分類號(hào) 密級(jí) 編號(hào) 中國(guó)科學(xué)院研究生院 碩士學(xué)位論文 非跟蹤聚光反射器的優(yōu)化設(shè)計(jì)程序及模擬實(shí)驗(yàn)研究 劉靈芝指導(dǎo)教師 李戩洪 研究員 申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別 碩士 學(xué)科專業(yè)名稱 熱能工程 論文提交日期 2006 年 5 月 論文答辯日期 2006 年 6 月 培養(yǎng)單位 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所 學(xué)位授予單位 中國(guó)科學(xué)院研究生院 答辯委員會(huì)主席 朱冬生 教授 of 006 摘要 摘 要 本研究首先介紹了目前太陽(yáng)能熱發(fā)電領(lǐng)域的幾種常見的系統(tǒng)，對(duì)其中一種以真空管集熱器為基礎(chǔ)的低溫蒸汽發(fā)電方式的關(guān)鍵技術(shù)非跟蹤聚光反射器進(jìn)行了詳細(xì)的分析研究。以太陽(yáng)能集熱器效率公式和能量平衡公式為理論基礎(chǔ)，用+ 軟件編寫了優(yōu)化設(shè)計(jì)程序聚光反射器模擬程序。程序針對(duì)圓管形接收器編寫，反射器形狀可以根據(jù)設(shè)計(jì)自由加載。程序可以通過(guò)模擬計(jì)算比較對(duì)加載的反射器形狀進(jìn)行優(yōu)化，得到一定形狀反射器的最佳組合形式。 在程序調(diào)試完善之后，加載了五種自己設(shè)計(jì)的反射器形狀： V 形、梯形、圓弧形、拋物形和漸開線形，分別進(jìn)行了優(yōu)化模擬計(jì)算，得到了各自的最佳組合形式。對(duì)各形狀反射器的最佳組合形式的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了對(duì)比研究，證明了其中四種反射器的實(shí)際可行性。 在理論研究的基礎(chǔ)上還進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，我們加工了通過(guò)模擬優(yōu)化計(jì)算得出的四種實(shí)際可行的反射器。選擇了 5 月的一個(gè)晴天對(duì)置于四種反射器及無(wú)聚光的真空管進(jìn)行了空曬溫度測(cè)試。并且把空曬溫度及其變化趨勢(shì)與在當(dāng)天太陽(yáng)輻射條件的模擬結(jié)果進(jìn)行了比較。分析顯示聚光反射器模擬程序編寫是成功的，新設(shè)計(jì)的幾種非跟蹤聚光反射器效果都頗為理想，完全可能用于低溫蒸汽發(fā)電。 關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能熱發(fā)電；低溫發(fā)電；聚光反射器；優(yōu)化設(shè)計(jì)；空曬溫度 I 摘要 he of no is on + to a is be by of on of by it is of In is of of It is is be 錄 目 錄 摘 要. . I . 一章 引言 .究的背景和意義 . 研究的目的和意義 . 國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)向 .究現(xiàn)狀和待解決的問(wèn)題 .究的內(nèi)容和目的 .二章 各種太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng) .溫太陽(yáng)能熱發(fā)電 .溫太陽(yáng)能熱發(fā)電 .溫太陽(yáng)熱發(fā)電 . 太陽(yáng)池發(fā)電 . 太陽(yáng)能煙囪發(fā)電 . 利用真空管集熱器的低溫發(fā)電技術(shù) .三章 聚光反射器的程序設(shè)計(jì) .序編寫理論基礎(chǔ) .序調(diào)試序部分 . 聚光原理 . 程序的光學(xué)原理 . 程序成型 .序改進(jìn)和完善 . 設(shè)計(jì)模型介紹 .序界面和操作 . 設(shè)置界面 . 子程序界面 .結(jié) .四章 聚光反射器的優(yōu)化設(shè)計(jì) .數(shù)設(shè)定 .化設(shè)計(jì) . . 梯形聚光反射器的優(yōu)化 . 圓弧形反射器的優(yōu)化 . 拋物形反射器的優(yōu)化 . 漸開線形反射器的模擬計(jì)算 . 各種形狀最佳組合對(duì)比 .西方向擺放各反射器參數(shù)的優(yōu)化 .五章 實(shí)驗(yàn)部分 .驗(yàn)材料 . 真空管集熱器 . 反射材料的選擇 .錄 驗(yàn)設(shè)備的加工 .驗(yàn) . 設(shè)備的安裝 . 