太阳能光热发电 塔式、槽式光热发电技术方案分析

2016-02-17 10:34:00 作者:郭丽萍 点击:

文章对太阳能光热发电的概念做出陈述的同时,对目前最为流行的塔式和槽式的发电进行了技术形式的介绍,分析了两种发电形式的构成及发电原理、集热系统、换热系统、以及成本。结论得出槽式发电已经突破了关键技术的制约,现已商业运行多年,形成了成套的设计、建设、运行和维护等体系,同时投资成本上也低于塔式系统,为近段时间光热发电电站的主要形式。

点击word 版下载:太阳能光热发电 塔式、槽式光热发电技术方案分析


摘要

文章对太阳能光热发电的概念做出陈述的同时,对目前最为流行的塔式和槽式的发电进行了技术形式的介绍,分析了两种发电形式的构成及发电原理、集热系统、换热系统、以及成本。结论得出槽式发电已经突破了关键技术的制约,现已商业运行多年,形成了成套的设计、建设、运行和维护等体系,同时投资成本上也低于塔式系统,为近段时间光热发电电站的主要形式。

Abstract

The article give us a general description about Concentrated Solar Power(CSP), introduce two main type CSPpower:  tower type, trough type. Based on the analysis  of technical type, power generation principle, heat collecting system, heat exchange system, and cost. Get the conclusion that the trough type had been through commercial operation for many years, form a complete design, construction and operation and commission system. The cost is lower than tower type. It is the main type for CSP in recent years. 

关键词:太阳能光热发电,塔式,槽式,集热系统,换热系统,成本

Key words: CSP, tower type, trough type, heat collecting system, heat exchange system, cost 

概述

太阳能光热发电Concentrated Solar Power,简“CSP”)是一种太阳能聚光热发电技术,依靠各种聚光镜面将太阳的直接辐射(DNI)聚集,通过加热导热介质,再经过热交换产生高温蒸汽,推动汽轮机发电。

CSP目前主流的几种技术路线都是按照太阳能采集方式来划分的,主要有塔式、槽式、菲涅尔式和碟式等四类。目前全球范围内已建成或在建的项目,以槽式为最多。

与其他类型的光热发点相比,塔式电站聚光倍数更高,达到的工作温度较高,在阵列中如果定日镜数目越多,聚光比就越大,接收器的集热温度也就越高。但由于该发电系统关键技术尚未成熟,代价高昂,在一定程度上限制了它的推广应用,还处于科技研发和示范工程阶段。

槽式系统技术已经成熟,也基本实现了商业化。槽式系统目前的技术标准、运营经验以及分析数据都是比较成熟的。目前槽式系统在国际市场上装机规模越来越大,西班牙达到了2.4GW,美国政府已审批的将在2014年之前建设的项目装机容量也达到了2GW

以下为两种系统的简单介绍


一、 技术分析

1、 两种发电形式的构成及发电原理分析

塔式太阳能热发电也称集中型太阳能热发电。它的形式是利用一定数量的反射镜阵列,将太阳辐射反射到安置于塔顶端的太阳能接收器上,通过加热工质而产生过热蒸汽,驱动汽轮机发电机组发电,而将吸收的太阳能转化为电能。塔式太阳能热发电主要由四部分构成:镜场、换热系统、储热装置和汽轮发电装置。



槽式太阳能热发电即利用槽式抛物面反射镜进行太阳能热发电。它是将众多的槽型抛物面聚光集热器,经过串并联的排列,从而可以收集较高温度的热能,加热工质产生蒸汽,驱动汽轮发电机组发电。槽式太阳能热发电主要由四部分组成:镜场、换热系统、储热装置和汽轮发电装置等部分组成。



从系统构成来讲,塔式采用集中式布置,定日镜必须布置于吸收塔周围;而对于槽式来讲,则采取分散式布置,槽式的集热器可依据当地的地势地形情况,进行合理布置,即可集中布置也可进行分块布置,布置上较塔式来说更为灵活,更为方便。

