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塔式太阳能热电站
发表于:2012-04-21 15:05:54
来源:shine magazine/光能杂志作者:shine magazine/光能杂志
 
图9-7所示是塔式太阳能热电站的示意图,它与分布式聚光器的主要区别是吸热装置不同。电站有一个高塔,塔顶上装有锅炉(中心接收器),塔的周围装有平面反射镜(定日镜),它把阳光反射后集中在锅炉上,把锅炉内的工作物质水加热成高温高压蒸汽。高温高压蒸汽通过管道一部分输送到汽轮发电机,一部分输送到储热器把热能储存起来,以备无阳光时使用。
  目前美国、日本等国已建成少量太阳能发电站。我国也已开展了大量的研究与试验工作,特别是在分布式和塔式太阳能发电站方面,已取得可喜的进展。
应尽快开发应用太阳能塔式热发电系统
  中国工程院院士、市科协主席张耀明在《太阳能塔式热发电系统开发与推广应用》(“中国可再生能源规模化发展项目”之一)中提出:我市地处东部平原、长江中下游地区,有较丰富的太阳能资源,发展太阳能发电是解决我市电力供需矛盾的有效途径,太阳能热发电不仅可以提供很好的清洁能源,也能开拓一个新兴产业群的发展。
  太阳能塔式热发电系统的基本形式是利用独立跟踪太阳的定日镜群,将阳光聚集到一个固定在塔顶部的接收器上,用以产生高温。加热工质产生过热蒸汽,驱动汽轮机发电机组发电,从而将太阳能转换成为电能。太阳能塔式中央聚光热发电方式具有规模大、热传递路程短、热损耗少、聚光比和温度较高等特点,极适合于大容量工业化应用。
  张耀明建议:一是建成100KW的试验性发电系统,研究开发。二、建成1000KW、5000KW的开发与试点性发电系统,应用开发并试点运用。三、建成10至20座1-5万KW级的太阳能塔式热发电系统,全面推广应用。
阳光经济和能源革命
张耀明 中国工程院院士
作者简介
    张耀明,1943年出生于江苏无锡,1965年毕业于上海同济大学,毕业后分配到南京玻璃纤维研究设计院,1993年任该院副院长,1995年任该院院长,2001年当选为中国工程院化工、冶金与材料工程学部院士。原南京玻璃纤维研究设计院院长,教授级高级工程师,兼任中国玻璃工业协会会长,中国硅酸盐学会常务理事,中国硅酸盐学会玻纤分会理事长、江苏省硅酸盐学会理事长、南京市科学技术协会主席等职务。30多年来,一直奋斗在科研第一线,刻苦钻研技术,在学术、技术等上具有较高的造诣,成为我国多组份光学纤维领域开拓者及塑料光纤和工艺品行业的技术奠基人。多年来,主持完成的科研项目获国家发明二等奖一项、国家科技进步奖四项、部省级科技进步奖五项、发明专利和实用新型专利二十多项。
        在过去的20年,我国实现了GDP翻两番而能源消费仅翻一番的成就,未来20年,能否继续这样的成就,中国能源战略将面临严峻的挑战。
        首先看看能源问题现状。据《科技日报》2003年12月2日报道:(1)我国人均能源可采储量远低于世界平均水平。到2000年止,人均已探明石油可开采储量只有2.6吨,人均已探明天然气可采储量1 074m3,人均已探明煤炭可采储量90吨,分别为世界平均值的11.1%、4.3%和55.4%。(2)我国石油产量不可能大幅增长。2020年预计为1.8~2.0亿吨,然后将逐渐下降。我国煤炭资源虽然比较丰富,但探明程度很低。2000年可供建设新矿的尚未利用的经济精查储量仅203亿吨,远远满足不了近期煤矿建设的需要,需要加紧勘探。另外尚未利用的经济精查储量中86%分布于干旱缺水、远离消费中心的中西部地区,开发运输和利用的难度势必加大。已经探明的常规能源剩余储量(煤炭、石油、天然气等)及可开采年限见表1,都十分有限。(3)随着人均收入水平的提高,中国的石油消费量显著增加;受石油资源的约束需要大量进口石油满足国内需求。自1993年中国成为石油净进口国之后,我国石油对外依存度从1995年的7.6%增加到2000年的31.0%。到2020年,石油消费量最少也要4.5亿吨,届时石油的对外依存度有可能接近60%,与目前美国的水平相当(美国的石油对外依存度为58%)。