實(shí)驗(yàn)測(cè)量 . 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 .驗(yàn)結(jié)果與模擬計(jì)算對(duì)比分析 .006 年 5 月 14 日東西方向擺放的模擬計(jì)算 .六章 總結(jié) .考文獻(xiàn) .號(hào)說(shuō)明 .表文章目錄 . 謝 .V 第一章 引言 第一章 引言 究的背景和意義 究的目的和意義 隨著人類文明的迅速發(fā)展，能源的消耗急劇增加，人類將面對(duì)越來(lái)越嚴(yán)峻的能源危機(jī)。能源是發(fā)展工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國(guó)防和科技的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。能源也與國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展息息相關(guān)，能源的匱乏將會(huì)嚴(yán)重阻礙經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，影響社會(huì)的和諧發(fā)展，甚至引起社會(huì)動(dòng)蕩。 人口、能源與環(huán)境的和諧發(fā)展，是全人類共同的美好追求。尋求經(jīng)濟(jì)、能源和環(huán)境（ 謂 3E）的相互協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略，已經(jīng)成為全世界人民的共識(shí)1。 隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、社會(huì)的進(jìn)步，能源的消費(fèi)越來(lái)越高，人們對(duì)能源提出的要求也越來(lái)越高。現(xiàn)在發(fā)電主要有三種形式：火力發(fā)電、水力發(fā)電和核能發(fā)電?；鹆Πl(fā)電需要燃燒煤、石油等化石燃料2。一方面化石燃料蘊(yùn)藏量有限、越燒越少，正面臨著枯竭的危險(xiǎn)。據(jù)估計(jì)，全世界石油資源再有 30 年便將枯竭。另一方面燃料燃燒將排放此會(huì)導(dǎo)致溫室效應(yīng)和酸雨，惡化地球環(huán)境。國(guó)際能源總署估計(jì)到 2010 年，991 年的 128%。目前常規(guī)能源的使用排放的室效應(yīng)”，使全球變暖?？茖W(xué)家們估計(jì)，由于使用常規(guī)能源，產(chǎn)生的大氣變化可能使全球平均溫度上升導(dǎo)致冰川溶化，海面上升，使沿海地區(qū)變成海洋；由于氣候的改變還將破壞農(nóng)業(yè)，使防洪能力失去控制，許多動(dòng)植物也將無(wú)法生存3。水力發(fā)電要淹沒(méi)大量土地，有可能導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的破壞。另外，一個(gè)國(guó)家的水力資源是有限的，而且還要受到季節(jié)的影響。核能發(fā)電在正常情況下固然是干凈的，但萬(wàn)一發(fā)生核泄露，后果同樣是很可怕的。前蘇聯(lián)切爾諾貝利核電站事故，已使 900 萬(wàn)人受到不同程度的損害，而且現(xiàn)在仍有影響。 這些都迫使人們?nèi)ふ倚履茉础Ｐ履茉匆瑫r(shí)符合兩個(gè)條件：一是蘊(yùn)藏豐富不會(huì)枯竭；二是安全、干凈，不會(huì)威脅人類和破壞環(huán)境。太陽(yáng)能被認(rèn)為是最理想的新能源。 1 非跟蹤聚光反射器的優(yōu)化設(shè)計(jì)程序及模擬實(shí)驗(yàn)研究 06千焦耳/ 平方米年之間，全國(guó)2/3以上地區(qū)年日照時(shí)數(shù)大于2000小時(shí)，日照在5106上，04億噸標(biāo)準(zhǔn)煤，約等于上萬(wàn)個(gè)三峽工程發(fā)電量的總和4。如果能有效利用這樣豐富的太陽(yáng)能，對(duì)于緩解中國(guó)的能源問(wèn)題、減少向大氣中排放的護(hù)生態(tài)環(huán)境、保證經(jīng)濟(jì)發(fā)展過(guò)程中能源的持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)等都將具有重大而深遠(yuǎn)的意義。尤其是未來(lái)前景廣闊的陽(yáng)光經(jīng)濟(jì)，將引發(fā)太陽(yáng)能利用技術(shù)的全面發(fā)展，催生陽(yáng)光時(shí)代的到來(lái)。 