2、 集热系统的分析

1) 塔式集热系统分析

塔式集热系统主要由吸热器和定日镜等组成。现在塔式吸热器技术还未成熟,且现有的核心技术掌握在国外少数国家和企业手中。

吸热器冷凝器其主要功能是接受和吸收由镜场反射的太阳辐射能,并将其转化为热能传递给换热工质。吸热器主要组成部分包括:由多管路组成的吸热表面,吸热器支撑结构,吸热单元之间的联结管路,膨胀箱(或者汽包)。

定日镜是由反射镜、镜架、跟踪传动机构及其控制系统等组成的聚光装置,用于跟踪接收并聚集反射太阳光线进入位于接收塔顶部的集热器,是塔式太阳能热发电站的主要装置之一。

影响定日镜运行工作主要有以下两种因素:

a 跟踪传动机构

目前,定日镜跟踪太阳的方式主要有以下两种:方位角——仰角跟踪方式、自旋——仰角跟踪方式。定日镜的传动方式一般均采用齿轮传动、液压传动或两者相结合的方式。由于平面镜位置的微小变化都将造成反射光在较大范围的明显偏差,因此目前采用的多是无间隙齿轮传动或液压传动机构。

b)控制系统

定日镜的控制系统的原理允许了定日镜实现将一天不同时间的太阳直射辐射全部反射到同一个目标位置上。从实现跟踪的途径上讲,分为传感器控制、程序控制、和程序/传感器混合控制三种方式.

2) 槽式集热系统分析

槽式太阳能热发电集热系统最主要的部件是集热器,集热器由支架、集热管、集热镜和追日驱动等部分组成。

槽型集热系统的集热管、集热镜、支架和驱动结构等的核心技术已被国内相关单位和企业所掌握,并已生产出相关的试验和样品,送到国际国内的相关认证机构进行检验,检验结构表明已到达国际标准。

物面反射镜根据其采光方式,分为东西向和南北向两种布置形式。东西放置只作定期调整;南北放置时一般采用单轴跟踪方式。随着槽式系统技术已成熟,大规模商业运行,已形成相关产业,现在在建和即将建设的电站大多采用混合式控制。

从集热系统来讲,塔式系统的核心部件吸热器目前技术尚不成熟,且国内还未成熟的技术,若引进其技术,引进难度较大,引进费用会很高;而槽式的集热器的核心技术,国内已掌握,已有成熟的产品,相比来讲,系统更为稳定,价格也更为低廉。

同时,塔式多采用开环控制,增加了跟踪的累积误差,而槽式系统采用混合式控制,即可保证减少误差,又能保证其平稳运行。


二、 成本分析

1、 塔式分析

定日镜在电站中不仅数量最多、占地面积最大,而且是工程投资的重头。美国SolarOne电站,项目初投资为1.42亿美元,成本比例为聚光集热镜场60%、发电机组及电气设备18%、储热装置10%、管道及换热器8%、其它设备4%。

2、 槽式电站投资分析

下图为带7小时储热50MW电站投资比例 


  

从上面给出两种系统的投资比例来看集热系统的投资比例占据了整个电站投资的大多数,塔式系统集热系统占投资的60%,槽式系统为30%,其中塔式系统的集热系统关键技术尚未成熟,且国内还未完全掌握,需要从国外引进技术以及相关生产设备等,大大增加了投资成本;而槽式系统的占据比例相对较小,且核心技术已被国内掌握,产业链也逐渐形成,随着国内光热发电市场的不断开拓,势必将批量生产,从而大大地缩减了成本。


