太阳能热利用课件.ppt
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- 太阳能 利用 课件
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1、太阳能的热利用太阳能的热利用Solar Thermal Technology1背景之一背景之一国家中长期科学和技术发展规划纲要(20062020年)中华人民共和国国务院2l十个重点领域十个重点领域第一是第一是能源能源l五大优先主题五大优先主题节能节能;煤煤;油气油气;新能源新能源;电网电网l可再生能源低成本规模化开发利用可再生能源低成本规模化开发利用 l重点研究开发大型风力发电设备;l沿海与陆地风电场和西部风能资源密集区建设技术与装备;l高性价比太阳光伏电池及利用技术;高性价比太阳光伏电池及利用技术;l太阳能热发电技术;太阳能热发电技术;l太阳能建筑一体化技术(光热及光伏);太阳能建筑一体化技
2、术(光热及光伏);l生物质能和地热能等开发利用技术。3背景之二背景之二可再生能源中长期发展规划(2007年9月)中华人民共和国国家发展和改革委员会4重点发展领域:重点发展领域:l太阳能太阳能1、太阳能发电太阳能发电 户用光伏发电系统;建筑物一体化的屋顶太阳能并网光伏发电设施;较大规模的太阳能光伏电站和太阳能热发电电站。2、太阳能热利用太阳能热利用 太阳能一体化建筑;太阳能集中供热水工程;太阳能采暖和制冷示范工程。水电水电、生物质能、生物质能、风电、风电、太阳能、其它可再生能源、太阳能、其它可再生能源5l太阳并不是一个一定温度的黑体,而是许多层不太阳并不是一个一定温度的黑体,而是许多层不同波长发
3、射和吸收的辐射体。但在应用太阳能系同波长发射和吸收的辐射体。但在应用太阳能系统时,通常把它看成是温度为统时,通常把它看成是温度为的的。太阳黑体辐射太阳黑体辐射6 Represents the entire electromagnetic radiation(visible light,infrared,ultraviolet,x-rays,and radio waves)7到达地球的太阳辐射能到达地球的太阳辐射能l地球在绕太阳运行过程中,与太阳间的距离变化不大,地球在绕太阳运行过程中,与太阳间的距离变化不大,到达地球大气层上界的太阳辐射强度几乎是一个常量,到达地球大气层上界的太阳辐射强度几乎是
4、一个常量,用用来表示。来表示。l太阳常数的数值是指在平均日地距离时,地球大气层上太阳常数的数值是指在平均日地距离时,地球大气层上界垂直太阳光线的单位面积表面、单位时间内所接受到界垂直太阳光线的单位面积表面、单位时间内所接受到的太阳能。近年来测得的太阳常数值的太阳能。近年来测得的太阳常数值AM0=1350W/m2,的变化造成的影响不超过的变化造成的影响不超过3.4%。lAM0,太空常用,太空常用,1350W/m2 lAM1.5,地面常用,地面常用,844W/m2 8 太阳辐射穿过地球大气层时的衰减太阳辐射穿过地球大气层时的衰减l太阳光谱中的太阳光谱中的及其它波长更短的辐射,因在电离层及其它波长更
5、短的辐射,因在电离层被氮、氧及其它大气分子强烈吸收而不能穿越大气到达被氮、氧及其它大气分子强烈吸收而不能穿越大气到达地表地表l大部分大部分被臭氧吸收被臭氧吸收能量减弱,主要是地球大气强烈散射引起的能量减弱,主要是地球大气强烈散射引起的能量减弱,主要是由于水汽对太阳辐射选择性能量减弱,主要是由于水汽对太阳辐射选择性吸收的结果吸收的结果,在大气上界本来就很低,加,在大气上界本来就很低,加上二氧化碳和水对它的强烈吸收,能到达地面的能量就上二氧化碳和水对它的强烈吸收,能到达地面的能量就更小更小 因此,到达地面的太阳能,只考虑因此,到达地面的太阳能,只考虑的辐的辐射就行了。射就行了。9Resource
