、 體 部 分 是 一 個(gè) 高 達(dá) 1 000 m的 管 道 ， 底部 塔 身 寬 1 30 m， 塔 身 周 圍 是 7X106平 方 米 的 溫 室 ，該 發(fā) 電 塔 的 工 作 原 理 是 ： 地 面 空 氣 受 到 太 陽(yáng) 光 的 照射 變 熱 后 ， 被 吸 入 塔 管 內(nèi) ， 熱 空 氣 沿 著 管 道 上 升 ，帶 動(dòng) 管 道 內(nèi) 的 渦 輪 發(fā) 電 機(jī) 發(fā) 電 。 這 座 發(fā) 電 塔 計(jì) 劃 建 在 澳 大 利 亞 新 威 爾 十 州 和 維 多 利亞 州 交 界 處 ， 建 成 后 可 以 解 決 20萬(wàn) 戶 居 民 的 用 電 問題 。 澳 大 利 亞 工 業(yè) 部 為 此 項(xiàng)

10、 目 投 資 3.8億 美 元 。 本 章 將 對(duì) 太 陽(yáng) 能 熱 發(fā) 電 系 統(tǒng) 的 工 作 原 理 、系 統(tǒng) 組 成 、 基 本 類 型 及 發(fā) 展 現(xiàn) 狀 與 未 來(lái) 展 望等 內(nèi) 容 加 以 介 紹 。 太 陽(yáng) 能 熱 發(fā) 電 技 術(shù) 可 分 為 兩 大 類 型 ： 一類 是 利 用 太 陽(yáng) 能 直 接 發(fā) 電 ， 如 利 用 半 導(dǎo) 體 材料 或 金 屬 材 料 的 溫 差 發(fā) 電 ， 真 空 器 件 中 的 熱電 子 和 熱 離 子 發(fā) 電 ， 堿 金 屬 的 熱 電 轉(zhuǎn) 換 ， 以及 磁 流 體 發(fā) 電 等 。 其 特 點(diǎn) 是 發(fā) 電 裝 置 本 體 無(wú)活 動(dòng) 部 件 。 但 它

11、 們 目 前 的 功 率 均 很 小 ， 有 的 仍 處 于 原理 性 試 驗(yàn) 階 段 ， 剛 進(jìn) 入 商 業(yè) 化 應(yīng) 用 ， 我 們 下一 節(jié) 介 紹 。 另 一 類 是 太 陽(yáng) 能 熱 動(dòng) 力 發(fā) 電 ， 利 用 太陽(yáng) 集 熱 器 將 太 陽(yáng) 能 收 集 起 來(lái) ， 加 熱 水 或 其他 工 質(zhì) ， 使 之 產(chǎn) 生 蒸 氣 ， 驅(qū) 動(dòng) 熱 力 發(fā) 動(dòng) 機(jī) ，再 帶 動(dòng) 發(fā) 電 機(jī) 發(fā) 電 ； 也 就 是 說 ， 先 把 熱 能轉(zhuǎn) 換 成 機(jī) 械 能 ， 然 后 再 把 機(jī) 械 能 轉(zhuǎn) 換 為 電能 。 這 種 類 型 已 達(dá) 到 實(shí) 際 應(yīng) 用 的 水 平 ， 美國(guó) 等 國(guó) 家 已 建 成

12、 具 有 一 定 規(guī) 模 的 實(shí) 用 電 站 ，下 面 的 介 紹 即 為 這 種 類 型 的 太 陽(yáng) 能 熱 發(fā) 電系 統(tǒng) 。 5.1 太 陽(yáng) 能 熱 發(fā) 電 系 統(tǒng) 工 作 原 理 太 陽(yáng) 能 熱 發(fā) 電 系 統(tǒng) 與 火 力 發(fā) 電 系 統(tǒng)的 工 作 原 理 基 本 上 是 相 同 的 ， 其 根 本 區(qū)別 在 于 熱 源 不 同 ， 前 者 以 太 陽(yáng) 能 為 熱 源 ，后 者 則 以 煤 炭 、 石 油 和 天 然 氣 等 化 石 燃料 為 熱 源 。 因 此 ， 下 面 首 先 對(duì) 火 力 發(fā) 電系 統(tǒng) 工 作 原 理 加 以 簡(jiǎn) 介 ， 然 后 介 紹 太 陽(yáng)能 熱 發(fā) 電 系 統(tǒng)

13、 工 作 原 理 。 5.1.1 火 力 發(fā) 電 系 統(tǒng) 工 作 原 理 所 謂 火 力 發(fā) 電 ， 就 是 將 從 煤 炭 、 石 油 和 天然 氣 等 燃 料 所 得 到 的 熱 能 變 換 成 機(jī) 械 能 ， 再帶 動(dòng) 發(fā) 電 機(jī) 轉(zhuǎn) 動(dòng) 產(chǎn) 生 電 能 的 發(fā) 電 方 式 。 火 力發(fā) 電 有 汽 輪 機(jī) 發(fā) 電 、 內(nèi) 燃 機(jī) 發(fā) 電 和 燃 氣 輪 發(fā)電 等 方 式 。 通 常 所 說 的 火 力 發(fā) 電 ， 主 要 是 指汽 輪 機(jī) 發(fā) 電 ， 也 就 是 利 用 燃 料 在 鍋 爐 中 燃 燒得 到 的 熱 能 將 水 加 熱 成 為 蒸 汽 ， 蒸 汽 沖 動(dòng) 汽輪 機(jī) ，

14、汽 輪 機(jī) 帶 動(dòng) 發(fā) 電 機(jī) 發(fā) 出 電 。 火 力 發(fā) 電系 統(tǒng) 由 鍋 爐 、 汽 輪 機(jī) 、 發(fā) 電 機(jī) 等 主 要 設(shè) 備 和許 多 附 屬 設(shè) 備 組 成 ， 如 圖 10-1所 示 。 (1)蒸 汽 的 能 量 在 一 定 壓 力 下 將 水 加 熱 至 沸 騰 ， 只 要 有 一 部 分水 還 未 蒸 發(fā) 成 蒸 汽 ， 水 和 蒸 汽 就 都 保 持 一 定 的 溫 度不 變 ， 直 到 全 部 水 都 蒸 發(fā) 為 水 蒸 氣 。 這 時(shí) 的 溫 度 稱為 飽 和 溫 度 ， 壓 力 稱 為 飽 和 壓 力 ， 飽 和 溫 度 下 的 蒸汽 稱 為 飽 和 蒸 汽 。 混 合

15、 著 一 些 水 分 的 飽 和 蒸 汽 稱 為 濕 飽 和 蒸 汽 ，不 含 水 分 的 飽 和 蒸 汽 稱 為 干 飽 和 蒸 汽 。 保 持 壓 力 不變 ， 繼 續(xù) 加 熱 飽 和 蒸 汽 ， 當(dāng) 溫 度 超 過 飽 和 溫 度 后 ，就 成 了 過 熱 蒸 汽 。 在 熱 能 發(fā) 電 過 程 中 ， 是 將 煤 粉 末 燃 燒 產(chǎn) 生 的 熱量 被 水 吸 收 ， 成 為 水 或 蒸 汽 的 熱 能 。 在 熱 力 學(xué) 中 ，以 焓 來(lái) 表 征 蒸 汽 或 水 持 有 的 熱 能 ， 以 O 時(shí) 1kg水 所持 有 的 熱 量 作 為 比 較 的 基 準(zhǔn) ， 單 位 為 kJ kg。