        其次看看因CO2排放引起的生态环境情况。化石燃料,特别是煤炭的燃烧不可避免地产生大量CO2等温室气体,造成了全球气候的异常变化,地球不断变暖,自然灾害及其造成的损失逐年增多,生态环境恶化。这是能源消费对人类生存环境至关重要的影响。我国CO2的排放量仅次于美国,居世界第二位。1990年至1998年中国CO2排放量由6.1亿吨增至7.4亿吨,由占全球排放量的10%增至12%。随着我国经济的持续高速发展,能源需求量的增加,未来20~30年CO2等主要温室气体排放量也呈增长趋势。据有关预测,到2030年,不同排放情景下我国能源活动产生的CO2排放量将在12.11亿~21.05亿吨范围内。
        能源的潜在危机和生态环境的恶化使世界各国积极开发包括太阳能在内的新能源及可再生能源。据专家预测,今后20~30年内,全球能源结构必将发生根本性的变化,到本世纪50年代,新能源与可再生能源将在整个能源构成中占50%。
阳光经济
        目前,严峻的能源问题已经引起政府和很多有识之士的高度重视,并相应实施了节约能源、保护环境的可持续发展战略,大力提倡阳光经济已经提到议事日程,致力于阳光利用的赫尔曼·舍尔先生可以说是倡导阳光经济的典范。
        2000年12月12日,中德2000环境合作大会在京举行,现任国务院总理温家宝出席开幕式并在会上指出,德国拥有世界先进的环保技术和管理经验,值得中国学习和借鉴。欧洲太阳能协会主席、资深德国联邦议员、1999年度诺贝尔环保特别奖得主赫尔曼·舍尔博士携其最新著作《阳光经济———生态的现代战略》,来华参加了本次会议。他认为,西方现行的能源政策,相对于充满机遇的阳光型能源,无异于一个政治上的世纪迟误,是一种持续的愚行。因此他倡导以政治上的阳光战略来抵制自然界的世界大战,即以取之不尽的可再生能源彻底取代核能和生化能源。实现这一构想,关键不在于技术问题,也不在于基础经济的问题,而是一个政治问题。在这本书中,舍尔着重叙述了实现阳光战略所面对的真正阻力,并阐述了具体、明确的解决方案。他立足于现有的可能性,论述了阳光型能源的利用,指出选择可再生能源是人类文明最后的机遇。
        舍尔博士认为,世界经济只有立足于可再生能源基础之上,才能够避免一切经济形式和生命形式的自我毁灭,同时可以避免由于生化能源争夺而引发的世界战争。为此,他指明了一条通往生态现代化的出路,同时发展出一部适合于阳光时代的政治经济学。
        地大物博的中国,虽然拥有自己的煤矿、油田和丰富的水力农业生物资源可供开采并自给自足,但在石化动力原料的需求领域中,增加供应的可能性极为有限。而我国能源消耗量的快速增长期,又恰好出现在全球廉价的和易开发的石油资源趋于枯竭的时候。中国要满足急速增长的能源需求,惟一现实的可能是进入阳光时代,选择可再生能源作为能源供应的基础。
        据《1999白皮书,中国新能源与可再生能源》介绍,我国属太阳能资源丰富的国家之一,辐射总量在3.3×103 ~8.4×106 千焦耳/平方米·年之间,全国总面积2/3以上地区年日照时数大于2 000小时,陆地面积每年接受的太阳辐射能相当于2.4×104亿吨标准煤,约等于数万个三峡工程发电量的总和。如果将这些太阳能有效利用,对于缓解我国的能源问题、减少向大气中排放的CO2、保护生态环境都将具有重大而深远的意义。阳光经济前景广阔!