6、Characteristics 地面附近太阳辐射光谱图地面附近太阳辐射光谱图10Solar resource 我国太阳能资源分布我国太阳能资源分布 11太阳能热利用的分类太阳能热利用的分类太阳利用系统(350以上)High temperature for electric power generation 太阳能利用系统(80350)Heating for industrial processes and“active”building solar heating(human comfort)太阳能利用系统(80以下)Low temperature for water heating and
7、passive building solar heating(human comport)12l太阳能热发电技术l太阳能供暖技术l太阳能热水系统l太阳能制冷技术l其它太阳能的热利用技术太阳能热利用的分类太阳能热利用的分类131 太阳能热发电技术太阳能热发电技术1.1 1.1 太阳能热发电的类型和特点太阳能热发电的类型和特点,利用反射镜或集热器将阳光聚集,利用反射镜或集热器将阳光聚集起来,加热水或其它介质,产生蒸汽或热气流以推动起来,加热水或其它介质,产生蒸汽或热气流以推动涡轮发电机发电;涡轮发电机发电;l利用利用的装置,将聚集的太阳光和的装置,将聚集的太阳光和热直接发电。例如温差发电、热离子发
8、电和磁流体发热直接发电。例如温差发电、热离子发电和磁流体发电等。电等。l目前太阳能热发电技术主要为目前太阳能热发电技术主要为。14太阳能高温利用示例太阳能高温利用示例集中热动力发电集中热动力发电 151.1 1.1 太阳能热发电的类型和特点太阳能热发电的类型和特点l太阳能是一种能流密度很低的能源,若要提高经济效太阳能是一种能流密度很低的能源,若要提高经济效益,就必须提高益,就必须提高和和。l太阳辐射能很容易以极高的效率转换为热能,但把热太阳辐射能很容易以极高的效率转换为热能,但把热能转变为功则受到限制。能转变为功则受到限制。和和阐述了热转换为功的条件和最大转换效率,提高热机阐述了热转换为功的条
9、件和最大转换效率,提高热机效率的主要途径是效率的主要途径是。161.2 太阳能热发电系统太阳能热发电系统17Power tower in Barstow,California 18Power tower in Barstow,California 19(1)(1)塔式电站塔式电站 Power Towers 塔式电站用一个塔式电站用一个。吸收器利用由许多反射镜聚集的阳光把其中的介质吸收器利用由许多反射镜聚集的阳光把其中的介质(如水如水)加热,并产生温度和压力都相当高的蒸汽。蒸汽驱动汽轮加热,并产生温度和压力都相当高的蒸汽。蒸汽驱动汽轮发电机组发电。发电机组发电。塔式电站的塔式电站的聚光倍数高聚光
10、倍数高(1000(10003000)3000),其介质工作温,其介质工作温度通常大于度通常大于350350,因此通常被称为,因此通常被称为高温太阳能热发电高温太阳能热发电。塔式电站的优点是聚光倍数高,容易达到较高的工作塔式电站的优点是聚光倍数高,容易达到较高的工作温度;能量集中过程由反射光一次完成,方法简捷有效;温度;能量集中过程由反射光一次完成,方法简捷有效;吸收器散热器面积相对较小,光热转换效率高。吸收器散热器面积相对较小,光热转换效率高。但塔式电站但塔式电站建设费用高建设费用高,其中反射镜的费用占,其中反射镜的费用占50%50%以以上。太阳能塔式电站的总体效率可以达到上。太阳能塔式电站的
