太阳能热发电站.pdf

太阳能热发电站宋记锋 丁树娟 编著机 械 工 业 出 版 社本书以太阳能热发电站设计、运行为主线，依次讲述太阳轨迹计算、太阳辐射能、传热学基础、槽式热发电站、塔式热发电站、碟式热发电站，涉及光热电站的原理介绍、结构设计、聚光、集热、换热、蓄热等模块的参数描述。本书中理论与实际工程应用相结合，注重横向比较，给出了比较详细的电站设计参数，便于教师组织教学和学生连贯、系统的学习。本书可供太阳能发电专业方向的学生使用，以及作为电力设计院、电力研究院人员的参考用书。图书在版编目（CIP）数据太阳能热发电站/宋记锋，丁树娟编著.北京：机械工业出版社，2012.10ISBN 978-7-111-39898-1.太.宋丁.太阳能发电电站.TM615中国版本图书馆 CIP 数据核字（2012）第 231138 号机械工业出版社（北京市百万庄大街 22 号 邮政编码 100037）策划编辑：张俊红 责任编辑：江婧婧版式设计：姜 婷 责任校对：樊钟英封面设计：马精明 责任印制：张 楠北京双青印刷厂印刷2013 年 1 月第 1 版第 1 次印刷148mm 210mm6.875 印张203 千字00013000册标准书号：ISBN 978-7-111-39898-1定价：35.00元凡购本书，如有缺页、倒页、脱页，由本社发行部调换电话服务网络服务社 服 务 中 心：（010）88361066教 材 网：http：/销 售 一 部：（010）68326294机工官网：http：/销 售 二 部：（010）88379649机工官博：http：/ 太阳能热利用是一种新兴的可再生能源利用技术，按照介质被加热的温度等级可分为低温热利用、中温热利用和高温热利用。迄今为止，太阳能热利用是太阳能利用中技术最成熟、转换效率较高、价格比较低廉的方式之一，尤其是中低温的热利用，而高温热利用则主要为太阳能热发电等。太阳能热发电指利用太阳能热量加热换热工质推动轮机进行发电。太阳能热发电的概念最早在 19 世纪被提出，自从 1878 年在巴黎建立了第一个小型点聚焦太阳能热交换式蒸汽机以来，能源领域专家从各个方面对太阳能热发电技术展开探讨，太阳能热发电技术取得了显著的进展。太阳能热发电与常规燃煤、燃气、火力发电系统相比，太阳能热发电系统中用太阳能集热系统取代了锅炉系统，汽轮机系统构成则基本相同，但机组参数与常规火电有较大差异。按照太阳能集热温度的高低，太阳能热发电系统可以分为塔式系统、碟式系统和槽式系统三大基本的朗肯循环类型和以热空气为工质的太阳能烟囱。这三种利用方式都为聚焦式集热类型。槽式太阳能热发电系统是利用槽形抛物面反射镜聚焦太阳能加热工质，经换热产生蒸汽后推动汽轮机带动发电机发电的能源动力系统。槽式太阳能集热系统由许多分散布置的槽形抛物面聚光集热器串联或并联组成。塔式太阳能热发电系统是利用定日镜跟踪太阳，并将太阳光聚焦在中心接收塔的接收器上，将聚焦的辐射能转变为热能，加热工质，驱动汽轮发电机发电。塔式太阳能热发电系统为典型的太阳能高温热利用方式，其系统最高集热温度可以达到 1000以上。碟式太阳能热发电系统是由碟形镜面组成的抛物面反射镜，接收器在抛物面的焦点上，接收器内的传热工质被加热后驱动发动机进行发电。碟式太阳能热发电技术是太阳能热发电中光电转换效率最高的一种方式。我国在发展太阳能热发电技术上已经起步较晚，所以我们要加快脚步，相信太阳能热发电技术的发展将会带来显著的社会效益、经济效益和环境效益，将成为新能源的经济增长点，并实现可持续发展。本书由华北电力大学宋记锋老师主编。在宋记锋老师的指导下，靳周、吴俊杰、罗娜编和张民幸编写了第 1 章和第 2 章，周传文编写了第3 章和第6 章，朱勇编写了第4 章和第5 章，最后由宋记锋和丁树娟统稿。编者期望通过本书能对太阳能热发电技术做个很好的总结，其中很多工作是作者的研究所得，希望本书的出版能够推动我国太阳能热发电技术的发展，为我国太阳能热利用、节能减排事业的发展做出微薄的贡献。