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对烟囱式和塔式太阳能热力发电系统的分析1可编辑
对烟囱式和塔式太阳能热力发电系统的分析1
第17卷第2期广州航海高等专科学校学报v01.17N0-2
2009年6月JOURNALOFGUANGZHOUMARITIMECOLLEGEJun.2009
对烟囱式和塔式太阳能热力发电系统的分析
徐涛L2,刘晓红1
1.广州航海高等专科学校轮机系,广东广州510725;2.华南理工大学电力学院,广东广州510640
摘要:
开发和利用太阳能是"-3今世界新能源技术革命所面临的重大课题。
尤其是太阳能热力发
电对人类环境的改善和电力行业可持续发展具有重要的战略意义.本文阐述了塔式和烟囱式太阳
能热力发电系统的基本原理和研究进展,并分析这两种热力发电系统的优缺点,提出了太阳能热力
发电系统的研究方向.
关键词:
太阳能;热力发电;研究方向
中图分类号:
TM615文献标识码:
A
随着石化能源时代的终结和新文明的到来,太径,是解决全球能源危机的有效途径之一九.这种
阳能将成为全世界的主要能源.太阳能的利用主要发电方法遵循大自然界内的能量转换定律,由太阳
是把太阳能转化为热能或电能.利用太阳热能发电能产生风能,再有风能转化为电能.烟囱式太阳能电
是一门综合性的高技术,涉及太阳能利用、储能、新站系统主要由透明顶棚如玻璃的集热器、太阳能
型材料技术、高效汽轮机技术和自动控制系统等问烟囱和透平发电机组,如图1所示‘引.
题,是当今世界在太阳热能利用方面研究的主题之
一.目前太阳能热力发电装置的容量已从千瓦级发
展到兆瓦级,世界上已有数十座兆瓦级太阳能热电置
站投入运行….许多科学家预测,本世纪末和下世阳能集热器
纪初,太阳能发电的电价有可能降到与常规电价相
同的水平旧1.太阳能热发电是将太阳辐射从面积上图l烟囱式太阳能发电系统的原理简图
浓缩产生高温发电的装置.由于太阳光聚集后可以
产生高温,因此该技术用于与热发电机相连来构成其工作原理是太阳光以辐射形式加热到集热器
发电系统.目前太阳能热力发电系统按照太阳能采下方的地面,使之温度升高.外界空气进入集热器
集方式大体上分为:
烟囱式发电系统、槽式发电系后,受地面和太阳光的加热,其密度会减小,从而沿
统、塔式发电系统、碟式发电系统.本文主要对烟囱着集热器顶部进入到太阳能烟囱,在烟囱内受到
式和塔式太阳能热力发电系统进行结构、基本原理“烟囱作用”形成一定速度的上升气流.当该气流量
以及性能特点进行分析.聚集到一定程度就可驱动安装在烟囱内的风力透平
发电机组发电.同时,环境空气不断进人集热器,形
1烟囱式太阳能热力发电系统成持续的气流循环流动,达到持续发电的目的.
1.2烟囱式太阳能发电技术的研究进展
1.1烟囱式太阳能热力发电原理及结构世界上第一座太阳能热风试验型电站的烟囱高
烟囱式太阳能发电技术也称太阳能风力发电技为195m,直径为lO.3m,集热棚直径约为242m,
000
术,是实现大规模开发和利用太阳能的一种新的途集热器面积约为46m2.电站通过蓄热系统可实
收稿日期:
2008―10―09
作者简介:
徐涛1977一,男,博士研究生,讲师,主要从事能源技术方面的教学与研究
万方数据
第2期徐涛等:
对烟囱式和塔式太阳能热力发电系统的分析
现连续性供电,其中白天的输出功率为100kW,夜术、高温传热流体的储存与传输技术、防止蓄热系统
间的输出功率为40kW.通过对电站的现场测量与的腐蚀结垢技术的研究.其基本原理是利用太阳能
理论计算结果进行比较,分析太阳塔电厂的发电效集热系统将太阳热能转换并储存在传热介质中,再
率的影响因素.电站每天都可正常运行,集热器内部用该高温传热介质加热蒸汽至10MPa,500℃以上,
温度升高17℃,风速可达12m/s.这表明了太阳塔驱动常规Rankine循环汽轮发电机组发电.这种发
电站是可以建造并运行的.Krisst建造了一座烟囱高电方式无需常规能源,动力的供给完全来自于集热
度为10m,集热器直径为6m,输出功率为10w的系统内因太阳辐射所产生的高温传热介质.基于这
庭院式太阳能热风发电装置.Kulunk在土耳其建造
一原理构建的系统主要由定日镜阵列、高塔、受热
m2
了1座烟囱高2m,直径为7cin,集热器面积为9器、传热流体、换热部件、蓄热系统、控制系统、汽轮
的微型电站,其发电功率为0.14W,烟囱中的涡轮机和发电系统等部分组成,系统结构如图2所示.传
机转子功率为0.45W,发电机效率为31%,烟囱底热介质沿受热器一÷高温储罐_+蒸汽发生器一低温储
Pa.