11、总体效率可以达到20%20%。20 目前世界上较大的太阳能塔式电站功率已达到目前世界上较大的太阳能塔式电站功率已达到10104 4kWkW,太阳能辐射通过多个反射镜聚集到放置在高塔,太阳能辐射通过多个反射镜聚集到放置在高塔顶的中心吸收器上。计算机控制顶的中心吸收器上。计算机控制,这保障了每,这保障了每块反射镜都能随时把太阳能反射到吸收器上,但这无疑块反射镜都能随时把太阳能反射到吸收器上,但这无疑。塔式电站的塔式电站的是太阳能电站是太阳能电站。例如,。例如,一个计划中的一个计划中的1MW1MW的塔式电站,要用的塔式电站,要用2.932.93万块反射镜,万块反射镜,单镜面积为单镜面积为30m30m
12、2 2。这些反射镜布置在。这些反射镜布置在3km3km2 2的场地上,塔的场地上,塔的高度为的高度为305m305m。21100m2定日镜定日镜heliostat2223Current heliostat prices$125 to$159 m-2 24(2)碟式电站碟式电站 Dish technology 采用碟状采用碟状(也称盘状也称盘状)抛物镜作集热器抛物镜作集热器。Small scale distributed applications 25Because they work best under direct sunlight,parabolic dishes must be ste
13、ered throughout the day in the direction of the sun.Shading and land use considerations 26碟式电站缺点系统复杂系统复杂l抛物镜抛物镜 如建立一个如建立一个100MW的碟状抛物镜集热器分散布置的太阳的碟状抛物镜集热器分散布置的太阳能电站,约需要能电站,约需要12万个直径为万个直径为6m的抛物镜的抛物镜。l高温接收器高温接收器l管路及绝热材料管路及绝热材料l跟踪控制系统跟踪控制系统27(3)槽式电站槽式电站 Parabolic Troughs l槽式电站与碟式电站相似,它把槽式电站与碟式电站相似,它把,使,使
14、载热介质在单个分散的太阳能聚焦集热器中加热成蒸载热介质在单个分散的太阳能聚焦集热器中加热成蒸汽,再汇集至汽轮机。汽,再汇集至汽轮机。l如采用双回路系统,则加热后的载热介质不直接送到如采用双回路系统,则加热后的载热介质不直接送到汽轮机,而是集中在一个热交换器内,然后把热量传汽轮机,而是集中在一个热交换器内,然后把热量传递给汽轮机回路中的工质。递给汽轮机回路中的工质。28槽式聚光器槽式聚光器Parabolic trough concentrator29槽式电站集热器示意图槽式电站集热器示意图One-axis tracking parabolic trough with axis oriented
15、east-west30Collectors in southern CA3132l塔式电站和碟式抛物镜集热器分散布置式电站均为塔式电站和碟式抛物镜集热器分散布置式电站均为,聚光倍数高达,聚光倍数高达500500以上。以上。l但塔式电站的但塔式电站的跟踪代价高跟踪代价高,碟式电站的,碟式电站的能量集中代价能量集中代价大大,二者受到了目前技术水准的限制,实现商业化尚,二者受到了目前技术水准的限制,实现商业化尚需时日。需时日。l槽式电站是槽式电站是,聚光倍数小于,聚光倍数小于100100。但槽式电站。但槽式电站跟踪精度低,导致控制代价小,同时采用管状吸收器,跟踪精度低,导致控制代价小,同时采用管状吸
16、收器,工作介质受热流动同时集中能量。槽式电站的总体代工作介质受热流动同时集中能量。槽式电站的总体代价相对小,经济效益相对提高,所以目前价相对小,经济效益相对提高,所以目前。塔式、槽式和碟式三种电站技术比较:塔式、槽式和碟式三种电站技术比较:33(4)烟囱发电烟囱发电 Solar thermal chimney l太阳能烟囱发电系统由太阳能烟囱发电系统由、和和3 3个基本部分所构成个基本部分所构成l太阳能热风发电构想是由德国斯图加特大学的太阳能热风发电构想是由德国斯图加特大学的J.SchlaichJ.Schlaich 教授于教授于1978 1978 年提出年提出34太阳能热风发电技术原理简图太阳