利用太陽(yáng)能熱力發(fā)電技術(shù)， 可從浩瀚無(wú)垠的太陽(yáng)熱能中索取應(yīng)有盡有的電力資源， 對(duì)實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)與自然的可持續(xù)發(fā)展有著重要的作用， 它所形成的產(chǎn)業(yè)必將成為世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新的增長(zhǎng)點(diǎn)， 并將逐步成為當(dāng)代新興的能源產(chǎn)業(yè)， 對(duì)世界能源、電力產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的重組和調(diào)整產(chǎn)生巨大影響。加快太陽(yáng)能熱力發(fā)電的科技研究和技術(shù)開發(fā)， 不僅是積極調(diào)整國(guó)家電力產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、減輕環(huán)境壓力、增強(qiáng)經(jīng)濟(jì)與社會(huì)可持續(xù)發(fā)展能力的迫切需要， 也是一個(gè)國(guó)家綜合國(guó)力和科技發(fā)展水平的有力顯示。 太陽(yáng)熱力發(fā)電作為一種綠色環(huán)保的可大規(guī)模集中發(fā)電方式具有極大吸引力， 在上世紀(jì)中后期很有可能占據(jù)重要位置。應(yīng)不失時(shí)機(jī)地開展這一新型發(fā)電技術(shù)的基礎(chǔ)性研究， 把它作為電力工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的技術(shù)儲(chǔ)備， 并逐步實(shí)現(xiàn)其規(guī)模應(yīng)用和設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化。 根據(jù)國(guó)家有關(guān)部門的最新統(tǒng)計(jì)數(shù)字，700萬(wàn)個(gè)家庭、 2300萬(wàn)人口沒(méi)有用上電。這些無(wú)電人口大都分布在我國(guó)西部邊遠(yuǎn)地區(qū)和一些海島，這些村落和農(nóng)戶在今后相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)期很難靠電網(wǎng)獲得電力供應(yīng)。而這些無(wú)電地區(qū)大都擁有很豐富的太陽(yáng)能資源，太陽(yáng)能發(fā)電在這樣的地區(qū)有廣闊的市場(chǎng)前景。采用太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)解決邊遠(yuǎn)地區(qū)分散供電比延伸電網(wǎng)或柴油發(fā)電有明顯的優(yōu)勢(shì)。 有關(guān)方面預(yù)測(cè)，到2010年，太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)將繼續(xù)在解決我國(guó)大約700萬(wàn)邊遠(yuǎn)無(wú)電戶的項(xiàng)目中發(fā)揮主要作用，同時(shí)為我國(guó)能源供應(yīng)的戰(zhàn)略安全和減小環(huán)境污染做出貢獻(xiàn)。 我國(guó)發(fā)展太陽(yáng)熱發(fā)電技術(shù)具有十分重要的戰(zhàn)略意義，因?yàn)椋?（1）為適應(yīng)經(jīng)濟(jì)全球化趨勢(shì)，發(fā)展適合我國(guó)國(guó)情的太陽(yáng)熱發(fā)電技術(shù)是必要的。2 第一章 引言 太陽(yáng)熱發(fā)電、光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電等可再生新能源技術(shù)并重、協(xié)調(diào)發(fā)展，是客觀需要。 （2）從國(guó)際太陽(yáng)能利用技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，太陽(yáng)熱發(fā)電技術(shù)是可再生能源技術(shù)的一個(gè)新的熱點(diǎn)，我們應(yīng)該不失時(shí)機(jī)地研發(fā)適合我國(guó)國(guó)情的太陽(yáng)能熱電系統(tǒng)。 （3）發(fā)展太陽(yáng)熱發(fā)電將帶來(lái)顯著的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境效益；將減少溫室氣體排放，增加高技術(shù)的產(chǎn)業(yè)鏈，成為新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，順應(yīng)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展及環(huán)境生態(tài)保護(hù)的大趨勢(shì)。 （ 4）我國(guó)目前尚未建設(shè)一座太陽(yáng)熱電站，人 們對(duì)環(huán)境問(wèn)題的關(guān)注和能源消耗的增加，使得太陽(yáng)熱發(fā)電迎來(lái)了新的商機(jī)。 本文根據(jù)一般蒸汽發(fā)電的原理結(jié)合太 陽(yáng)能的利用，分析了中低溫太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，重點(diǎn)對(duì)關(guān)鍵的太陽(yáng)能聚光反射器進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究，以此提高集熱器的集熱溫度達(dá)到設(shè)想的要求，為中低溫?zé)岚l(fā)電打下了基礎(chǔ)。 內(nèi)外研究動(dòng)向 太陽(yáng)能熱發(fā)電在國(guó)外以美國(guó)、澳大利亞、德國(guó)、以色列等國(guó)家比較先進(jìn)。由國(guó)際能源署（ 織和以美國(guó)、俄國(guó)、德國(guó)、 以色列、澳大利亞、瑞士、西班牙七國(guó)作為執(zhí)行委員會(huì)的太陽(yáng)能熱動(dòng)力和化學(xué)能系統(tǒng) 劃，頭號(hào)任務(wù)就是集中力量發(fā)展太陽(yáng)能熱電系統(tǒng)。早在 1950 年，前蘇聯(lián)設(shè)計(jì)了世界上第一座太陽(yáng)能塔式電站，建造了一個(gè)小型試驗(yàn)裝置。70 年代，太陽(yáng)電池價(jià)格昂貴，效率較低，相對(duì)而言，太陽(yáng)熱發(fā)電效率較高，技術(shù)比較成熟，因此當(dāng)時(shí)許多工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都將太陽(yáng)熱發(fā)電作為重點(diǎn)，投資興建了一批試驗(yàn)性太陽(yáng)能熱發(fā)電站。 80 年代以來(lái)，美、意、俄、澳等國(guó)相繼建立起不同形式的示范裝置，有力促進(jìn)了熱發(fā)電技術(shù)的發(fā)展。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，從 19811991 年，全世界建造的太陽(yáng)能熱發(fā)電站（500上）約有 20 余座，發(fā)電功率最大達(dá) 80。目前美國(guó)、日本、西班牙等國(guó)都在深入開展太陽(yáng)熱發(fā)電的研究與開發(fā)，并希望通過(guò)太陽(yáng)熱發(fā)電從沙漠獲得取之不盡的綠色電力。太陽(yáng)熱發(fā)電技術(shù)也逐步進(jìn)入了實(shí)用期。如美國(guó)，容量 354 槽型太陽(yáng)熱發(fā)電廠）已投入商業(yè)運(yùn)行；西班牙， 30 999 年完成最終實(shí)驗(yàn)等。 3 非跟蹤聚光反射器的優(yōu)化設(shè)計(jì)程序及模擬實(shí)驗(yàn)研究 我國(guó)在太陽(yáng)能熱發(fā)電領(lǐng)域受經(jīng)費(fèi)和技術(shù)條件的限制，開展的工作比較少。我國(guó)開發(fā)太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)始于上個(gè)世紀(jì) 70 年代末，開展了應(yīng)用性基礎(chǔ)試驗(yàn)研究，在“ 六五” 期間建立了一套功率為太陽(yáng)能塔式熱發(fā)電模擬裝置和一套功率為天津、上海、北京分別建造了一些熱發(fā)電模擬試驗(yàn)裝置及單元性試驗(yàn)研究，但由于工藝、材料、部件及相關(guān)技術(shù)未得到根本解決以及經(jīng)費(fèi)不足，項(xiàng)目先后停止和下馬。 20 世紀(jì) 70 年代末，湘潭電機(jī)廠和美國(guó)合作，建成了國(guó)內(nèi)首座碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電實(shí)驗(yàn)裝置。中國(guó)科學(xué)院電工研究所，曾在 20世紀(jì) 70 年代末期進(jìn)行了太陽(yáng)能熱發(fā)電方面的應(yīng)用基礎(chǔ)研究工作，包括太陽(yáng)能集熱器、太陽(yáng)輻射的吸 收涂層以及斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)等。 “八五”期間，北京市太陽(yáng)能研究所與中國(guó)科學(xué)院電工研究所 承擔(dān)了太陽(yáng)能熱發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目，中國(guó)科學(xué)院電工研究所研制了槽式線聚焦裝置，對(duì)槽式拋物面集熱系統(tǒng)進(jìn)行了研究，取得了可喜的成果。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院電工研究所在非成像的化傳熱方面做了深入的研究工作3。這些都為我國(guó)太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)的研發(fā)打下了良好的基礎(chǔ)，但目前還沒(méi)有試驗(yàn)樣機(jī)，與國(guó)外差距很大。 世界現(xiàn)有的太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)研究應(yīng)用得最多的大致有三類：槽式線聚焦系統(tǒng)、碟式系統(tǒng)和塔式系統(tǒng)。其中塔式系統(tǒng)具有規(guī)模大、熱損耗小、聚光比和溫度較高等特點(diǎn)，世界上先后建成的各有特色的塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電試驗(yàn)電站，經(jīng)過(guò)幾年的實(shí)驗(yàn)運(yùn)行，已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。但是由于這種電站屬高聚焦高溫發(fā)電系統(tǒng)，對(duì)設(shè)備的要求特別高，所以其建設(shè)費(fèi)用十分昂貴：美國(guó)太陽(yáng) 1 號(hào)（ 10式電站的投資高達(dá) 美元，即 美元/其中定日鏡場(chǎng)占 50%以上。 相對(duì)中高溫太陽(yáng)能熱發(fā)電而言，也有低溫太陽(yáng)能熱發(fā)電的方式。低溫太陽(yáng)熱發(fā)電，利用太陽(yáng)能集熱器，獲取 90180左右的熱量，然后通 過(guò)介質(zhì)（水、氟利昂、異丁烷等）產(chǎn)生蒸汽，利用蒸汽推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。太陽(yáng)池蓄熱發(fā)電也屬于低溫太陽(yáng)熱發(fā)電。在太陽(yáng)能低溫發(fā)電計(jì)劃中，以色列在死海沿岸先后建造了三座太陽(yáng)池發(fā)電站，第一座功率為 150 1979 年投入運(yùn)行。以色列曾計(jì)劃圍繞死海建造一系列太陽(yáng)池電站，以提供以色列全國(guó)三分之一用電需要。美國(guó)也曾計(jì)劃將加州南部薩爾頓海的一部分變?yōu)樘?yáng)池，建造 80600 萬(wàn) 陽(yáng)池4 第一章 引言 電站。后來(lái)，以色列和美國(guó)太陽(yáng)池發(fā)電計(jì)劃均作了改變。 究現(xiàn)狀和待解決的問(wèn)題 由于太陽(yáng)能熱發(fā)電在技術(shù)上的復(fù)雜性，太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)還很少有投入正式的商用的，大部分還處于實(shí)驗(yàn)階段。太陽(yáng)能電站昂貴的初投資大大提高了它的發(fā)電成本，與常規(guī)能源發(fā)電站相比它的發(fā)電成本還是高很多，要趕上常規(guī)能源發(fā)電還有很多工作需要做。這些因素使得太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)距離大規(guī)模的商業(yè)營(yíng)運(yùn)還有很大的距離。如何降低太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的造價(jià)、降低發(fā)電成本，使之更加廣泛的走向?qū)嶋H應(yīng)用是當(dāng)今太陽(yáng)能利用領(lǐng)域的主要研究課題。 