三、 业绩分析

1、 主要的塔式热发电站


电站名称

装机容量

国家

位置

备注

PS20 solar power tower

20

西班牙

Seville

20094月完成

PS10 solar power tower

11

西班牙

Seville

欧洲第一台商业运行的塔式电站

Sierra SunTower

5

美国

Lancaster,

California

ESolar示范电站,美国第一个商业运行的塔式电站,于20098月完成

Julich Solar Tower

1.5

德国

Julich

200812月完成

THEMIS

Solar Power Tower

1.4

法国

Pyrenees-Orien tales

太阳能加热空气进入燃气轮机发电


2、 主要的槽式发电站

电站名称

装机容量

国家

位置

备注

Solar Energy Generating System

354

美国

Mojave Desert ,

California

共九台机组

Nevada Solar One

64

美国

Las Vegas, Nevada

 

Andasol solar 

power station

100

西班牙

Granada

Andasol 1 2008 年完成Andasol 2 2009年完成

Energia Solar De Puertollano

50

西班牙

Puertollano Ciudad Real

20095月完成

Alvarado 1

50

西班牙

Badajoz

20096月完成

Saguaro Solar 

Power Station

1

美国

Red Rock Arizona

 

Keahole Solar Power

1

美国

Hawaii

 


塔式系统受到定日镜控制等多方面原因,单个集热塔的容量受限,现在世界范围内,最大容量的塔为10MW,且多塔式由于各塔区的传热介质混合保持稳定的技术还未成熟,电站的发电容量受限,现阶段发电规模较小,还未进入大规模的商业运行阶段;而槽式系统可依据要求,相应增加回路数即可扩容。从上表来看,发电规模最大的为西班牙的PS20,该电站采用两个10MW模块单独运行;而最著名的商业化槽式电站是位于美国南加州Majove沙漠地区的SEGS系列电站,该系列电站共9座,总容量354MW,于1985〜1991年间建成。

塔式电站大多处于试验阶段,运行经验还在不断地摸索中和不断地完善中。槽式电站依据多年的运行经验,已形成了成套成熟的设计、建设、运行和维护的体系,西班牙和美国的光热电站主要是以槽式电站为主,并已运行发电多年。


四、 总结

依据上文分析,总结如下:

1、 从系统布置来讲,塔式系统采用集中式布置,槽式采用分散式布置,槽式布置更为灵活、方便;

2、 从关键技术来讲,塔式系统核心技术多为国外掌握,追日结构形式和控制方式复杂、要求精度高,传热介质对系统设备管路和防凝要求严格;而槽式系统核心技术已被国内掌握,追日结构形式和控制方式简洁,控制误差更低,传热介质安全可靠,提高了系统的稳定性;

3、 从投资成本来讲,塔式系统关键技术占据比例大,还需引进国外生产技术和生产设备,投资成本高;槽式系统核心技术国内已掌握,实现了完全国产化,大大减少了投资;

4、 从以往运行业绩来看,塔式系统受技术和投资限制,无法大规模商业运行,且运行经验不够丰富;而槽式电站已大规模商业运行,形成了整套的设计、建设、运行和维护等体系。

综上所述,塔式电站在关键技术上还未成熟,需要不断地开发和摸索,发电成本较高,未形成完整成熟的设计、建设、运行和维护等体系,加以时日,若破除在关键技术上的约束,将有广阔的发展前景和空间;槽式发电已经突破了关键技术的制约,可依据要求进行规模扩建,现已商业运行多年,形成了成套的设计、建设、运行和维护等体系,同时投资成本上也低于塔式系统,为近段时间光热发电电站的主要形式。


参考文献:

1) 胡其颖 太阳能热发电技术的进展及现状-能源技术 2005(5)

2) 罗智慧 槽式太阳能热发电技术研究现状与发展 –电力设备 2006(11)

       3)Dr.Jorge Servert(西拔牙) 太阳能光热协会演讲PPT内容

参考网站信息:www.csptoday.com



来源:哈尔滨汽轮机厂有限责任公司

Copyright 2014 The DE All rights reserved. 京ICP备14049483号