16、 顯 然 ， 一 定 容 積 的 蒸 汽 隨 著 溫 度 的 增 加 ，對(duì) 其 容 器 的 膨 脹 壓 力 會(huì) 愈 來(lái) 愈 大 。 根 據(jù)熱 力 學(xué) 定 律 ， 熱 能 與 機(jī) 械 能 可 互 相 轉(zhuǎn) 換 ，設(shè) 兩 者 的 交 換 值 為 Q(J)， 則 Q AU+W 式 中 ， W為 膨 脹 功 率 ； AU為 蒸 汽 內(nèi)能 的 變 化 量 。 火 力 發(fā) 電 中 利 用 蒸 汽 來(lái) 交換 電 能 正 是 高 溫 高 壓 蒸 汽 所 產(chǎn) 生 的 W。 (2)火 力 發(fā) 電 的 原 理 圖 10-2表 示 蒸 汽 做 功 的 過 程 。 燃 料 燃 燒 產(chǎn) 生 的 熱能 將 鍋 爐 中 的 水

17、 加 熱 產(chǎn) 生 濕 飽 和 蒸 汽 ， 濕 飽 和 蒸 汽 通過 輸 汽 管 時(shí) 繼 續(xù) 加 熱 成 為 干 飽 和 蒸 汽 ， 再 經(jīng) 過 過 熱 器進(jìn) 一 步 加 熱 成 為 過 熱 蒸 汽 . 高 溫 高 壓 的 過 熱 蒸 汽 通 過 汽 輪 機(jī) 噴 嘴 后 ，壓 力 和 溫 度 降 低 ， 體 積 膨 脹 ， 流 速 增 高 ， 熱 能轉(zhuǎn) 變 為 動(dòng) 能 ， 推 動(dòng) 汽 輪 機(jī) 轉(zhuǎn) 動(dòng) ， 由 汽 輪 機(jī) 帶 動(dòng) 發(fā) 電機(jī) 旋 轉(zhuǎn) 發(fā) 電 。 汽 輪 機(jī) 排 出 的 低 溫 低 壓 蒸 汽 送 進(jìn) 凝 汽 器凝 結(jié) 成 水 ， 再 送 入 鍋 爐 循 環(huán) 使 用 。 火 力 發(fā) 電

18、 過 程 中 ， 燃 料 的 熱 能 要 經(jīng) 過 鍋 爐 、汽 輪 機(jī) 和 發(fā) 電 機(jī) 才 能 轉(zhuǎn) 變 為 電 能 ， 在 鍋 爐 和 汽 輪 機(jī) 等處 都 有 能 量 損 失 ， 其 熱 效 率 只 有 30 -40 左 右 。 (3)火 力 發(fā) 電 過 程 的 熱 流 程 提 高 火 力 發(fā) 電 效 率 的 關(guān) 鍵 ， 是采 取 措 施 更 加 有 效 地 利 用 熱 能 。 下面 通 過 熱 循 環(huán) 來(lái) 考 察 火 力 發(fā) 電 過 程中 熱 能 的 演 變 。 蒸 汽 火 電 廠 的 熱 循環(huán) 包 括 朗 肯 循 環(huán) 、 回 熱 循 環(huán) 和 再 熱循 環(huán) 。 朗 肯 循 環(huán) 。 是 現(xiàn)

19、代 蒸 汽 動(dòng) 力 裝 置 的 基 本 熱 力 循環(huán) 。 因 系 由 蘇 格 蘭 工 程 學(xué) 教 授 朗 肯 對(duì) 卡 諾 循 環(huán) 進(jìn) 行改 進(jìn) 而 成 ， 故 稱 之 為 朗 肯 循 環(huán) 。 如 圖 103(a)所 示 ，火 電 廠 的 燃 料 燃 燒 產(chǎn) 生 熱 量 ， 將 送 進(jìn) 鍋 爐 的 水 (給水 )加 熱 成 為 蒸 汽 。 為 有 效 地 利 用 鍋 爐 的 燃 燒 熱 ，鍋 爐 內(nèi) 設(shè) 有 過 熱 器 ， 把 蒸 汽 進(jìn) 一 步 加 熱 為 過 熱 蒸 汽 。過 熱 蒸 汽 進(jìn) 入 汽 輪 機(jī) 后 膨 脹 做 功 ， 將 一 部 分 熱 能 轉(zhuǎn)換 為 推 動(dòng) 汽 輪 機(jī) 旋 轉(zhuǎn)

20、 的 動(dòng) 能 ， 成 為 低 溫 低 壓 蒸 汽 從汽 輪 機(jī) 排 出 (排 汽 )進(jìn) 入 凝 汽 器 ， 經(jīng) 冷 卻 后 又 凝 結(jié) 成水 。 整 個(gè) 熱 循 環(huán) 為 給 水 +蒸 汽 +排 汽 一 凝 水 一 給 水 。圖 103(b)是 表 示 這 一 過 程 的 熱 循 環(huán) 圖 。 回 熱 循 環(huán) 。 是 現(xiàn) 代 蒸 汽 動(dòng) 力 裝 置 普 遍 采 用 的 一 種 熱 力 循環(huán) ， 是 在 朗 肯 循 環(huán) 基 礎(chǔ) 上 對(duì) 吸 熱 過 程 加 以 改 進(jìn) 而成 。 在 朗 肯 循 環(huán) 中 ， 汽 輪 機(jī) 排 汽 所 含 的 蒸 發(fā) 熱 在凝 汽 器 中 丟 失 ， 這 部 分 熱 量 很

21、 大 。 如 圖 104所示 ， 為 提 高 熱 效 率 ， 在 汽 輪 機(jī) 內(nèi) 膨 脹 的 過 程 中 抽出 一 部 分 蒸 汽 ， 用 來(lái) 加 熱 鍋 爐 的 給 水 ， 這 個(gè) 熱 循環(huán) 就 稱 之 為 回 熱 循 環(huán) 。 它 不 僅 減 少 了 凝 水 器 中 丟失 的 熱 量 ， 并 且 還 提 高 了 通 過 汽 輪 機(jī) 的 過 熱 蒸 汽的 溫 度 及 壓 力 ， 從 而 使 整 個(gè) 系 統(tǒng) 的 熱 效 率 提 高 。 再 熱 循 環(huán) 。 過 熱 蒸 汽 在 汽 輪 機(jī) 高 壓 缸 中 膨 脹 至 某 一 中 間壓 力 后 全 部 返 回 鍋 爐 再 度 加 熱 ， 然 后 引

22、入 汽 輪 機(jī)中 低 壓 缸 繼 續(xù) 做 功 的 一 種 水 汽 循 環(huán) 。 在 圖 105所 示 的 熱 循 環(huán) 過 程 中 ， 汽 輪 機(jī) 分 為 高 壓 和 低 壓 兩級(jí) ， 高 壓 級(jí) 的 排 汽 全 部 引 出 后 送 到 鍋 爐 的 再 熱 器中 再 加 熱 ， 然 后 再 送 到 低 壓 級(jí) 繼 續(xù) 做 功 。 通 過 再熱 循 環(huán) 可 以 最 大 限 度 地 利 用 蒸 汽 的 熱 能 通 常 用于 l0萬(wàn) 千 瓦 以 上 的 汽 輪 發(fā) 電 機(jī) 組 。 (4)火 力 發(fā) 電 系 統(tǒng) 的 能 量 轉(zhuǎn) 換 過 程 圖 l0-6歸 納 了 火 力 發(fā) 電 系 統(tǒng) 能 量 轉(zhuǎn) 換 的

