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建设光热太阳能发电塔的难点在哪?

太阳能光热发电常用槽式发电、塔式发电、和蝶式发电。 槽式发电系统 (parabolic trough solar power system),简称troughs。 槽式的意思是反射镜面是弯曲的,接收管就在镜面的上方,弯曲的镜面恰好把阳光…

太阳能光热发电常用槽式发电、塔式发电、和蝶式发电。
槽式发电系统 (parabolic trough solar power system),简称troughs。

建设光热太阳能发电塔的难点在哪?

槽式的意思是反射镜面是弯曲的,接收管就在镜面的上方,弯曲的镜面恰好把阳光全部反射到接收管上(如图)。接收管里面通常用油做介质,现在的油都是人工混合油。被加热的油传送到蒸汽发生器中,热交换产生蒸汽推动汽轮机发电。在太阳能电站,效率的高低跟温度成正比例关系,可达到的温度越高,发电效率越高。
因其较高的性价比而应用最广,槽式发电技术也是最成熟的,占太阳能发电90%的市场份额。技术简单成熟,造价不高,规模中等,属于没有特长但是全能型选手。蝶式发电不常见,下图中的fresnel

建设光热太阳能发电塔的难点在哪?

发电的原理其实和槽式差不多,已经很少用了这里不再讨论。槽式对地形有较高要求,平地最好(如图)。

建设光热太阳能发电塔的难点在哪?

这里提一句,因为我是学新能源专业,每个领域都有涉及,太阳能电厂选址是个问题,不但要考虑天气气候条件,地形是一个大问题,在风小尘小日晴值高又平坦又离供电区不太远的地方不太好找。反过来风电可以跟地形良好契合。
塔式发电系统(solar tower power plant)是净效率是最高的,因为可达温度最高(500~1000摄氏度)。能达到这么高的温度是因为用大量镜子反射太阳光于一点。(如图)

建设光热太阳能发电塔的难点在哪?

这么多镜子照在一个点上,温度多高可想而知。
Ivanph有17万以上的镜子(173500),是目前全世界最大的一个三级式塔式太阳能电站,即17万镜子分别照3个塔。一个塔发电126MWh,另外两个133MWh,总的是377MWh-390MWh之间。这是塔式发电的另一个优点:大规模发电。同等地理面积塔式发电规模是最大的,当然成本也会攀升。我后面会讲到。这个电站介质依旧用的熔盐。德国、西班牙、美国是太阳能技术最发达的国家。中国没有是因为没有技术。有人提到鸟被烤死的情况,确实有,不过根本不可避免,死于风电风叶下的鸟多于被烤死的,而两者之和也没有死于输油管道破裂或者运原油的船泄露杀死的鸟和鱼多。
一个塔式电站大体上分5个模块:镜场、接收、转换(盐转气)、储存、发电。但是每一个子系统都细分为众多小模块。

建设光热太阳能发电塔的难点在哪?

第一部分:镜场(heliostat)。这部分是整个塔式太阳能电站花费最大的,差不多占40%左右。技术上包括跟踪、定位、清洁等,清洁反而是最简单的,对太阳位置的跟踪以及自调节、对主塔的定位是技术难题,如果偏差1度那么在接受的装置中就要损失N次方的能量。因此往往需要副定位系统(分布于镜场四周的小塔,按有定位器)。且不说跟踪定位这两种高难的,单单是镜子国内就造不出来,高抗风性、抗尘性、高反射率、镀膜等等技术国内都没有掌握。这里我提一下最最简单的镜子支架设计,什么环境用什么支架也是经过计算的,如下面两图:设计完全不同,抗风效果大大不

建设光热太阳能发电塔的难点在哪?
建设光热太阳能发电塔的难点在哪?

同,我尝试在国内找支架的资料,没有找到。简单处往往是成败细节。
镜场的热损失也是最大的,包括余弦损失、隔挡损失、镜子反射损失、在空气中传播的损失,此外当地风速、气温也会影响热传递。公式我就不写了,总的损失控制好30%多,比较老的塔式电厂能达到43%,很大一个数字。如何尽量减小热损失?就是通过一个最简单的支架设计起步到镜子最优化排列,一点一点去减少每一个部分的损失。塔式发电在镜场的一个好处是不受地形限制,槽式对地形有较高要求,最好是平地,但是塔式的镜子是有支架的,意味着在小山坡也可以建。
接收器(receiver)是能量的第一次转换,把太阳能传递给溶盐(传热介质heat transfer fluid),溶盐(molten salts)做介质在塔式发电比较常用,不贵,热接受性能好,容易储存。镜场会反射过来上千度的高温,因此接收器要有极好的耐高温性能,因此特殊镀膜材料非常重要,在接收器中,管道怎么走、密封、抗腐蚀都有讲究。接收器的设计也分好几种,例如圆柱式、内孔式、立方式,应用哪一种根据电站规模,每一种的热损也不同。