17、能热风发电技术原理简图 35l太阳能集热棚建在一块太阳辐照强、绝热性能比较好的土太阳能集热棚建在一块太阳辐照强、绝热性能比较好的土地上。集热棚和地面有一定间隙,可以让周围空气进入系地上。集热棚和地面有一定间隙,可以让周围空气进入系统;集热棚中间离地面一定距离处安装烟囱,在烟囱底部统;集热棚中间离地面一定距离处安装烟囱,在烟囱底部装有涡轮机。太阳光照射集热棚,集热棚下面的土地吸收装有涡轮机。太阳光照射集热棚,集热棚下面的土地吸收透过覆盖层的太阳能辐射能,并加热土地和集热棚透过覆盖层的太阳能辐射能,并加热土地和集热棚覆盖层覆盖层之间的空气使集热棚内空气温度升高,密度下降,并沿着之间的空气使集热棚内
18、空气温度升高,密度下降,并沿着烟囱上升,集热棚周围的冷空气进入系统,从而形成烟囱上升,集热棚周围的冷空气进入系统,从而形成空气空气循环流动循环流动。l由于集热棚内的空间足够大,当集热棚内的空气流到达烟由于集热棚内的空间足够大,当集热棚内的空气流到达烟囱底部的时候,在烟囱内将形成强大的气流,利用这股强囱底部的时候,在烟囱内将形成强大的气流,利用这股强大的气流推动装在烟囱底部的涡轮机,大的气流推动装在烟囱底部的涡轮机,带动发电机发电带动发电机发电。太阳能热风发电技术原理太阳能热风发电技术原理 36太阳能热风发电技术优点:太阳能热风发电技术优点:l太阳能几乎是取之不尽,用之不竭的清洁能源,太阳太阳能
19、几乎是取之不尽,用之不竭的清洁能源,太阳能热风发电对环境无污染;能热风发电对环境无污染;l太阳能热风电厂通过设置蓄热系统,可实现全天候运太阳能热风电厂通过设置蓄热系统,可实现全天候运行;行;l太阳能热风电厂设备简单,透平发电机组是唯一的运太阳能热风电厂设备简单,透平发电机组是唯一的运动部件,维护费用低;动部件,维护费用低;l不需冷却水、不产生二氧化碳气体,对缓解全球变暖不需冷却水、不产生二氧化碳气体,对缓解全球变暖有积极作用。有积极作用。371.3 太阳能集热吸收器太阳能集热吸收器l太阳能发电站与火力发电站之间的太阳能发电站与火力发电站之间的是是。l集热器的功用是有效的吸收太阳能而又不向外扩散
20、。集热器的功用是有效的吸收太阳能而又不向外扩散。l以槽式电站为例,集热器的主要类型有:真空管吸收器以槽式电站为例,集热器的主要类型有:真空管吸收器和腔体式吸收器。和腔体式吸收器。38真空管吸收器的结构图真空管吸收器的结构图(1)真空管式吸收器真空管式吸收器39真空管吸收器的优缺点真空管吸收器的优缺点是金属管与玻璃管之间不存在对流热损,是金属管与玻璃管之间不存在对流热损,玻璃管外径较小且透明,从而既减少了对阳光的遮影,也通玻璃管外径较小且透明,从而既减少了对阳光的遮影,也通过增大热阻降低了外表面的对流热损;有选择性涂层的金属过增大热阻降低了外表面的对流热损;有选择性涂层的金属管壁对阳光的吸收率很
21、高,但发射率却非常低。管壁对阳光的吸收率很高,但发射率却非常低。是由于玻璃和金属的热膨胀系数不同,是由于玻璃和金属的热膨胀系数不同,玻璃管与金属管之间存在温差,造成中温时玻璃管与金属管之间存在温差,造成中温时(略低于略低于350)350)真空封口处的玻璃容易脆裂,从而难以在室外环境下长期维真空封口处的玻璃容易脆裂,从而难以在室外环境下长期维持真空度;在中温时光学选择性涂层容易老化和脱落,难以持真空度;在中温时光学选择性涂层容易老化和脱落,难以长期维持大规模光学选择性吸收表面的热稳定性。长期维持大规模光学选择性吸收表面的热稳定性。40(2)腔体式吸收器腔体式吸收器 腔体式吸收器的结构为腔体式吸收
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