23、全 過 程 ， 即 煤 炭 、 石 油 和 天 然 氣 等 燃 料 包 含的 化 學(xué) 能 在 燃 燒 即 氧 化 反 應(yīng) 過 程 中 以 熱 量 的形 式 釋 放 出 來(lái) ， 熱 量 加 熱 鍋 爐 中 的 水 和 蒸 汽 ，成 為 蒸 汽 所 包 含 的 熱 能 高 溫 高 壓 的 過 熱 蒸 汽 在 汽 輪 機(jī) 中 膨 脹 做功 ， 轉(zhuǎn) 化 為 高 速 氣 流 ， 推 動(dòng) 汽 輪 機(jī) 旋 轉(zhuǎn) ， 熱能 轉(zhuǎn) 換 為 機(jī) 械 能 （ 過 熱 蒸 汽 才 有 高 速 氣 流 效 果 ） 最 后 ， 由 汽 輪 機(jī) 帶 動(dòng) 發(fā) 電 機(jī) 旋 轉(zhuǎn) 發(fā) 電 ，輸 出 電 能 。 這 就 是 火 力 發(fā)

24、電 系 統(tǒng) 發(fā) 電 的 整 個(gè)能 量 轉(zhuǎn) 換 過 程 。 火 力 發(fā) 電 要 解 決 的 主 要 問 題 1. 提 高 能 耗 效 率 2.減 少 溫 室 氣 體 (SO2)排 放 5.1.2 太 陽(yáng) 能 熱 發(fā) 電 系 統(tǒng) 基 本 工 作 原 理 在 介 紹 了 火 力 發(fā) 電 系 統(tǒng) 工 作 原 理 之 后 ， 再 闡述 太 陽(yáng) 能 熱 發(fā) 電 系 統(tǒng) 的 工 作 原 理 ， 就 簡(jiǎn) 單 容 易了 所 謂 太 陽(yáng) 能 熱 發(fā) 電 ， 就 是 利 用 聚 光 集 熱 器把 太 陽(yáng) 能 聚 集 起 來(lái) ， 將 某 種 工 質(zhì) 加 熱 到 數(shù) 百 攝氏 度 的 高 溫 ， 然 后 經(jīng) 過 熱 交

25、 換 器 產(chǎn) 生 高 溫 高 壓的 過 熱 蒸 汽 ， 驅(qū) 動(dòng) 汽 輪 機(jī) 并 帶 動(dòng) 發(fā) 電 機(jī) 發(fā) 電 。 從 汽 輪 機(jī) 出 來(lái) 的 蒸 汽 ， 其 壓 力 和 溫 度 均 已 大 為降 低 ， 經(jīng) 過 冷 凝 器 冷 凝 結(jié) 成 液 體 后 ， 被 重 新 泵回 熱 交 換 器 ， 又 開 始 新 的 循 環(huán) 。 由 于 整 個(gè) 發(fā) 電系 統(tǒng) 的 熱 源 來(lái) 自 于 太 陽(yáng) 能 ， 因 而 稱 之 為 太 陽(yáng) 能熱 發(fā) 電 系 統(tǒng) 利 用 太 陽(yáng) 能 進(jìn) 行 熱 發(fā) 電 的 能 量 轉(zhuǎn) 換 過程 ， 首 先 是 將 太 陽(yáng) 輻 射 轉(zhuǎn) 換 為 熱 能 ， 然 后是 將 熱 能 轉(zhuǎn) 換

26、為 機(jī) 械 能 ， 最 后 是 將 機(jī) 械 能轉(zhuǎn) 換 為 電 能 。 整 個(gè) 系 統(tǒng) 的 效 率 也 將 由 這 3部分 的 效 率 所 組 成 為 使 讀 者 得 到 關(guān) 于 太 陽(yáng) 能 熱 發(fā) 電 系 統(tǒng) 的 基 本 概 念 ，下 面 首 先 介 紹 一 下 理 想 熱 機(jī) 的 卡 諾 循 環(huán) 。 它 是 法 國(guó) 工 程師 卡 諾 于 1824年 首 先 提 出 的 ， 故 稱 為 卡 諾 循 環(huán) 。 該 循 環(huán)是 由 絕 熱 壓 縮 (工 質(zhì) 溫 度 由 T2提 高 至 T1)、 定 溫 吸 熱 (工 質(zhì)在 T2下 從 同 溫 度 的 高 溫 熱 源 吸 取 熱 量 Q1)、 絕 熱 膨

27、 脹 (工質(zhì) 溫 度 從 Tl降 至 T2)、 定 溫 放 熱 (工 質(zhì) 在 T2下 向 外 部 低 沮熱 源 定 溫 排 出 熱 量 ) 4個(gè) 過 程 組 成 的 一 個(gè) 可 逆 循 環(huán) (見 圖 107)。在 相 同 的 界 限 溫 度 (T1和 T2)間 任 何 實(shí) 際 的熱 力 循 環(huán) 由 于 不 可 逆 損 失 與 非 定 溫 傳 熱 ， 不可 能 達(dá) 到 如 此 離 的 熱 效 率 ， 故 卡 諾 循 環(huán) 是 一個(gè) 理 想 的 循 環(huán) 。 卡 諾 循 環(huán) 的 研 究 ， 使 熱 能 轉(zhuǎn)變 為 功 的 過 程 成 為 可 能 ， 并 對(duì) 提 高 實(shí) 際 循 環(huán)的 熱 效 率 提 出

28、了 方 向 將 熱 能 轉(zhuǎn) 換 為 機(jī) 械 功 的 條 件 及 理 論 上 可 得到 的 最 大 轉(zhuǎn) 換 效 率 ， 已 由 熱 力 學(xué) 第 二 定 律 和上 面 介 紹 的 卡 諾 循 環(huán) 原 理 所 闡 明 熱 力 學(xué) 第二 定 律 表 明 ， 任 何 熱 機(jī) 都 不 可 能 從 單 一 熱 源吸 取 熱 量 并 使 之 全 部 變 為 機(jī) 械 功 所 以 ， 熱機(jī) 從 熱 源 吸 取 的 熱 量 中 必 有 一 部 分 要 傳 遞 給另 一 低 于 熱 源 溫 度 的 物 體 ， 稱 之 為 冷 源 ， 如圖 108所 示 。 由 上 式 可 知 ， 要 提 高 熱 機(jī) 效 率 Vm，

29、熱 源 溫 度T1， 應(yīng) 盡 可 能 高 ， 冷 源 溫 度 T2應(yīng) 盡 可 能 低 。 對(duì) 于太 陽(yáng) 能 熱 發(fā) 電 系 統(tǒng) 來(lái) 說 ， 冷 源 (即 冷 凝 器 )的 溫 度主 要 取 決 于 環(huán) 境 ， 而 在 實(shí) 際 應(yīng) 用 中 冷 源 的 溫 度 是很 難 低 于 環(huán) 境 溫 度 的 。 因 此 ， 提 高 熱 機(jī) 效 率 的 主要 途 徑 ， 是 提 高 熱 源 的 溫 度 ， 這 就 需 要 采 用 聚 光集 熱 器 。 但 溫 度 過 高 也 會(huì) 帶 來(lái) 諸 多 問 題 ， 如 對(duì) 結(jié)構(gòu) 材 料 的 要 求 苛 刻 ， 對(duì) 聚 光 跟 蹤 的 精 度 要 求 高 ，集 熱 器

30、的 熱 效 率 隨 著 溫 度 的 增 加 而 減 少 等 ， 所 以過 于 提 高 熱 源 的 溫 度 也 并 不 總 是 有 利 的 。 太 陽(yáng) 能 熱 發(fā) 電 系 統(tǒng) 的 總 效 率 Vo為 集 熱 器 效率 Vt、 熱 機(jī) 效 率 Vm和 發(fā) 電 機(jī) 效 率 Vt的 乘 積 ，即 Vo VcVmVt 由 于 太 陽(yáng) 能 的 不 穩(wěn) 定 性 ， 系 統(tǒng) 中 必 須配 置 蓄 能 裝 置 ， 以 便 夜 間 或 雨 雪 天 時(shí) 提 供熱 能 ， 保 證 連 續(xù) 供 電 。 也 可 考 慮 組 成 太 陽(yáng)能 與 常 規(guī) 能 源 相 結(jié) 合 的 混 合 型 發(fā) 電 系 統(tǒng) ，用 常 規(guī) 能 源

