几种形式的聚光太阳能系统

2019-06-10 02:09:36 256

光电显示工程技术中心

 

聚光太阳能(简称CPV:Concentration Photovoltaic 或CSP:Concentration Solar Power)是利用光学系统——反射或折射装置,将太阳光聚焦在较小的面积上,吸收表面上的太阳辐射能量,将热能转换成电能。 
相比传统的平板光伏发电,聚光太阳能发电能够更加有效地利用太阳能。对于一定面上的太阳能总能量,在该表面上更高的能量流,以更小的集热面积来吸收转化,相应地减少热损失。
但大多数聚光装置只能收集直射辐射,散射辐射损失掉了。所以聚光太阳能系统(CPV或CSP)技术只适用于天气晴朗、光照丰富的地区。在具体应用上,聚光太阳能必须选择安装在太阳直射辐射资源比较丰富的地区,甚至需要跟踪机构,所以控制较复杂。

我们曾谈到CPV 聚光光伏发电历史,其中聚光组件是十分重要的部分。聚光组件中两个重要的部件是接收器(receiver) 和集光器(Collector) 。

目前世界上CPV聚光光伏中应用的集热器形式很多,对太阳光采集主要通过透射和反射,以及二者的结合等方式,目前已经在实验运行或投入商业化运行主要有以下四种:

1) 抛物面槽体;聚焦系统
2) 抛物面碟; 碟式系统
3) 能量塔;塔式系统
4) 菲涅尔透镜;点聚焦系统。

 


一、抛物面槽体(Parabolic trough)聚焦系统


   方程x2=4fy的抛物线绕y轴旋转,即可得到一个旋转抛物面,面上的反射可将平行的如射光线聚焦在焦点上,f为抛物面焦点至端点之间的距离,亦称焦距。在晴天,使抛物面的轴线对准太阳,并把集热管放在焦点处,只要抛物面反射镜的面积足够,利用聚焦阳光所得的高温,即可进行太阳能集热。

LUZ CALIFORNIA 1979   30和80 兆瓦MW槽式太阳能电站

系统特性:~ 80 MW
Fluid: oil or steam 
热流:油或气
温度:270-550
压力: 25-120 巴

位于加州莫哈韦沙漠克莱默叉口5 个 30 兆瓦(MW) 抛物面槽工厂


从1984年到1991年,以色列LUZ公司(SOLEL公司前身)在美国南加州莫哈夫沙漠(Majave Desert)地区建造了9套槽式太阳能发电系统,这些电站总功率为354MW。集热效率为54%,热油温度390℃。随着技术不断发展,系统效率由起初的11.5% 提高到13.6%。建造费用由5976美元/kW降低到3011美元/kW,发电成本由26.3美分/kWh降低到12美分/kWh。槽式线聚焦系统是目前最成熟的聚焦集热器系统,美国决定再建2000MW槽式太阳能发电站。 新装置的电效率已达30%。

 

二、抛物面碟式发电系统(Parabolic dish)

 

抛物面碟式发电系统光学效率高,启动损失小,它是目前太阳能发电效率最高的系统,发电效率达到30%,输出效率达22%(扣除跟踪机构耗电量)。抛物面反射镜/斯特林(Sterling)发电机系统是由许多镜子组成的抛物面反射镜组成,接收器在抛物面的焦点上,接收器内的传热工质被加热到750℃左右,驱动发电机进行发电。碟式发电系统成本高达5700$/kW。

系统特性:10MW
热流: 空气、氢或氦
温度: 600-1200 ℃
压力: 50-200 巴
 
 

美国热发电计划与Cummins公司合作,1991年开始开发商用的7KW碟式/斯特林发电系统。1996年Cummins向电力部门和工业用户交付7台碟式发电系统,计划1997年生产25台以上。Cummins预计10年后年生产超过1000台。该种系统适用于边远地区独立电站。美国热发电计划还同时开发25kW的碟式发电系统。25kW是经济规模,因此成本更加低廉,而且适用于更大规模的离网和并网应用。1996年年在电力部门进行实验,1997年开始运行。美国能源部对碟式系统研究得比较多。


三、能量塔式聚光太阳能系统


塔式太阳能聚光系统主要用于太阳能发电。它利用镜面将将太阳辐射聚焦并反射至中央塔接收器上。塔式系统运用几百或几千个反射镜(又称定日镜)将太阳辐射反射到接收器上。塔式系统发电规模较大,一般在30~400MW之间比较合理,集热效率70%左右,传热介质为熔化盐,工作温度560℃。塔式系统每一块定日镜都是一个单独的二维跟踪机构,系统复杂,成本高(塔式发电站3600$/kW左右)。

 

 

系统特性:  ~10 兆瓦(MW)
热流: 空气
温度:600-1200 oC
压力 1-20 巴(Bars)

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10MW。1992年,Solar One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,计划试运行三年,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30-200MW范围的塔式太阳能热发电系统的商业化。

以色列Weizmanm科学研究所最近正在对塔式系统进行改进。利用一组独立跟踪太阳的定日镜,将阳光反射到固定在塔的顶部的初级反射镜——抛物镜上,然后由初级反射镜将阳光向下反射到位于它下面的次级反射镜——复合抛物聚光器(CPC),最后由CPC将阳光聚焦在其底部的接收器上。通过接收器的气体被加热到1200℃,推动一台汽轮发电机组,500℃左右的排气再用于推动另一台汽轮发电机组,从而使系统的总发电效率可达到25-28%。由于次级反射镜接收到很强的反射辐射能,因而CPC必须进行水冷。整个实验仍处于安装、调试阶段。

最近,Abengoa能源公司在西班牙的安达卢西亚(Andalucian)沙漠中建造塔式太阳能电站。功率:20(MW)兆瓦。

这座电站中太阳能塔高度接近170米的。有超过1200面特制的反光镜(每一面反光镜的面积相当于半个排球场)会将阳光反射到这座太阳能塔上,由此产生的高温可达1000摄氏度,足以将其中的液态水加热成蒸汽。而这些蒸汽又会驱动安放在塔内的涡轮发电机,从而产生出源源不断的电流。

 

 

四、菲涅尔透镜聚光系统


利用菲涅尔透镜聚光的原理,将大面积的太阳光浓缩汇聚在面积较小的电池上,从而大大节约电池片的使用量,这个系统的关键在电池片散热问题。美国波音的子公司——Spectrolab开发的人造卫星用太阳能电池单元(GaAs化合物半导体)上,组装了聚光倍率1600倍的透镜。由于聚光倍率较高,因此不散热时电池单元的温度最高可达到约1650℃,通过采用该公司自主开发的散热技术“COOLMOVE”,解决了发热问题。 而菲涅尔透镜通常由压克力塑料制造而成,体积轻便,价格低廉,能够较好的提高发点效率和降低整个系统的成本,目前很多国际上大公司如美国A
monix 和Emcore公司都采用这种系统。

系统特性:5KW
电池:SPECTROLAB , 5.5mm *5.5mm;
电池基材:陶瓷  
聚光器:PMMA 材料菲涅尔透镜阵列;

 

美国Amonix公司为亚利桑那州公共服务部门(APS)建立的高倍聚光太阳能发电系统。


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