能源革命
        前景广阔的阳光经济,引发太阳能利用技术的全面发展,催生阳光时代的到来。目前,国内外太阳能利用技术不断取得进展或重大突破,太阳能产品性能价格比不断提高,主要集中在以下几个方面:(1)直接的太阳光采集照明技术;(2)太阳能光伏发电技术;(3)太阳能热利用技术。直接的太阳光采集照明技术和太阳能光伏发电技术对于太阳能的利用是重要方面,特别是后者发展比较迅猛,而前者的技术发展已经引起广大科技工作者的兴趣,但在具体方面,这两者还受到价格和性能方面的制约,还难以进入可以与常规能源竞争的地步,虽然我们相信随着技术的不断成熟,未来将可以与常规电力价格媲美。太阳能热利用技术,是可再生能源技术领域商业化程度最高、推广应用最普遍的技术之一,主要指太阳能热水器、太阳能空调降温、太阳能热发电、太阳房等几个方面,在这几者中,太阳能热发电是太阳能热利用的重要方向,是最可能引起能源革命的技术成果,是实现大功率发电、替代常规能源的最经济手段之一。
        太阳能热发电是利用集热器将太阳辐射能转换成热能并通过热力循环过程进行发电。80年代以来,美、西、意、俄、澳等国相继建立起不同形式的示范装置,有力促进了热发电技术的发展。世界现有的太阳能热发电系统大致有三类:槽式线聚焦系统、碟式系统和塔式系统。三种系统性能比较如表2所示,槽式线聚焦系统实现了商业化,其他两种处在示范阶段,有商业化的可能和前景。而塔式系统具有规模大、热传递路程段、热损耗小、聚光比和温度较高等特点,是三种热发电系统中发电成本最低的一种,当其规模达到10~20兆瓦时,其成本为0.9~2.4美元/峰瓦。美国Sun◆lab联合实验室(由Sandia National Laboratories 和the National Renewable Energy Laboratory共同组成)给出了如图1所示的太阳热发电系统发电成本走势预测,从该图中可以看到,到2015年前后,太阳能塔式热发电系统成本CSP Costs约为5美分/度,竞争力可想而知。
        大力发展塔式太阳能热发电技术,将完全有可能给我国紧张的能源问题带来革命性的解决方案。
定日镜单元技术
        塔式太阳能热发电系统是利用众多的平面反射镜阵列,将太阳热辐射反射到置于高塔顶部的太阳接收器上,加热工质产生过热蒸汽,驱动汽轮机发电机组发电,从而将太阳能转换为电能。显然,阵列中的平面反射镜数目越多,则其聚光比越大,接收器的集热温度也就越高。
        80年代初,美国在南加州建成第一座塔式太阳发电系统装置———Solar One。起初,太阳塔采用水—蒸汽系统,发电功率为10兆瓦,经过一段时间的试验运行后,及时地作了技术总结。1992年经过改装,用于示范熔盐接收器和储热系统。由于增加了储热系统,使太阳塔输送电能的负载因子可高达65%,熔盐在接收器内由288℃加热到565℃,然后用于发电。第二座太阳塔Solar Two于1996年开始发电,试运行三年,然后进行评估,Solar Two发电的实践不仅证明熔盐技术的正确性,而且将进一步加速30~200兆瓦范围的塔式太阳能热发电系统的商业化。
        塔式太阳能热发电站概念设计原理系统如图2所示,整个系统由以下四部分组成:聚光装置、集热装置、蓄热装置和汽轮发电装置。其中聚光装置是电站的关键单元,也是电站的主要投资部分,所以它的方案设计、结构合理性、成本高低对电站至关重要。定日镜是聚光装置中最基本的光学单元体,它由平面反射镜、镜架和跟踪机构三部分组成,对定日镜的具体性能要求为:镜面反射率高;镜面平整度误差小于16’;整体机械结构强度高,运行中能抗8级台风的袭击;运行稳定;全天候工作;可以大批量生产;易于安装;维护少,工作寿命长。