31、 補(bǔ) 充 太 陽(yáng) 能 的 不 足 。 5.2 太 陽(yáng) 能 熱 發(fā) 電 系 統(tǒng) 組 成 太 陽(yáng) 能 熱 發(fā) 電 系 統(tǒng) 由 集 熱 子 系 統(tǒng) 、熱 傳 輸 子 系 統(tǒng) 、 蓄 熱 與 熱 交 換 子 系 統(tǒng) 和發(fā) 電 子 系 統(tǒng) 所 組 成 ， 如 圖 10-9所 示 。 碟 式 系 統(tǒng) 也 稱 為 盤 式 系 統(tǒng) 。 主 要 特 征 是 采 用 盤 狀拋 物 面 鏡 聚 光 集 熱 器 ， 其 結(jié) 構(gòu) 從 外 形 上 看 類似 于 大 型 拋 物 面 雷 達(dá) 天 線 。 由 于 盤 狀 拋 物 面鏡 是 一 種 點(diǎn) 聚 焦 集 熱 器 ， 其 聚 光 比 可 以 高 達(dá)數(shù) 百 到 數(shù) 千 倍

32、 ， 因 而 可 產(chǎn) 生 非 常 高 的 溫 度 。這 種 系 統(tǒng) 可 以 獨(dú) 立 運(yùn) 行 ， 作 為 無(wú) 電 邊 遠(yuǎn) 地 區(qū)的 小 型 電 源 ， 一 般 功 率 為 10 25kW， 聚 光 鏡直 徑 約 10 15m； 也 可 用 于 較 大 的 用 電 戶 ，把 數(shù) 臺(tái) 至 十 數(shù) 臺(tái) 裝 置 并 聯(lián) 起 來(lái) ， 組 成 小 型 太陽(yáng) 能 熱 發(fā) 電 站 。 5.2.1 集 熱 子 系 統(tǒng) 吸 收 太 陽(yáng) 輻 射 能 轉(zhuǎn) 換 為 熱 能 的 裝 置 。 主 要包 括 聚 光 裝 置 、 接 收 器 和 跟 蹤 機(jī) 構(gòu) 等 部 件 。不 同 的 功 率 和 不 同 的 工 作 溫 度 有

33、 其 合 適 的 結(jié)構(gòu) 。 100 以 下 的 小 功 率 裝 置 ， 多 為 平 板 式 集熱 器 。 有 的 裝 置 為 增 加 單 位 面 積 上 的 受 光 量 ， 而外 加 反 射 鏡 。 由 于 工 作 溫 度 低 ， 其 系 統(tǒng) 效 率一 般 在 5 以 下 。 對(duì) 于 在 高 溫 條 件 下 工 作 的 太陽(yáng) 能 熱 發(fā) 電 系 統(tǒng) 來(lái) 說 ， 必 須 采 用 聚 光 集 熱 裝置 來(lái) 提 高 集 熱 溫 度 ， 從 而 提 高 系 統(tǒng) 效 率 。 聚 光 集 熱 器 主 要 有 以 下 幾 種 類 型 : (1)復(fù) 合 拋 物 面 反 射 鏡 聚 焦 集 熱 器 ， 需季 節(jié)

34、 性 調(diào) 整 其 傾 角 。 (2)線 聚 焦 集 熱 器 ， 常 采 用 單 軸 跟 蹤 的拋 物 柱 面 反 射 鏡 聚 光 。 (3)固 定 的 多 條 槽 型 反 射 鏡 聚 焦 集 熱 裝置 和 固 定 的 半 球 面 反 射 鏡 線 聚 焦 集 熱 裝 置 ，其 吸 熱 管 都 需 跟 蹤 活 動(dòng) 。 (4)點(diǎn) 聚 焦 方 式 ， 它 提 供 了 最 大 可 能的 聚 光 度 ， 并 且 成 像 清 晰 ， 但 需 配 備 全跟 蹤 機(jī) 構(gòu) 。 (5)菲 涅 爾 透 鏡 ， 常 用 硬 質(zhì) 或 軟 質(zhì) 透明 塑 料 模 壓 而 成 ， 可 做 成 長(zhǎng) 的 線 聚 焦 裝置 或 圓

35、的 點(diǎn) 聚 焦 裝 置 ， 要 相 應(yīng) 配 置 單 軸跟 蹤 機(jī) 構(gòu) 或 全 跟 蹤 機(jī) 構(gòu) 。 (6)塔 式 聚 光 集 熱 裝 置 ， 它 是 大 功 率集 中 式 太 陽(yáng) 能 熱 發(fā) 電 系 統(tǒng) 的 主 要 聚 光 集熱 器 的 結(jié) 構(gòu) 方 式 。 構(gòu) 成 聚 光 裝 置 反 射 面 的 主 要 材 料 是 反 射鏡 面 ， 如 把 鋁 或 銀 蒸 鍍 在 玻 璃 上 ， 或 者 蒸鍍 在 聚 四 氟 乙 烯 及 聚 酯 樹 脂 等 膜 片 上 。 對(duì) 于 玻 璃 反 射 鏡 ， 可 蒸 鍍 在 鏡 子 的 正 面或 反 面 。 鍍 在 正 面 ， 反 射 率 高 ， 沒 有 光 透過

36、玻 璃 的 損 失 ， 但 不 易 保 護(hù) ， 壽 命 較 短 。鍍 在 反 面 ， 盡 管 由 于 陽(yáng) 光 必 須 透 過 玻 璃 會(huì)引 起 一 些 損 失 ， 但 鍍 層 易 保 護(hù) ， 使 用 壽 命較 長(zhǎng) ， 因 而 目 前 應(yīng) 用 較 多 。 接 收 器 的 主 要 構(gòu) 成 部 件 是 吸 收 體 。 其 形 狀 有 平面 狀 、 點(diǎn) 狀 、 線 狀 ， 也 有 空 腔 結(jié) 構(gòu) 。 在 吸 收 體 表 面往 往 覆 蓋 選 擇 性 吸 收 面 ， 如 ： 經(jīng) 過 化 學(xué) 處 理 的 金 屬表 面 ； 由 鋁 鉬 鋁 等 類 多 層 薄 膜 構(gòu) 成 的 表 面 ； 用等 離 子 體 噴

37、 射 法 在 金 屬 基 體 上 噴 鍍 特 定 材 料 后 所 構(gòu)成 的 表 面 等 。 它 們 對(duì) 太 陽(yáng) 光 的 吸 收 率 e很 高 ， 而 在吸 收 體 表 射 率 越 小 ， 接 收 器 所 能 達(dá) 到 的 溫 度 越 高 。還 可 在 包 圍 吸 收 體 的 玻 璃 等 的 表 面 鍍 上 一 定 厚 度 的鉬 、 錫 、 鈦 等 金 屬 制 成 選 擇 性 透 過 膜 。 這 種 膜 能 使可 見 光 區(qū) 域 的 波 長(zhǎng) 幾 乎 全 部 透 過 ， 而 對(duì) 紅 外 區(qū) 域 的波 長(zhǎng) 則 幾 乎 完 全 反 射 。 這 樣 ， 吸 收 體 吸 收 了 太 陽(yáng) 輻射 并 變 成 熱

