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太阳能热发电

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  所谓太阳能热发电,就是利用太阳聚光集热器把太阳辐射能高密度地汇聚起来,通过光-热转换装置,获得数百度甚至上千度的高温工质热源,然后再通过蒸汽发生器利用高温工质将水加热到过热蒸汽状态,驱动常规蒸汽轮机发电机组,进行常规发电的装置。除此之外,还有一类直接利用太阳光辐射来加热半导体材料,或双金属片组成的组件,利用两种材料间存在温差时,高温度材料中的电子具有较高的动能,从而引起电子的扩散,导致在温差电路的两端产生电动势,用导线加上负载后就会有电流通过的物理现象,来进行的所谓“温差发电”。我国20世纪五六十年代曾一度出现过的小功率半导体温差发电收音机就属该类装置。由于此类发电系统所能产生的功率很小,远未进入到商业化开发利用的阶段,故不再赘言。
 
  世界上现有实用价值的太阳热发电系统大致可分为:槽式线聚焦系统、塔式面聚焦系统、碟式(斯特林)发电系统和太阳能热烟囱发电系统等几大类。
 
  (1)槽式线聚焦系统:采用长槽型抛物柱面聚焦系统,将若干倍轴向两侧面积上的太阳辐射能,聚焦在系统焦线上的小范围,形成高能量密度的太阳辐射能,用于加热焦线管道中的导热油或融熔盐载热工质;再将获得高温的工质,输送往蒸汽发生器加热软水,从而获取过热蒸汽;最后利用过热蒸汽推动汽轮发电机组发电。槽型抛物柱面聚焦系统按东西方向布阵安装,只需跟踪南北一个方向上每月8°左右的太阳位移,就可达到聚焦加热工质的目的。但因为该型系统的几何聚光比不是很高,焦线加热温度一般只在260°C ~ 570°C之间,而且工质输送路线太长,高温工质的热损较大,故热发电效率不是很高。
  图6. 10槽式太阳热发电
 
  (2)塔式面聚焦系统:利用高塔周围众多的平面反光镜组成的反光定日镜阵列,在日光跟踪系统的统一控制下,将大面积上的太阳辐射能全面集中到高塔顶部太阳接收器上,加热过热蒸汽驱动汽轮机发电。该型系统的定日镜需要双轴跟踪,几何聚光比较高,工质温度一般可达500°C ~1 000°C,输送距离较近,故系统的发电效率,要远高于槽式热发电系统。
  图6.1 塔式太阳热发电
  图6.12 蝶式太阳热发电
 
  (3)碟式(斯特林)发电系统:系由多个相对独立,各自具备自动双轴跟踪功能的抛物球面,碟式反射聚光集热装置及光热转换装置“合二为一”的发电系统。这种发电装置的载热工质就用空气,聚焦和光热转换装置合为一体,聚焦比较高、载热工质温度最高可达1 500°C左右,而且系统结构紧凑,因而热发电效率高于槽型和塔式系统。根据热力学第二定律,任何热能转换过程都伴随着损失。任何热机都不可能从单一热源吸取热量并使之全部转变为机械功;在热机从热源吸取的热量中,必然有一部分要传递给低于热源温度的冷凝器。理想热机的效率(ηm),等于热机输出的机械功(W)与热源向热机供给的热量(Q1)之比:
 
  ηm=  W / Q1=(Q1- Q2)/ Q1=(T1- T2)/ T1               (6. 7. 1)式中:Q2为热机向冷源排除的热量;
 
  T1为热源温度(K);
 
  T2为冷(凝器)源温度(K)。
 
  据此,可知要提高太阳能热发电热机的效率(ηm),热源温度(Q1)就要越高越好;而冷凝器温度(Q2),则要求越低越好。事实上,对太阳能热发电系统而言,所谓“冷源”(即冷凝器)就是环境温度。而环境温度是不可能按人的意志就能轻易控制降低的温度;因此要提高太阳能热发电热机的效率,出路只有一条,即尽可能提高热源的温度。在太阳能热发电中,我们只能通过提高太阳聚光集热器的聚焦比和系统对太阳的跟踪精度,来获取更多的太阳辐照热量。但是随着聚焦点温度的升高,对系统结构材料的物理性能和高温强度要求也就越高。此外,还有设备的造价和使用寿命等问题,也都必须通盘权衡考虑。综其所述,各种相互影响又相互制约因素的存在,使得太阳能热发电,成为一时难以得到大规模普及利用的难题。
 
  太阳能热发电系统的效率(ηS),等于集热器光热转换效率(ηc),热机效率(ηm)和汽轮发电机发电效率(ηe)的乘积,即:
 
  ηS=ηc×ηm×ηe                               (6. 7. 2)由于太阳日照存在不连续、不稳定和周期性与地域性等影响因素,为了保证社会生产和民众生活的正常需要,太阳能热发电系统就必须配备有足够容量的高温工质储能装置,或者建设成混合型的发电系统,在必要时动用常规辅助能源来维持发电设备的正常运转,以保证用户生产、生活用电。这是上述三种太阳能热发电系统共同面临的问题。我国的光热发电还处于起步探索的初始阶段,截至2012年年底全国只建成小型的示范性电站6座,总共装机容量也只有1. 38万kW。
 