太阳能热发电技术是涉及多学科，是综合性很强的研究热点，由于本书编写人员专业水平有限，对诸多问题的理解难免不够准确，如有不妥之处，恳请各位领导、专家、学者批评指正。编者希望通过本书，使广大读者充分认识太阳能热发电技术，为我国可再生能源发电事业的发展作出贡献。编 者 太阳能热发电站目录前言绪论1第 1 章 太阳几何学基础31.1 地球的自转、公转31.2 天球坐标系51.3 太阳角度计算7 1.3.1 太阳高度角7 1.3.2 太阳方位角8 1.3.3 日出日没的时角9 1.3.4 日出日没的方位角91.4 太阳时与时差10 1.4.1 真太阳时与平太阳时10 1.4.2 时差11第 2 章 太阳辐射学142.1 引言142.2 太阳的能量142.3 地球大气层外的太阳辐射16 2.3.1 太阳常数16 2.3.2 太阳光谱172.4 地球表面的太阳辐射19 2.4.1 大气成分19 2.4.2 均质大气19 2.4.3 大气质量21 2.4.4 大气透明度24 2.4.5 直射辐射和散射辐射25 2.4.6 倾斜面上的太阳总辐射282.5 太阳能资源评估29 2.5.1 太阳能总辐射的计算方法29 2.5.2 太阳能资源的丰富程度与稳定程度34 2.5.3 我国太阳能资源分布35 2.5.4 实例分析37第 3 章 传热学基本理论393.1 引言393.2 导热40 3.2.1 导热基本定律40 3.2.2 通过平壁的导热41 3.2.3 通过圆管的导热42 3.2.4 通过球壳的导热433.3 对流换热44 3.3.1 牛顿冷却定律44 3.3.2 层流、湍流和雷诺数44 3.3.3 边界层理论45 3.3.4 对流换热的经验公式46 3.3.5 对流边界条件下平板和圆管壁的换热量523.4 热辐射54 3.4.1 热辐射现象的基本概念54 3.4.2 黑体辐射基本定律56 3.4.3 物体表面间的辐射换热61 3.4.4 通过半透明介质的辐射传递64第 4 章 槽式热发电站674.1 太阳能集热系统67 4.1.1 太阳能聚光集热系统67 4.1.2 聚光器技术67 4.1.3 抛物面反光镜技术71 4.1.4 支架72 4.1.5 跟踪机构73 4.1.6 集热管73 太阳能热发电站 4.1.7 金属-玻璃真空集热管75 4.1.8 集热管热力性能分析82 4.1.9 机械结构与驱动904.2 地址选择90 4.2.1 概述90 4.2.2 实例分析944.3 工艺技术方案99 4.3.1 技术方案的选择99 4.3.2 主要设备的选择142 4.3.3 技术方案的优化1564.4 发电量计算与发电成本估算156 4.4.1 发电量计算模型156 4.4.2 不同参数、不同运行模式下的发电量计算160 4.4.3 发电成本估算1654.5 应用案例170 4.5.1 SEGS 系统170 4.5.2 DISS 系统1714.6 发展趋势174第 5 章 塔式热发电站1765.1 基本原理1765.2 定日镜结构与控制177 5.2.1 定日镜总体设计177 5.2.2 高可靠性、高反射率玻璃镜的研制177 5.2.3 支架的结构设计及力学稳定性分析177 5.2.4 支架与玻璃反射镜的结合方法177 5.2.5 高准确度传动方式177 5.2.6 定日镜控制方式的研究及器件开发177 5.2.7 定日镜误差控制方法1785.3 热工系统178 5.3.1 塔式太阳能热发电系统的结构178 5.3.2 定日镜系统178目 录 5.3.3 塔式太阳能热发电的热交换系统181 5.3.4 适合我国国情的技术 相对比较成熟的塔式太阳能热发电集成方案1835.4 实例分析186 5.4.1 PS10 太阳能热发电站186 5.4.2 PS20 太阳能热发电站187第 6 章 斯特林热发电系统1896.1 碟式太阳能热发电系统189 6.1.1 聚光器190 6.1.2 接收器192 6.1.3 热机195 6.1.4 发展现状1956.2 斯特林发动机198 6.2.1 斯特林发动机简介198 6.2.2 斯特林发动机的原理199 6.2.3 斯特林发动机的基本类型2026.3 碟式斯特林太阳能热发电系统的应用202附录 各类热发电聚光能流密度参考数据205参考文献209 太阳能热发电站绪论 1.