38、 能 再 以 紅 外 線 輻 射 時(shí) ， 此 膜 即 可 將 熱 損耗 控 制 在 最 低 限 度 。 為 使 聚 光 器 、 接 收 器 發(fā) 揮 最 大 的 效 果 ， 反 射鏡 應(yīng) 配 置 跟 蹤 太 陽(yáng) 的 跟 蹤 機(jī) 構(gòu) 。 跟 蹤 的 方 式 ， 有反 射 鏡 可 以 繞 一 根 軸 轉(zhuǎn) 動(dòng) 的 單 軸 跟 蹤 ， 有 反 射 鏡可 以 繞 兩 根 軸 轉(zhuǎn) 動(dòng) 的 雙 軸 跟 蹤 。 實(shí) 現(xiàn) 跟 蹤 的 方 法 ， 有 程 序 控 制 式 和 傳 感 器 式 。 程 序 控 制 式 ， 是 預(yù) 先 用 計(jì) 算 機(jī) 計(jì) 算 并 存 儲(chǔ) 設(shè) 置地 點(diǎn) 的 太 陽(yáng) 運(yùn) 行 規(guī) 律 ， 然

39、后 依 據(jù) 程 序 以 預(yù) 定 的 速度 轉(zhuǎn) 動(dòng) 光 學(xué) 系 統(tǒng) ， 使 其 跟 蹤 太 陽(yáng) 。 傳 感 器 式 ， 是 用 傳 感 器 測(cè) 出 太 陽(yáng) 入 射 光 的 方 向 ，通 過 步 進(jìn) 電 機(jī) 等 驅(qū) 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 調(diào) 整 反 射 鏡 的 方 向 ， 以消 除 太 陽(yáng) 方 向 同 反 射 鏡 光 軸 間 的 偏 差 。 5.2.2 熱 傳 輸 子 系 統(tǒng) 對(duì) 于 熱 傳 輸 子 系 統(tǒng) 的 基 本 要 求 是 (1)輸 熱 管 道 的 熱 損 耗 小 ； (2)輸 送 傳 熱 介 質(zhì) 的 泵 功 率 小 ； (3)熱 量 輸 送 的 成 本 低 。 對(duì) 于 分 散 型 太 陽(yáng) 能 熱

40、發(fā) 電 系 統(tǒng) ， 通 常 是 將 許 多單 元 集 熱 器 串 、 并 聯(lián) 起 來(lái) 組 成 集 熱 器 方 陣 ， 這 就 使得 由 各 個(gè) 單 元 集 熱 器 收 集 起 來(lái) 的 熱 能 輸 送 給 蓄 熱 子系 統(tǒng) 時(shí) 所 需 要 的 輸 熱 管 道 加 長(zhǎng) ， 熱 損 耗 增 大 。 對(duì) 于集 中 型 太 陽(yáng) 能 熱 發(fā) 電 系 統(tǒng) ， 雖 然 輸 熱 管 道 可 以 縮 短 ，但 卻 要 將 傳 熱 介 質(zhì) 送 到 塔 頂 ， 需 消 耗 動(dòng) 力 。 傳 熱 介質(zhì) 根 據(jù) 溫 度 和 特 性 來(lái) 選 擇 ， 目 前 大 多 選 用 在 工 作 溫度 下 為 液 體 的 加 壓 水 和

41、 有 機(jī) 流 體 ， 也 有 選 擇 氣 體 和兩 相 狀 態(tài) 物 質(zhì) 的 。 為 減 少 輸 熱 管 道 的 熱 損 失 ， 目 前主 要 有 兩 種 做 法 ： 一 種 是 在 輸 熱 管 外 面 包 上 陶 瓷 纖維 、 聚 氨 基 甲 酸 酯 海 綿 等 導(dǎo) 熱 系 數(shù) 很 低 的 絕 熱 材 料 ；另 一 種 是 利 用 熱 管 輸 熱 5.2.3 蓄 熱 與 熱 交 換 子 系 統(tǒng) 由 于 地 面 上 的 太 陽(yáng) 能 受 季 節(jié) 、 晝 夜 和 云霧 、 雨 雪 等 氣 象 條 件 的 影 響 ， 具 有 間 歇 性 和隨 機(jī) 不 穩(wěn) 定 性 ， 為 保 證 太 陽(yáng) 能 熱 發(fā) 電

42、 系 統(tǒng) 穩(wěn)定 地 發(fā) 電 ， 需 設(shè) 置 蓄 熱 裝 置 。 蓄 熱 裝 置 常 由 真 空 絕 熱 或 以 絕 熱 材 料包 覆 的 蓄 熱 器 構(gòu) 成 。 可 把 太 陽(yáng) 能 熱 發(fā) 電 系 統(tǒng) 的 蓄 熱 與 熱 交 換系 統(tǒng) 分 為 下 面 4種 類 型 。 (1)低 溫 蓄 熱 以 平 板 式 集 熱 器 收 集 太 陽(yáng) 熱 和 以 低 沸 點(diǎn) 工 質(zhì)作 為 動(dòng) 力 工 質(zhì) 的 小 型 低 溫 太 陽(yáng) 能 熱 發(fā) 電 系 統(tǒng) ， 一般 用 水 蓄 熱 ， 也 可 用 水 化 鹽 等 。 (2)中 溫 蓄 熱 指 100 500 的 蓄 熱 ， 但 通 常 指 300 左 右 的 蓄

43、熱 。 這 種 蓄 熱 裝 置 常 用 于 小 功 率 太 陽(yáng) 能 熱 發(fā) 電 系統(tǒng) ,適 宜 于 中 溫 蓄 熱 的 材 料 有 高 壓 熱 水 、 有 機(jī) 流 體(在 300 左 右 可 使 用 導(dǎo) 熱 油 、 二 苯 基 氧 -二 苯 基 族流 體 、 穩(wěn) 定 飽 和 的 石 油 流 體 和 以 酚 醛 苯 基 甲 烷 為基 體 的 流 體 等 )和 載 熱 流 體 (如 燒 堿 等 )。 (3)高 溫 蓄 熱 指 500 以 上 的 高 溫 蓄 熱 裝 置 。 其蓄 熱 材 料 主 要 有 鈉 和 熔 化 鹽 等 。 (4)極 高 溫 蓄 熱 指 1000 左 右 的 蓄 熱 裝 置

44、。 常 用鋁 或 氧 化 鋯 耐 火 球 等 做 蓄 熱 材 料 。 5.2.4 發(fā) 電 子 系 統(tǒng) 由 熱 力 機(jī) 和 發(fā) 電 機(jī) 等 主 要 設(shè) 備 組 成 ， 與 火 力 發(fā)電 系 統(tǒng) 基 本 相 同 。 應(yīng) 用 于 太 陽(yáng) 能 熱 發(fā) 電 系 統(tǒng) 的 動(dòng) 力機(jī) 有 汽 輪 機(jī) 、 燃 氣 輪 機(jī) 、 低 沸 點(diǎn) 工 質(zhì) 汽 輪 機(jī) 、 斯 特林 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 等 。 這 些 發(fā) 電 裝 置 ， 可 根 據(jù) 集 熱 后 經(jīng) 過 蓄熱 與 熱 交 換 系 統(tǒng) 供 汽 輪 機(jī) 人 口 熱 能 的 溫 度 等 級(jí) 及 熱量 等 情 況 選 擇 。 對(duì) 于 大 型 太 陽(yáng) 能 熱 發(fā) 電 系 統(tǒng)