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镜子太多,肯定要选择四面八方都能接受的圆柱式或立方式,小规模的内孔式就不错。接收器的热损主要包括:溢出热损(照偏了)、材料导热、对流热损。这部分热损还好8%左右,造价也不贵。
溶盐吸热之后会首先经过第三部分储存系统(storage system),溶盐的储存性能是最好的,储存一周以上也只有微小的温度下降,这是用它做介质的原因之一。一般储存系统会保证电厂晚间继续发电,但是遇到阴天下雨的日间也会工作。储存系统非常重要,因为可以削减发电成本,新能源发电是烧钱的,现在成本也没有降下来,还是靠国家补贴。

建设光热太阳能发电塔的难点在哪?

第三部分的技术难题是溶盐在管道的腐蚀性,考验系统的密封性,另外溶盐极易晶体化,就是冻住,这个过程不可逆,意味着操作不好整个储存系统报废。我的大学教授说他见过一个操作失误的溶盐储存系统,冻的用斧子刨都刨不动。大家可以google美国ivanpah的储存系统,超级大的,报废了了不是闹着玩的。为什么是两个罐子呢,一冷一热嘛,热的进来冷的出去,形成循环。

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因此在里面有持续加热系统,这就增加了电厂的负载。
再往下走就到了第四部分在热交换器(heat exchanger),在这发生第二次热交换把水加热成水蒸气。大规模太阳能电站因为携带大功率涡轮机,所以需要蒸汽过热(superheat steam),因此这个模块也需要辅助加热设备,技术上讲这个模块是最简单的。不过热的蒸汽叫做饱和蒸汽,大家应该知道涡轮机是很脆的玩意,饱和蒸汽打进去对叶片不好,而且饱和蒸汽的热焓值也没有过热蒸气高。因此过热蒸汽很必要。
第五部分当然就是发电了,这里要说一个发电效率,整个发电站的发电效率简单来说等于蒸汽机效率x发电机效率x二次转化蒸汽的效率,能达到40%就烧高香了,通常35%左右,还是很低的。

建设光热太阳能发电塔的难点在哪?

我就把我论文拿过来用了。
发电机中国造的出,最大的短板是中国没有好的涡轮机。一个百兆瓦级涡轮机几万个小部件小技术,说不过来。这个模块中还有冷凝技术(condenser),回热技术,这就跟普通发电厂没什么区别了,系统图里面最右边那部分。
新的太阳能塔式发电技术又有直接蒸汽发电技术(direct steam generation DSG),即用水代替溶盐,这个技术很好的,把溶盐抽到百十来米的塔上很费电的,同时减少二次热损。大体思路是先把水预热,高温闪蒸成过热蒸汽,加压推到汽轮机。缺点是受天气因素影响太大,晴天没问题,过一片云彩就不好了,而且另一个难题是不易储存,储存蒸汽基本还没听说过。现在折衷的一个办法是储存空气,德国julish塔式电站用这个技术,小日本也想用,把空气加热到极高的温度(700度),用固体储存系统(solid storage system)存起来,再经过转换器加热水变成蒸汽。我的硕士论文就是针对怎么储存热空气。用的介质叫ceramic honeycomb,好东西,储存效果不错,缺点是体积太大,多大本来不想说了,既然补充我就再说深一点,一个5MWh的电厂,4小时储存,那么完美情况下,储存系统大小是:6x6x34m,是米,谢谢。

建设光热太阳能发电塔的难点在哪?

如果用这种技术,整个接收器就变了,如图:

建设光热太阳能发电塔的难点在哪?

当然了,储存系统放的地方也变了,放在塔里面。请让我再说一句,小日本要学这个技术,人家也是复制,但是不止是复制,人家还有创新。
最前沿的新技术当属超临界二氧化碳循环技术,温度突破1200摄氏度,大幅度提升效率,有望提高到60%,很了不起了。而且跳过蒸汽直接推动汽轮机。但是外国人正在研究,中国没人研究只想等现成的。这个技术我能力有限,不能多说。
太阳能塔式发电有诸多难题,中国八达岭延庆塔式发电算是一个示范项目,但是后续也不见动静。一个塔式发电可以大规模带动产业,发电已经不是目的,假如有朝一日塔式发电真能建成,中国发动机、蒸汽机、新材料等诸多领域都发展起来了。

作者: 小编

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