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二次反射塔式光熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展前景分析
發(fā)布者:admin | 來源:中國電建集團西勘院有限公司 | 0評論 | 14044查看 | 2018-07-17 14:52:00    
摘要:太陽能熱發(fā)電是可再生的清潔能源,在能源領(lǐng)域越來越受到投資者的青睞。塔式光熱發(fā)電作為最具發(fā)展前景的光熱發(fā)電形式之一,逐步成為光熱發(fā)電研發(fā)和投資開發(fā)的重點,但目前主要是具有一次反射裝置的系統(tǒng),吸熱器位于高空,傳熱介質(zhì)通過管道將能量輸送到地面,過程中熱能損失較大,本文從鏡場光學(xué)效率、吸熱器效率、管道效率等方面闡述了吸熱器位于地面,太陽光經(jīng)過兩次反射到達地面吸熱器的二次反射塔式光熱發(fā)電系統(tǒng),是一種具有廣闊發(fā)展前景的光熱發(fā)電形式。

關(guān)鍵詞:二次反射光熱發(fā)電塔式發(fā)展前景

  

1.引言

  

太陽能作為一種可再生的清潔能源,在能源環(huán)境領(lǐng)域越來越受到重視,太陽能發(fā)電已經(jīng)成為太陽能大規(guī)模利用的主要方式。在未來的可再生能源利用中,太陽能熱發(fā)電作為一種太陽能利用技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景。

  

太陽能熱發(fā)電的原理是先將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能,再將熱能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電技術(shù),但由于太陽能的密度較低,溫度通常情況下低于100℃,需要較大的采光集熱面通過聚光改變光線傳播方向,使光線聚焦以提高能量密度,才能滿足發(fā)電要求。聚光器作為光熱發(fā)電系統(tǒng)中將太陽能進行聚集以增加能量密度的裝置,對聚光太陽能熱發(fā)電的效率起著十分重要的作用,通過聚光器將低密度的太陽能聚焦后轉(zhuǎn)換成高密度的太陽能,再經(jīng)傳熱介質(zhì)將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能,然后通過熱力循環(huán)做功實現(xiàn)由熱能到電能的轉(zhuǎn)換。由于太陽輻射不穩(wěn)定,受晝夜、季節(jié)、地理位置和氣候條件的影響波動較大,造成光熱發(fā)電系統(tǒng)效率低而成本高。目前利用太陽能進行聚光熱發(fā)電的形式主要有槽式、塔式、碟式、菲涅爾式等,幾種發(fā)電方式并存并各自進行發(fā)展,但投入商業(yè)化運營的光熱發(fā)電技術(shù)主要是塔式和槽式光熱發(fā)電。理論上塔式效率可以達到23%,但由于單位容量投資大,商業(yè)化程度不及槽式太陽能發(fā)電[1],隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步和產(chǎn)品的日趨成熟,投資成本也會不斷降低,會成為今后一段時期光熱發(fā)電重點研發(fā)和利用形式。


2.一次聚光塔式光熱發(fā)電及其缺點


目前塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)對于太陽光的聚集和反射多采用一次反射,即通過鏡場將太陽輻射聚集到距離地面一定高度的吸熱器上,吸熱器直接接受地面鏡場反射的太陽輻射,吸熱器中的傳熱介質(zhì)(熔融巖)獲得高溫熱能,獲取熱量的傳熱介質(zhì)通過管道將輸送到熱能地面儲熱罐,儲熱罐中的高溫傳熱介質(zhì)再通過管道輸送到蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生蒸汽推動汽輪機發(fā)電。這一系統(tǒng)中,鏡場中的各定日鏡對于中心吸熱塔有著不同的朝向和距離,對每個定日鏡的跟蹤都要進行單獨的二維控制,且各定日鏡的控制各不相同,極大增加了控制系統(tǒng)的復(fù)雜性和安裝調(diào)試的難度[1—3]。


吸熱器是塔式熱發(fā)電將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能的核心部件,采用熔融鹽作為傳熱介質(zhì),可實現(xiàn)連續(xù)、穩(wěn)定大規(guī)模發(fā)電。但連續(xù)在非穩(wěn)態(tài)的高溫環(huán)境下工作,使得吸熱器很容易被腐蝕發(fā)生過熱故障,直接影響電站的正常運行[4—6]。太陽輻射從定日鏡反射面接受并反射到吸熱器的過程中,主要存在余弦損失、陰影和阻擋損失、大氣衰減損失和截斷損失。在這些損失中,余弦損失、大氣衰減損失和吸熱器的截斷損失與定日鏡所在的坐標位置有關(guān),陰影和阻擋損失主要發(fā)生在相鄰定日鏡之間。同時,吸熱器的效率與吸熱器表面反射損失、吸熱器的散熱損失有關(guān),太陽光線入射到吸熱器表面時,有一部分光線由于反射而損失,這部分損失與吸熱表面涂層材料性質(zhì)有關(guān);吸熱器的散熱損失形式有對流散熱損失、輻射散熱損失和導(dǎo)熱散熱損失。


采用該種方式布置的吸熱器,由于距離地面的高度往往在100m以上,隨著高度增加風(fēng)速也是不斷增大,在吸熱器附近風(fēng)速肯定大于地面,吸熱器外表面對流熱損較大,熱量損失較大;吸熱器高空布置,管道較長,熱量從吸熱器到地面進行管道輸送,存在熱量損失,熱效率較低,同時需配置高揚程循環(huán)泵、建設(shè)吸熱器基礎(chǔ)及塔體,設(shè)備購置成本、建設(shè)成本增加,運行期場用電量也隨之增加;吸熱器施工安裝和后期運維難度及安全風(fēng)險較大,運行維護費用加大,電站建成后的運行期間的經(jīng)濟性相對降低。這些都成為制約一次反射塔式太陽能熱發(fā)電大規(guī)模發(fā)展的因素。


3.二次反射聚光

  

由于吸熱器是塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)的核心設(shè)備[5—8],在一次反射系統(tǒng)中吸熱器位于100m以上的高空,建筑成本、運行維護成本較高,同時運行過程中也存在較高的安全風(fēng)險,為了彌補這些不足,于是便出現(xiàn)了二次反射系統(tǒng)的設(shè)計。二次反射是在一次聚光系統(tǒng)的焦點處安裝所需的光學(xué)元件,用以改變一次系統(tǒng)匯聚后光線的傳播方向,將光線反射到地面吸熱器。最主要的不同在于吸熱器位于地面,塔架上布置二次反射裝置,即通過在高空塔架上布置二次反射裝置,將太陽光經(jīng)定日鏡反射到二次反射裝置,再經(jīng)二次反射裝置聚焦位于地面的吸熱器上[9—10]。這一系統(tǒng)中,光線傳播距離較一次反射系統(tǒng)增加,但輸熱管道的距離卻縮短,兩個系統(tǒng)的能量傳遞方式不同,能量損失也有別。

  

塔式光熱發(fā)電的光電轉(zhuǎn)換效率決定于鏡場年均光學(xué)效率、鏡場年均運行效率、吸熱器效率、儲熱器系統(tǒng)效率、管道效率、蒸汽換熱效率、汽輪發(fā)電機組效率等因素,其中鏡場光學(xué)效率由鏡面效率、余弦損失、陰影和阻擋損失、大氣衰減、截斷因子等因素有關(guān)。二次反射系統(tǒng)相對于一次反射系統(tǒng)而言,鏡場年均光學(xué)效率相對略微降低,吸熱器效率及管道效率顯著增加,其它因素變化不大,在此忽略。

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