45、， 由 于其 溫 度 等 級(jí) 與 火 力 發(fā) 電 系 統(tǒng) 基 本 相 同 ， 可 選 用 常 規(guī)的 汽 輪 機(jī) ， 工 作 溫 度 在 800 以 上 時(shí) 可 選 用 燃 氣 輪機(jī) ； 對(duì) 于 小 功 率 或 低 溫 的 太 陽(yáng) 能 熱 發(fā) 電 系 統(tǒng) ， 則 可選 用 低 沸 點(diǎn) 工 質(zhì) 汽 輪 機(jī) 或 斯 特 林 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 。 低 沸 點(diǎn) 工 質(zhì) 汽 輪 機(jī) 是 一 種 使 用 低 沸 點(diǎn)工 質(zhì) 的 朗 肯 循 環(huán) 熱 機(jī) ， 一 般 把 它 的 熱 溫度 設(shè) 計(jì) 150 。 過 去 常 用 氟 里 昂 做 工 質(zhì) ，現(xiàn) 在 多 用 丁 烷 和 氨 等 。 來(lái) 自 蓄 熱 與 熱 交換

46、系 統(tǒng) 的 熱 能 送 入 氣 體 發(fā) 生 器 ， 使 加 壓的 液 體 工 質(zhì) 蒸 發(fā) ， 然 后 被 引 至 汽 輪 機(jī) 膨脹 做 功 。 壓 力 下 降 后 的 低 壓 氣 體 經(jīng) 冷 凝器 冷 卻 并 液 化 ， 再 由 泵 將 加 壓 的 工 質(zhì) 送回 氣 體 發(fā) 生 器 (圖 10-10)。 斯 特 林 發(fā) 動(dòng) 機(jī) 又 稱 為 熱 氣 機(jī) ， 因 其 是1816年 由 蘇 格 蘭 人 羅 伯 特 斯 特 林 所 發(fā) 明 而得 名 。 它 是 一 種 由 外 部 供 熱 使 氣 體 在 不 同 溫度 下 做 周 期 性 壓 縮 和 膨 脹 的 閉 式 循 環(huán) 往 返 式發(fā) 動(dòng) 機(jī) ，

47、 具 有 可 適 用 于 各 種 不 同 熱 源 、 無(wú) 廢氣 污 染 、 效 率 高 、 振 動(dòng) 小 、 噪 聲 低 、 運(yùn) 轉(zhuǎn) 平穩(wěn) 、 可 靠 性 高 和 壽 命 較 長(zhǎng) 等 優(yōu) 點(diǎn) 。 其 主 要 部件 有 加 熱 器 、 回 熱 器 、 冷 卻 器 、 配 氣 活 塞 、動(dòng) 力 活 塞 及 傳 動(dòng) 機(jī) 構(gòu) 等 5.3 太 陽(yáng) 能 熱 發(fā) 電 系 統(tǒng) 基 本 類 型 自 從 1950年 原 蘇 聯(lián) 設(shè) 計(jì) 建 造 了 世 界 第 一 座 塔 式太 陽(yáng) 能 熱 發(fā) 電 小 型 試 驗(yàn) 裝 置 和 1976年 法 國(guó) 在 比 利 牛斯 山 區(qū) 建 成 世 界 第 一 座 電 功 率 達(dá) l

48、OOkW的 塔 式 太 陽(yáng)能 熱 發(fā) 電 系 統(tǒng) 之 后 ， 20世 紀(jì) 80年 代 以 來(lái) ， 美 國(guó) 、 意大 利 、 法 國(guó) 、 前 蘇 聯(lián) 、 西 班 牙 、 日 本 、 澳 大 利 亞 、德 國(guó) 、 以 色 列 等 國(guó) 相 繼 建 立 起 各 種 不 同 類 型 的 試 驗(yàn)示 范 裝 置 和 商 業(yè) 化 試 運(yùn) 行 裝 置 ， 促 進(jìn) 了 太 陽(yáng) 能 熱 發(fā)電 技 術(shù) 的 發(fā) 展 和 商 業(yè) 化 進(jìn) 程 。 據(jù) 不 完 全 統(tǒng) 計(jì) ， 僅 在1981 1991年 10年 期 間 ， 全 世 界 就 共 建 成 了 500kW以上 的 太 陽(yáng) 能 熱 發(fā) 電 系 統(tǒng) 20多 座 。 世

49、 界 現(xiàn) 有 的 太 陽(yáng) 能熱 發(fā) 電 系 統(tǒng) 大 致 可 分 為 槽 式 線 聚 焦 系 統(tǒng) 、 塔 式 系 統(tǒng)和 碟 式 系 統(tǒng) 3大 基 本 類 型 。 5.3.1 槽 式 線 聚 焦 系 統(tǒng) 利 用 槽 形 拋 物 面 反 射 鏡 將 太 陽(yáng) 光聚 焦 到 集 熱 器 對(duì) 傳 熱 工 質(zhì) 加 熱 ， 在 換熱 器 內(nèi) 產(chǎn) 生 蒸 汽 ， 推 動(dòng) 汽 輪 機(jī) 帶 動(dòng) 發(fā)電 機(jī) 發(fā) 電 的 系 統(tǒng) 。 其 特 點(diǎn) 是 聚 光 集 熱器 由 許 多 分 散 布 置 的 槽 形 拋 物 面 鏡 聚光 集 熱 器 串 、 并 聯(lián) 組 成 ， 如 圖 10-12所示 。 載 熱 介 質(zhì) 在 單 個(gè)

50、 分 散 的 聚 光 集 熱器 中 被 加 熱 或 形 成 蒸 汽 匯 集 到 汽 輪 機(jī)圖 10-12(a)； 或 者 匯 集 到 熱 交 換器 ， 把 熱 量 傳 遞 給 汽 輪 機(jī) 回 路 中 的 工質(zhì) 圖 10-12(b)。 槽 形 拋 物 面 鏡 集 熱 器 是 一 種 線 聚 焦 集 熱器 ， 其 聚 光 比 較 塔 式 系 統(tǒng) 低 得 多 ， 吸 收 器 的散 熱 面 積 也 較 大 ， 因 而 集 熱 器 所 能 達(dá) 到 的 介質(zhì) 工 作 溫 度 一 般 不 超 過 400 ， 屬 于 中 溫 系統(tǒng) 。 這 種 系 統(tǒng) ， 容 量 可 大 可 小 ， 不 像 塔 式 系統(tǒng) 只

51、有 大 容 量 才 有 較 好 的 經(jīng) 濟(jì) 效 益 ； 其 集 熱器 等 裝 置 都 布 置 于 地 面 上 ， 安 裝 和 維 護(hù) 比 較方 便 ； 特 別 是 各 聚 光 集 熱 器 可 同 步 跟 蹤 ， 使控 制 成 本 大 為 降 低 。 主 要 缺 點(diǎn) 是 能 量 集 中 過程 依 賴 于 管 道 和 泵 ， 致 使 輸 熱 管 路 比 塔 式 系統(tǒng) 復(fù) 雜 ， 輸 熱 損 失 和 阻 力 損 失 也 較 大 。 美 國(guó) 與 以 色 列 聯(lián) 合 的 魯 茲 (LUZ)公司 于 1980年 開 始 研 制 開 發(fā) 槽 式 線 聚 焦系 統(tǒng) ， 5年 后 實(shí) 現(xiàn) 了 產(chǎn) 品 化 ， 可

52、 生 產(chǎn)14 80MW的 系 列 化 發(fā) 電 裝 置 。 該 公 司于 1985 1991年 間 先 后 在 美 國(guó) 加 利 福尼 亞 州 南 部 的 莫 罕 夫 (Moiave)沙 漠 地區(qū) 建 成 的 9座 大 型 商 用 槽 式 拋 物 面 鏡 線聚 焦 太 陽(yáng) 能 熱 發(fā) 電 系 統(tǒng) (SEGSISEGSX)， 是 這 一 類 型 的 典 型 。 圖 10-13是 這 一 系 統(tǒng) 的 原 理 圖 。 它 是 利 用 線 性 聚焦 的 拋 物 面 槽 技 術(shù) ， 由 太 陽(yáng) 輻 射 作 為 一 次 能 源 的 中 壓 、朗 肯 循 環(huán) 蒸 汽 發(fā) 電 系 統(tǒng) 。 系 統(tǒng) 中 的 太 陽(yáng)