太阳能热发电的定义 太阳能辐照强度较低，夏季中午时分水平面辐照强度约为1kW/m2，能量品质低，难以形成高效率的发电。太阳能热发电是通过对太阳光聚焦，获得几十倍、几百倍的太阳辐照度，进而加热工质，最终产生高温高压工质，进行热功转换，带动发电机发电。由于太阳轨迹的变化，进行聚焦的前提是配置太阳跟踪装置。2.产业背景 太阳能热发电作为新能源发电一个不可或缺的组成部分，经过数十年的发展，已进入商业化阶段，美国能源局已将太阳能热发电定义为基础能源。太阳能热发电的优势在于通过热储存和与其他能源的互补，能够提供稳定的电力供应，对电网冲击小，具备调频、调峰能力，规模效益显著，因此太阳能热发电引起全球范围内越来越多的重视。在资源方面，我国是太阳能资源非常丰富的国家之一，全国超过2/3 的土地面积每年接收的太阳辐射超过 5.02 106kJ/m2。按照国际通用标准，太阳直射值（DNI）只要大于每年 1800kWh/m2，太阳能热发电就会具有较好的经济效益。在我国，西藏、新疆、内蒙古、甘肃西部、青海部分地区都是潜在的太阳能热发电站候选地址。根据国产化后的电价成本和国内适宜进行太阳能热发电区域所覆盖的范围，进行大规模商业化太阳能热发电站建设的基础条件是完全具备的。在政策方面，经历了金融危机以及面临全球气候变暖的问题后，各发达国家均把新能源产业作为拯救经济的一个突破口给予了积极的扶持和推动。而在国内，随着胡锦涛总书记和温家宝总理相继在联合国气候变化峰会和哥本哈根会议上表明我国应对气候变化的立场，就我国可再生能源利用和二氧化碳减排比例做出郑重承诺后，国内新能源的发展如箭在弦，我国新能源产业进入一个快速发展的阶段。此外，国家为推进可再生能源的发展，相继出台了一系列法律法规和政策，其中包括可再生能源法、国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006 2020 年）和可再生能源中长期发展规划等，其中最重要的就是提出了可再生能源在我国整个能源消费中所占的比例到2020 年要达到 15%左右，这使得太阳能热发电在商业上具有推广应用的前景。在市场前景方面，根据国际能源署（IEA）下属的 SolarPACES、欧洲太阳能热发电协会（ESTELA）和绿色和平组织的预测认为，太阳能聚光热发电（CSP）到 2030 年在全球能源供应份额中将占 3%3.6%，到 2050 年将占 8%11.8%。这意味着到 2050 年 CSP 装机容量将达到 830GW，每年新增 41GW。在未来 5 10 年内累计年增长率将达到17%27%。因此，开展该项目的研究也是市场发展的需求。近年来，国内太阳能热发电研究已形成一种趋势，许多地方政府积极争取相关的项目或将设备制造商落户当地，以期形成新的经济增长点。特别是在国家发展新兴战略性产业的框架下，当风电和太阳能光伏产业在我国已呈现规模化格局，太阳能热发电将受到各方的关注，并引发新一轮的热潮。随着可再生能源配额制的即将实施，五大发电集团（中国华能集团公司、中国大唐集团公司、中国华电集团公司、中国国电集团公司和中国电力投资集团公司）和地方能源公司高度重视太阳能热发电项目的开发与技术储备，纷纷寻求新能源项目。2011 年我国大唐集团新能源股份有限公司中标我国首个 50MW 槽式太阳能热发电特许权示范项目。此外，其还正在甘肃嘉峪关建设了 1.5MW 槽式太阳能与燃煤机组的光煤互补电站。虽然国内槽式太阳能热发电市场尚不成熟，但据不完全统计，正在酝酿的热发电项目装机容量已高达 4GW，潜在市场巨大。2 太阳能热发电站第 1 章太阳几何学基础 太阳能热利用是指将太阳辐射能转换为热能