  (4)太阳能热烟囱发电系统:众所周知,当太阳光投射到大地上后,在有森林植被的地方当阳光洒在绿色植物上后,在叶绿素的作用下绿色植物能将二氧化碳和水加工成碳水化合物并释放出氧气,进行平静而无声无息的光-化学反应。而在没有植被覆盖的荒漠地带,情况就完全是另外一回事了;灼热的阳光把大地烤得烽火连天的滚烫,随即大地又把热量传递给空气,空气受热后体积膨胀,比重降低,形成一股股强大的上升气流扶摇直上九霄;几乎以此同时,处于临近高纬度地区低温地带的冷空气层,或更西边高原上被迟到的太阳还没有来不及加热的高密度冷气团,敏锐地感知到大气层中这种微妙的压差变化;在冰冷的寂静中一个蓄势待发的危机正在形成,可能就在一只蝴蝶翅膀的轻轻扑动下,这种阴森的大气压差平衡随即被打破,顷刻之间触发了冷气团的大暴动,强大的冷空气瞬间迅速做出反应,以千军万马之势呼啸着穿过山谷和平原,扑向热空气团上升后流留下的“真空”空缺;于是就形成了我们说的“寒流”或者“风”。风就是带有强大空气动能的气流团。人们在风常年吹过的通道上架设高塔,安装大型空气螺旋桨,利用风的动力来推动桨叶的旋转,把空气动力转换为机械能以推动发电机发电,这就是我们所说利用气象能的“风力发电”。应该说风力发电也是太阳能“热”发电的一种形式,它利用太阳对不同纬度地区和地形地貌不均衡的热辐照造成大范围空气的宏观横向水平运动,所产生的强大空气动能来发电。此外,还有一种利用热空气纵向垂直的上升运动,所产生动力来发电的系统。这种系统为获得持续而源源不断的纵向上升气流,一般是通过建设一个大面积的集热玻璃暖棚,来吸收太阳辐射能,使大型集热暖棚中的气温、气压升高,形成高温、高压的温室效应;然后将集热暖棚中的热空气通过一个垂直向上的大口径热烟囱,利用烟囱筒体的隔绝作用,以及烟囱筒体高低两端自然形成的大气压力差;引导集热棚中的暖热空气定向释放,从而产生持续不断的强大热空气流体的动压冲击,来驱动置于热烟囱底部的轴流式风力涡轮机,带动发电机进行发电;这就是所谓的“太阳能热烟囱发电”
  图6. 13太阳能热烟囱发电(照片及原理示意图
 
  据资料介绍,1981年德国政府投资在西班牙新建了一座50kW的太阳能热烟囱发电站,该发电站的热烟囱高150m,直径10m,塑料集热采光大棚直径240m(占地约68亩)。该电站自1982年投入使用至今共运行15 000h,运转率为95%,造成其停机原因是西班牙电网限制,周末由于用电量大幅减少,禁止发电造成的。
 
  太阳能热烟囱发电与上述几种热发电技术相比较,有一系列优越之处:第一,它不需要高精度的日光跟踪技术,复杂的设备制造工艺,耐高温材料和造价高昂的储能设备;以及高温导热工质等特殊原材料。第二,对太阳资源的要求有所降低,因为集热棚不仅采集太阳的直射光,还可有效地采集利用太阳的散射光和漫反射光,因此适用范围可扩大到阴雨天较多,但环境温度较高,地形上升气流强大的热带、亚热带雨林地区。第三,只需适当增加集热棚内的地面蓄热设备,系统即可实现24h连续高效运转。第四,安全可靠,只需维护好风力涡轮发电机组这个唯一的运转部件;既不需要冷却水,也不需要特殊的原辅材料和人力资源,就可维持长时间的安全运转。第五,由于到达地球表面的太阳辐射能量密度低,所以造成各种太阳能发电系统都要占用很大的土地面积,但太阳能热烟囱发电系统所占用的塑料或玻璃为主构建的集热采暖温室大棚,与其他光伏-光热发电项目高价值材料建造的完全排他性占用土地的使用方式不同,还可相机加以其他相应的开发利用;例如可以作为某些工厂生产余热的释放场所等。综合开发利用后,太阳能热烟囱发电系统会有更好的社会经济效益。综其所述,可以认为太阳能热烟囱发电技术,也许是更为适合我国国情和云南省情的一种新型的太阳热发电技术。事实上,云南在太阳能热烟囱利用上,早就在20世纪末期开发的太阳能干燥工程项目上,就有过一系列成功的应用经验;而且在云南境内就有多个地处亚热带地区,环境温度较高,又缺乏水资源的干热“坝子”;或环境温度较高的石漠化丘陵盆地;对此类基本丧失工、农业开发价值,生态脆弱,又容易形成地形上升气流的石漠化丘陵山区,如果能将其用于开发热烟囱发电,某种情况下可能比光伏发电,或其他热发电形式的经济效益都会更为理想。在国家发改委制定的我国“可再生能源发展十二五”规划中,规划2015年以前,我国将新建100万kW的太阳能热发电装置,到2020年我国太阳能热发电站装机总量预计将达到300万kW。我们期望在短期内,云南在太阳能热烟囱发电项目方面,会有成功的范例展现在世人面前。
 
  
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