53、能 收 集 器場(chǎng) 裝 有 相 當(dāng) 數(shù) 量 的 太 陽(yáng) 能 集 熱 器 組 合 單 元 ， 每 個(gè) 組 合單 元 由 若 干 槽 式 拋 物 面 鏡 線 聚 焦 集 熱 器 組 成 ， 裝 配 成50 96m長(zhǎng) 的 單 元 。 例 如 80MW的 SEGS 太 陽(yáng) 能 收 集 器場(chǎng) 包 括 852個(gè) 長(zhǎng) 96m的 太 陽(yáng) 能 集 熱 器 組 合 單 元 ， 排 列 成142個(gè) 環(huán) 路 。 由 1臺(tái) 計(jì) 算 機(jī) 分 別 控 制 這 些 組 合 單 元 跟 蹤太 陽(yáng) ， 使 其 全 天 都 能 將 陽(yáng) 光 準(zhǔn) 確 地 反 射 到 集 熱 鋼 管 上 。集 熱 鋼 管 內(nèi) 裝 有 傳 熱 流 體 ，

54、先 由 反 射 的 太 陽(yáng) 輻 射 加 熱到 391 ， 然 后 被 輸 送 到 動(dòng) 力 裝 置 ， 在 傳 統(tǒng) 的 熱 交 換系 統(tǒng) 中 把 熱 量 傳 遞 給 水 ， 將 水 加 熱 成 過 熱 蒸 汽 ， 驅(qū) 動(dòng)汽 輪 發(fā) 電 機(jī) 組 發(fā) 電 。 魯 茲 公 司 先 后 研 制 開 發(fā) 了 3種 太 陽(yáng) 能 集 熱 裝 置 。 反 射鏡 、 真 空 集 熱 管 和 跟 蹤 機(jī) 構(gòu) 是 其 3大 關(guān) 鍵 部 件 。 反 射 鏡采 用 低 鐵 玻 璃 加 熱 成 型 ， 背 面 鍍 銀 再 涂 以 保 護(hù) 層 。 鏡片 用 高 強(qiáng) 度 黏 結(jié) 劑 黏 附 在 支 架 的 托 盤 上 。 LS

55、-1和 LS-2集 熱 器 元 件 由 帶 鉻 黑 表 面 的 不 銹 鋼 管 和 抽 真 空 的 玻 璃外 套 管 構(gòu) 成 ， 鉻 黑 表 面 的 吸 收 率 為 0.94， 在 300 時(shí) 反射 率 為 0.24。 LS-3采 用 的 不 銹 鋼 管 外 表 面 涂 覆 有 光 譜選 擇 性 吸 收 涂 層 ， 太 陽(yáng) 光 吸 收 率 為 0.96， 在 350 時(shí) 的反 射 率 為 0.19， 明 顯 優(yōu) 于 鉻 黑 。 玻 璃 套 管 上 有 雙 層 減反 射 涂 層 ， 太 陽(yáng) 光 透 過 率 為 0.965。 不 銹 鋼 管 與 玻 璃 套管 之 間 抽 成 0.013Pa真 空

56、， 并 用 可 伐 合 金 及 不 銹 鋼 波 紋管 封 接 ， 保 證 夾 層 真 空 密 封 ， 以 降 低 在 高 溫 下 運(yùn) 行 的熱 損 失 ， 并 保 護(hù) 涂 層 表 面 不 被 氧 化 。 夾 層 中 裝 有 吸 氣劑 ， 使 真 空 得 以 長(zhǎng) 期 保 持 。 集 熱 器 的 載 熱 工 質(zhì) 為 一 種 合 成 油 ， 并 加 有 防 凍 劑 ，具 有 熱 容 大 和 凝 固 點(diǎn) 低 等 特 點(diǎn) 。 集 熱 裝 置 采 用 單 軸 跟蹤 。 起 動(dòng) 運(yùn) 行 時(shí) ， 由 一 個(gè) 軸 編 碼 器 確 定 集 熱 裝 置 繞 軸的 初 始 位 置 ， 定 位 系 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 精

57、度 為 0.1度 。 然 后 ，通 過 太 陽(yáng) 輻 射 傳 感 器 閉 環(huán) 跟 蹤 系 統(tǒng) ， 使 集 熱 裝 置 對(duì) 準(zhǔn)太 陽(yáng) ， 把 太 陽(yáng) 光 線 聚 焦 到 集 熱 管 上 。 反 射 鏡 架 結(jié) 構(gòu) 和驅(qū) 動(dòng) 系 統(tǒng) 能 保 證 在 9m s以 下 的 風(fēng) 速 時(shí) 有 正 常 的 跟 蹤精 度 ， 在 20m s的 風(fēng) 速 下 可 保 證 在 某 個(gè) 降 低 的 精 度 下運(yùn) 行 。 太 陽(yáng) 能 集 熱 器 場(chǎng) 控 制 系 統(tǒng) 由 中 央 控 制 室 的 場(chǎng) 地監(jiān) 控 裝 置 和 每 個(gè) 集 熱 器 組 合 單 元 的 微 處 理 器 組 成 。 場(chǎng) 地 監(jiān) 控 裝 置 監(jiān) 測(cè) 日

58、照 、 風(fēng) 速 和 傳 熱流 體 的 流 動(dòng) 狀 態(tài) ， 并 傳 送 給 所 有 集 熱 器 的微 處 理 器 。 從 太 陽(yáng) 能 集 熱 器 場(chǎng) 輸 出 的 熱 流體 經(jīng) 過 熱 交 換 器 ， 產(chǎn) 生 過 熱 高 壓 蒸 汽 ， 進(jìn)入 汽 輪 機(jī) 。 在 系 統(tǒng) 中 還 包 括 一 個(gè) 并 聯(lián) 的 天然 氣 鍋 爐 ， 用 以 補(bǔ) 充 太 陽(yáng) 能 的 不 足 ， 維 持汽 輪 機(jī) 滿 容 量 運(yùn) 行 ， 提 供 峰 值 輸 出 。 由 于鍋 爐 系 統(tǒng) 產(chǎn) 生 的 蒸 汽 壓 力 與 太 陽(yáng) 能 系 統(tǒng) 相同 ， 汽 輪 機(jī) 用 同 一 常 規(guī) 人 口 。 這 9座 電 站 的 總 容 量

59、 為 354MW， 年 發(fā) 電 為10.8億 度 ， 其 中 ： SEGSI為 14MW， SEGS SEGS 各 為 30MW， SEGS 和 SEGS 各 為 80MW。這 9座 電 站 均 與 南 加 州 愛 迪 生 電 力 公 司 聯(lián) 網(wǎng) 。 隨著 技 術(shù) 的 不 斷 提 高 ， 其 系 統(tǒng) 效 率 已 由 初 始 的11 5 提 高 到 13 6 ， 建 造 費(fèi) 用 已 由 5 976美元 千 瓦 下 降 到 3 011美 元 千 瓦 ， 發(fā) 電 成 本 已由 26 3美 分 度 下 降 為 12美 分 度 。 5.3.2 塔 式 系 統(tǒng) （ 應(yīng) 用 最 廣 泛 ） 又 稱 集 中