部的温差和压差分别为4℃和200罐循环流动,所发生的能量转换过程为:
太阳热能
在理论研究方面,Had等人对实验电站进行了定日镜场_传热介质内能受热器一蒸汽动能
基础性的研究,分析了能量平衡、设计标准和费用等蒸汽发生器_电能汽轮发电机.塔式太阳能热
问题,并报告了该电站的初步测试结果¨1.Mullet推力发电功率大、热量传递路程短、热损耗少、聚光比
导出了太阳能烟囱的总效率.Pasurmarthi对所构建的和温度较高¨-.
3种太阳能烟囱模型进行了理论和实验研究,并且建
立了一套数学模型来评估太阳能烟囱的温度对系统
发电量的影响.Bernardes等人建立了以层流对流换
高
Bakstrom和Gan.
热为基础的集热器理论模型峥1.Von
non
AJ对太阳能热风电站内的可压缩性流动,系统内
空气压降,系统热力循环和能量损失以及透平性能强
化等进行研究,提出IGV的概念,取得了一系列的研
F
究成果¨’.CarlKirstein和VonBackstrom对集热器
至烟囱的过渡段气流的进行了实验研究和计算机模器
拟.指出过渡段的压力损失会降低气体流经透平的压
降,从而减少透平输出功,也就减少了系统发电量和
变电站汽轮发也机
发电效率.试验结果与CFD的模拟结果非常相符.利
围2塔式太阳能热力发电系统图
用CFD对全尺寸的太阳能热风电站的过渡段进行了
模拟,模拟结果表明:
过渡段的压损系数为0.055,小2.2塔式太阳能发电技术的研究现状
于预测的0.160.此外,还建立了过渡段压损系数与集当前一些国家建造了多座SPT示范电站,因其
热器高度和入口导叶部分叶片转角的半经验公式,为技术的复杂性和很高的造价,此后不再新建示范电
今后太阳能热风电站的设计提出了参考依据.葛新石站,但相关研究仍在继续,研究主要方向转向电站模
等对太阳能热风发电系统的热力学不完善性做了分型、大型定日镜和高效储能系统.美国首先建立了
析,指出太阳烟囱发电技术实质上是太阳热发电,它Solar
one塔式太阳能发电站.该电站的受热器采用
受热力学定律的制约,作为热发电系统,热源的热空水作为传热介质,发电功率大约在10MW.同时增
气温度很低,即使在理想条件下,系统的发电效率也800
加了蓄热系统,蓄热介质为导热油和6t石块,
较难大于1%¨J.所贮蓄的热量可保证4h的7MW电能输出.为进
一步研究熔盐高温蓄热系统、电站运行特性及新型
2塔式太阳能热力发电系统定日镜,从而推进SPT的商业化,该SolarOne电站
已改造为SolarTwo电站.SolarTwo电站采用熔盐作
2.1塔式太阳能热力发电原理及结构为蓄热介质,熔盐重量比为60/40的NaNO,和
600
目前太阳能塔式热力发电简称SIT研发的重t,用2个直径19
KNO,混合物,总量约lm、高
21.5
点和趋势,主要是太阳热资源的收集与高温蓄热技nl罐储存,设计功率为43MW,可供电站满负
万方数据
广州航海高等专科学校学报第17卷
h.Solar
Two电站1996年开始运行,年平均
荷运行4利用太阳直射辐射和散射辐射,而塔式的太阳能热
发电效率为15%.力发电系统因采用聚焦型集热器仅能利用太阳直射
为简化结构与便于维护,西班牙前后分别建立辐射生产蒸汽来驱动热机发电;2烟囱式与塔式太
了Phoebus塔式太阳能发电站、功率0.5MW的塔阳能热力发电系统相比,不需要冷却水源,适宜于太
I
式热力发电装置SSPSCRS电站、1MW的CESA阳能资源丰富而又缺水的国家和地区;3烟囱式太
电站、1MW的TSA电站.Phoebus塔式太阳能发电阳能热力发电系统的设备更简单,建材更易得,建设
站的传热介质采用空气,无储能系统,取而代之的是成本更低,所需建材主要为水泥及透明面盖材料,可
天然气或油燃烧器.SSPSCRS电站系统的传热介质就地取材,空气涡轮发电机为成熟商品,不存在因使
和储热介质为液态钠.CESAI电站采用了93台面用高新技术造成投资风险和成本过高等问题.塔式
积为29.3m2的定日镜,涡轮蒸汽条件是10MPa,太阳能热力发电系统的定日镜采用双轴跟踪,将太
500℃,M.Castro等人对该电站各部分建立了计算阳光精确地聚焦到位于高塔顶部的受热器上。
聚光
模型,用准稳态方法求解rio].TSA电站系统的传热倍数高达500以上,易达到较高温度,但跟踪控制系
介质和储热介质改为空气与陶瓷,它利用太阳热和统复杂,代价太高;集热器安装在高塔上,安装、维
燃烧热产生的近800℃高温高压空气驱动燃气轮机修、操作等不便,而且输送管路系统复杂,热损失较
发电,测试结果表明其热效率略高于前两台装置.大;4运行过程中,烟囱式和塔式太阳能热力发电
日本研制出功率1MW的SunShine塔式热力系统的驱动载体分别为空气和水蒸汽;5烟囱式太
发电装置.该发电装置直接采用蒸汽作传热介质,储阳能热力发电系统因未采用太阳能聚光器,太阳能
m×180
热介质为水,占地150m.意大利建造的1至电能的转换效率低,需要更大面积的土地.发电效
MW塔式热力发电装置Eurelios电站,传热介质和率除与当地太阳能辐射强度有关外,还随集热棚面
积和烟囱高度的增加而提高.为获得较高的效率和
储热介质与日本的SunShine电站一样,采用70台
52MW
m2和112台23m2定日镜集热.法国建造25经济性,须构建大规模的电站.而塔式太阳能热力发
的THEMIS电站,该系统采用Ti―Tec盐为传热介电系统因能量集中过程是靠定日镜反射太阳光线一
质和储热介质,采用53.7m2的定日镜200台,设计次完成,且受热器散热面积相对较小,因而光一热转
的日照条件为春分中午时1.04kW/m2,涡轮蒸汽条换效率较高.与烟囱式太阳能热力发电系统相比,需
件是4.1MPa,430℃.前苏联建成了两座塔式试验要的土地面积小.