        目前使用的定日镜技术方案如图3所示:平面镜采用材料为铝或银反光材料的玻璃背面镜,一台定日镜的反射镜面积通常为30~40m2,由若干块小的反射镜面组合而成。平面镜安装在镜架上,采用微型计算机控制的立式双轴自动跟踪系统,几千台这样的定日镜形成热发电站的镜场。其缺点如下:从镜面面积上来讲,由于反射镜面积达30~40 m2(虽然面积算不上最大,目前美国太阳Ⅱ号塔式电站中部分定日镜的镜面面积为98 m2),这样大面积的平面镜像一张巨大的帆,一方面要求该立式双轴自动跟踪机构的功率很大,另一方面为了达到足够的机械强度,防止被大风吹到,必须消耗大量的钢材和水泥材料为其建镜架和基座,其建造费用占整个电站造价的一半以上;据《Power Engineering》1996年第6期报导介绍, Solar Two在定日镜上的投资相当于化石燃料发电30年所需购买的燃料的价值。
        针对以上情况,通过我们最近几年的工作,发明设计研制出一种可以朝设定方向投射太阳光的平面反射镜定向反射装置,已申请中国及美国等国专利,不仅可以解决千千万万户低收入家庭朝北住房的采光问题,为他们带来光明和温暖,还创造性地解决塔式太阳能热发电系统中的关键部件定日镜技术方案不尽合理的难题,有望将定日镜价格降为Solar Two的1/3以下,实现发电成本的大幅降低,从而加快塔式发电商业化的步伐。其基本思想是,将一块面积很大的反射镜分成几块(如3块以上),安装于巧妙的平行连杆机构上,通过一往复直线运动机构的驱动可同步调整所有反射镜的高度角和彼此间距;平行连杆机构架设于轨道式的方位角调整机构上,可调整反射镜的方位角,在太阳光跟踪传感器的作用下,可以保证反射光准确投射到设定方向上。
        整套装置特点如下:
        (1)轨道式的方位角调整机构包含一个中心轴线为ZZ’的环形轨道,该装置既可将反射光朝中心轴线ZZ’所指的设定方向投射;又可以朝中心轴线ZZ’以外的其他设定方向投射。
        (2)由于平行连杆机构具有结构简单,工艺性好,对应连杆始终平行的特性,只要平行连杆机构的其中一根连杆被主动驱动,其他所有平行连杆就可绕一共同转轴沿平行的轨迹同步运动。这样一块面积很大的反射镜被分成3块以上的反射镜后的同步调整就有了原理基础。
        (3)安装平面镜的平行连杆机构在往复直线运动机构驱动下,平面镜始终具有与太阳位置对应的高度角和彼此间距,实现每片反射镜的反射光之间既不互相遮挡又不产生空挡,每片反射镜面积得到最大限度的利用;平面镜间的空挡可以让风轻松通过从而具有很好的抗风性能。
        (4)驱动平行连杆机构的往复直线运动机构用较小的驱动力就可以轻松驱动并同时调整所有平面镜所需要的高度角,不仅驱动功率大幅降低,而且驱动机构具有灵活的安装位置。
        (5)采用的太阳光跟踪传感器,无盲区、精度高,我们已获得美国专利授权USP6465766B1,可以保证太阳光以一定的精度投射太阳光。
        通过上面的叙述,可以看到,制约太阳热发电商业化的定日镜这一关键技术可得到较好的解决。
        所以,随着定日镜这一关键技术方案的解决,塔式太阳能热发电技术已走出了具有战略意义的一步。我们真诚希望,国内的相关大学和科研院所联合起来,共同研究塔式太阳能热发电系统,为太阳能发电走向实用化、作为替代能源发挥巨大的作用。
        阳光时代已经到来,阳光经济必将飞速发展,能源革命势不可挡!
(编辑    游磊)
张耀明:1943年生于江苏无锡,1965年毕业于上海同济大学,1995年任南京玻璃纤维研究设计院院长。长期以来为我国非通信光纤和特种玻纤领域的开拓和发展作出了创造性的贡献。
 
关键词: 塔式 太阳能 热电站
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