60、型 系 統(tǒng) 。 它 是 在 很 大 面 積 的 場(chǎng)地 上 裝 有 許 多 臺(tái) 大 型 反 射 鏡 ， 通 常 稱 為 定 日鏡 ， 每 臺(tái) 都 各 自 配 有 跟 蹤 機(jī) 構(gòu) ， 準(zhǔn) 確 地 將 太陽(yáng) 光 反 射 集 中 到 一 個(gè) 高 塔 頂 部 的 接 收 器 上 。接 收 器 上 的 聚 光 倍 率 可 超 過 1 000倍 。 在 這 里 把 吸 收 的 太 陽(yáng) 光 能 轉(zhuǎn) 換 成 熱 能 ， 再將 熱 能 傳 給 工 質(zhì) ， 經(jīng) 過 蓄 熱 環(huán) 節(jié) ， 再 輸 入 熱動(dòng) 力 機(jī) ， 膨 脹 做 功 ， 帶 動(dòng) 發(fā) 電 機(jī) ， 最 后 以 電能 的 形 式 輸 出 。 主 要 由 聚

61、光 子 系 統(tǒng) 、 集 熱 子系 統(tǒng) 、 蓄 熱 子 系 統(tǒng) 和 發(fā) 電 子 系 統(tǒng) 等 部 分 組 成 ，如 圖 10-14所 示 。 (1)反 射 鏡 (又 稱 定 日 鏡 )及 其 自 動(dòng) 跟 蹤 由 于 這 一 發(fā) 電 方 式 要 求 高 溫 、 高 壓 ，對(duì) 于 太 陽(yáng) 光 的 聚 焦 必 須 有 較 大 的 聚 光 比 ，需 用 千 百 面 反 射 鏡 ， 并 要 有 合 理 的 布 局 ，使 其 反 射 光 都 能 集 中 到 較 小 的 集 熱 器 窗 口 。 反 射 鏡 的 反 光 率 應(yīng) 在80 90 以 上 ， 自 動(dòng) 跟 蹤 太 陽(yáng) 要 同 步 。 (2)接 收 器 也

62、 叫 太 陽(yáng) 能 鍋 爐 。 要 求 體 積 小 ， 換 能 效率 高 。 有 垂 直 空 腔 型 、 水 平 空 腔 型 和 外 部受 光 型 等 類 型 。 對(duì) 于 垂 直 空 腔 型 和 水 平 空腔 型 來(lái) 說 ， 由 于 反 射 鏡 反 射 光 可 以 照 射 到空 腔 內(nèi) 部 ， 因 而 可 將 鍋 爐 的 熱 損 失 控 制 到最 低 限 度 ， 但 最 佳 空 腔 尺 寸 與 場(chǎng) 地 的 布 局有 關(guān) 。 外 部 受 光 型 吸 收 體 的 熱 損 耗 要 比 上述 兩 種 類 型 大 些 ， 但 適 合 于 大 容 量 系 統(tǒng) 。 (3)蓄 熱 裝 置 應(yīng) 選 用 傳 熱 和

63、 蓄 熱 性 能 良 好 的 材 料 作 為蓄 熱 工 質(zhì) 。 選 用 水 汽 系 統(tǒng) 具 有 許 多 優(yōu) 點(diǎn) ，因 為 工 業(yè) 界 和 使 用 者 都 很 熟 悉 ， 有 大 量 的工 業(yè) 設(shè) 計(jì) 和 運(yùn) 行 經(jīng) 驗(yàn) ， 附 屬 設(shè) 備 也 已 商 品化 。 但 腐 蝕 問 題 是 其 不 足 之 處 。 對(duì) 于 高 溫的 大 容 量 系 統(tǒng) 來(lái) 說 ， 可 選 用 鈉 做 熱 傳 輸 工質(zhì) ， 它 具 有 優(yōu) 良 的 導(dǎo) 熱 性 能 ， 可 在 3000kW m2的 熱 流 密 度 下 工 作 。 1982年 4月 ， 美 國(guó) 在 加 州 南 部 巴 斯 托(Barstow)附 近 的 沙

64、 漠 地 區(qū) 建 成 一 座 稱 為“ 太 陽(yáng) 1號(hào) ” 的 塔 式 太 陽(yáng) 能 熱 發(fā) 電 系 統(tǒng) 。 該系 統(tǒng) 的 反 射 鏡 陣 列 ， 由 1818面 反 射 鏡 環(huán) 包括 接 收 器 總 高 達(dá) 85 5m的 高 塔 排 列 組 成 。起 初 ， 采 用 水 -蒸 汽 系 統(tǒng) ， 發(fā) 電 功 率 為IOMW(如 圖 10-15)。 1992年 裝 置 經(jīng) 過 改 裝 ，用 于 示 范 熔 鹽 接 收 器 和 蓄 熱 裝 置 。 由 于 增 加 了 蓄 熱 裝 置 ， 使 太 陽(yáng) 塔 輸 送 電能 的 負(fù) 荷 因 子 可 高 達(dá) 65 。 熔 鹽 在 接 收器 內(nèi) 由 288 加 熱

65、到 565 ， 用 于 發(fā) 電 。以 后 ， 又 開 始 建 設(shè) “ 太 陽(yáng) 2號(hào) ” 系 統(tǒng) ， 并于 1996年 并 網(wǎng) 發(fā) 電 。 該 電 站 在 運(yùn) 行 3年 之后 進(jìn) 行 了 評(píng) 估 ， 其 發(fā) 電 實(shí) 踐 不 僅 證 明 了熔 鹽 技 術(shù) 的 正 確 性 ， 而 且 促 進(jìn) 了 30200MW塔 式 系 統(tǒng) 的 商 業(yè) 化 進(jìn) 程 。 近 年 ， 以 色 列 Weizmanm科 學(xué) 研 究 院 正 在 對(duì)此 類 系 統(tǒng) 進(jìn) 行 改 進(jìn) 。 用 一 組 獨(dú) 立 跟 蹤 太 陽(yáng) 的 反 射鏡 ， 將 陽(yáng) 光 反 射 到 固 定 在 塔 頂 部 的 初 級(jí) 反 射 鏡 -拋 物 面 鏡

66、上 ， 然 后 由 其 將 陽(yáng) 光 向 下 反 射 到 位 于 它下 面 的 次 級(jí) 反 射 鏡 -復(fù) 合 拋 物 面 聚 光 器 (CPC)， 最后 由 CPC將 陽(yáng) 光 聚 集 在 其 底 部 的 接 收 器 上 。 通 過接 收 器 的 氣 體 被 加 熱 到 約 1200 ， 推 動(dòng) 1臺(tái) 汽 輪發(fā) 電 機(jī) 組 ， 500 左 右 的 排 氣 再 用 于 推 動(dòng) 另 1臺(tái) 汽輪 發(fā) 電 機(jī) 組 ， 從 而 使 系 統(tǒng) 的 總 發(fā) 電 效 率 可 達(dá) 25 28 。 據(jù) 悉 仍 在 研 究 試 驗(yàn) 中 。 5.3.3 碟 式 系 統(tǒng) 也 稱 為 盤 式 系 統(tǒng) 。 主 要 特 征 是 采 用 盤 狀拋 物 面 鏡 聚 光 集 熱 器 ， 其 結(jié) 構(gòu) 從 外 形 上 看 類似 于 大 型 拋 物 面 雷 達(dá) 天 線 。 由 于 盤 狀 拋 物 面鏡 是 一 種 點(diǎn) 聚 焦 集 熱 器 ， 其 聚 光 比 可 以 高 達(dá)數(shù) 百 到 數(shù) 千 倍 ， 因 而 可 產(chǎn) 生 非 常 高 的 溫 度 。這 種 系 統(tǒng) 可 以 獨(dú) 立 運(yùn) 行 ， 作 為 無(wú) 電 邊 遠(yuǎn) 地 區(qū)的 小 型 電 源