电站,容量分别为5MW和6MW¨¨.乌克兰塔式电
站中心塔高70m,采用的定日镜面积25m2,共4结论与建议
1600块,呈圆形布置.此电站直接用水作工质,经定
日镜聚焦的太阳光可将受热器内的水加热成9采用太阳能热力发电技术,避免了昂贵的硅晶
MPa,510℃的蒸汽.测试表明,全年日照时间为光电转换工艺,可以大大降低太阳能发电的成本.同
2000GW/h.我国近年来开时,太阳能热发电具有不消耗常规能源、可连续发
h时,年发电量可达5.8
始重视塔式太阳能发电并进行塔式系统全尺寸试验电、对环境无污染等诸多优点.太阳能是地面最广泛
研究.我国首座70kW的SPT系统在南京建成并成的能量形式,尽管其发电效率低。
电厂的建造成本
功发电.塔高33m,共用32面定日镜.高,但是在世界能源供应日趋严峻的形势下,随着科
学技术水平的提高,将会在未来发挥其独特的作用.
3烟囱式与塔式太阳能热力发电系统国外对太阳能热力发电技术实用研究较早,并
的性能分析取得了很大进展.我们也应加大研究开发力度,确定
太阳能热力发电技术的近期、中期及远期开发内容
烟囱式与塔式的太阳能热力发电系统比较发和目标;明确研究期限和阶段成果;着重确定与研究
现,它们具有一系列的共同点:
1动力源均为太阳所涉及的关键技术,确定研究难点,研究系统中太能
能;2均设置有蓄热系统,可实现全天候运行,减少热能转化一储存一传输一再生电能过程中的动力
对天气的依赖性,且不需要化石燃料;3均无有害学、热经济学、热传递现象理论以及储能系统中的应
气体放出,对生态环境不产生负面影响.两者的异同用基础问题,建立能量流转换的理论和模型;研制出
点:
1烟囱式太阳能热力发电系统的集热棚能同时符合工作性能和可靠性要求的样机,并进行千瓦级
万方数据
第2期徐涛等:
对烟囱式和塔式太阳能热力发电系统的分析
ofSolar
样机可行性论证与试验,获得热力发电系统关键技Energy,1984,32:
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BERNARDESMAD
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ChimneyTypeType
XU
Ta01”,LIU
Xiao.hon91
ofMarineMaritime
Engineering。
GuangzhouCollege,GuangzhouGuangdong510725,China;2.
1.Department
ofElectricChinaof
CollegePower,SouthUniversityTechnology,GuangzhouGuangdong510640
andutilizationofsolarisatremendoustasktobefacednew
Abstract:
Thedevelopmentpowerbyenergytechnology
inisoftoandthe
innovationtheworld.Solartheenvironment
powerparticularlystrategicimportanceimprovement
continuousofelectricsetsforththebasicoftheand
power
developmentindustry.Thispaperprinciplechimneytype
thetowerofsolarthermalandtheresearchonthemandaresearch
typepowergenerationsystemspresentpresents
forthesolarthermalwhichisbasedontheofthemeritsanddemeritsof
directionpowergenerationsystemsanalysis
thetWO
types.
direction
words:
solarpower;thermalgeneration;research
Key
万方数据
对烟囱式和塔式太阳能热力发电系统的分析
作者:
徐涛,刘晓红,XUTao,LIUXiao-hong
作者单位:
徐涛,XUTao广州航海高等专科学校,轮机系,广东,广州,510725;华南理工大学,电力学院
广东,广州,510640,刘晓红,LIUXiao-hong广州航海高等专科学校,轮机系,广东,广州
510725
刊名:
广州航海高等专科学校学报
英文刊名:
JOURNALOFGUANGZHOUMARITIMECOLLEGE
年,卷期:
2009,172
引用次数:
0次
参考文献11条
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