對(duì)于利用太陽(yáng)能作為熱源的太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)要推廣應(yīng)用仍存在很多問(wèn)題，目前需要重點(diǎn)解決的關(guān)鍵問(wèn)題包括： 1) 低價(jià)高性能太陽(yáng)能集熱器的生產(chǎn)，太陽(yáng)能集熱器為整個(gè)太陽(yáng)能利用系統(tǒng)提供熱源，也是決定系統(tǒng)整體性能和造價(jià)的部分，如何在提高太陽(yáng)能集熱器性能（集熱溫度、集熱效率）的前提下，降低太陽(yáng)能集熱器的造價(jià)，對(duì)于太陽(yáng)能系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用至關(guān)重要； 2) 研究出高效價(jià)廉的聚光反射裝置，更好地收集太陽(yáng)能； 3) 研制反射比更高而價(jià)格低廉性能良好的太陽(yáng)能反射材料； 4) 根據(jù)太陽(yáng)能本身的特點(diǎn)，輔助系統(tǒng)和儲(chǔ)能裝置 在太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中是必不可少的，如何使輔助系統(tǒng)更匹配、儲(chǔ)能裝 置更合理，也是迫切需要解決的問(wèn)題； 5) 自動(dòng)控制系統(tǒng)的改進(jìn)提高，自動(dòng)控制系統(tǒng)是太 陽(yáng)能利用系統(tǒng)的大腦，合理的控制系統(tǒng)不僅可以使系統(tǒng)最大限度的利用 太陽(yáng)能，而且保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性。 究的內(nèi)容和目的 本課題非跟蹤聚光反射器的優(yōu)化設(shè)計(jì)程序及模擬實(shí)驗(yàn)研究是在綜合討論各種形式的太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上針對(duì) 目前高溫太陽(yáng)能熱發(fā)電復(fù)雜的跟蹤聚光裝置、昂貴的建設(shè)費(fèi)等問(wèn)題，著重研究中低溫太陽(yáng)能熱發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)中低溫蒸汽發(fā)生器。以真空管集熱器為集熱載體，通過(guò)編寫非跟蹤聚光反射器程序來(lái)優(yōu)化選擇反射器形狀。在程序模版調(diào)試改進(jìn)和完善之后加載了幾個(gè)自己設(shè)5 非跟蹤聚光反射器的優(yōu)化設(shè)計(jì)程序及模擬實(shí)驗(yàn)研究 計(jì)的小聚光形狀的反射器，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出各種形狀聚光反射器的最佳參數(shù)，并且對(duì)各種形狀的最佳組合形式進(jìn)行對(duì)比性分析研究，通過(guò)比較它們的能量聚光比、能量效率和耗材設(shè)計(jì)出最佳的聚光反射器配比，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 6 第二章 各種太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng) 第二章 各種太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng) 太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能有兩種基本途徑：一種是通過(guò)光電器件將太陽(yáng)光直接轉(zhuǎn)換為電能，即“太陽(yáng)光發(fā)電”。太陽(yáng)輻射的光子帶有能量，當(dāng)光子照射半導(dǎo)體材料時(shí)，光能便轉(zhuǎn)換為電能，這個(gè)現(xiàn)象叫“光生伏特效應(yīng)”。太陽(yáng)電池就是利用光生伏特效應(yīng)制成的一種光電器件。 另外一是先把太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換為熱能，即“太陽(yáng)熱發(fā)電，太陽(yáng)能熱發(fā)電是利用集熱器將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換成熱能并通過(guò)熱力循環(huán)過(guò)程進(jìn)行發(fā)電。 太陽(yáng)能熱發(fā)電是太陽(yáng)能熱利用的重要方面。1950 年，原蘇聯(lián)設(shè)計(jì)了世界上第一座太陽(yáng)能塔式電站， 建造了一個(gè)小型試驗(yàn)裝置。 上世紀(jì) 70 年代，太陽(yáng)電池價(jià)格昂貴，效率較低，相對(duì)而言，太陽(yáng)熱發(fā)電效率較高，技術(shù)比較成熟，因此當(dāng)時(shí)許多工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家都將太陽(yáng)熱發(fā)電作為重點(diǎn)，投資興建了一批試驗(yàn)性太陽(yáng)能熱發(fā)電站。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，從 1981 1991 年，全世界建造的太陽(yáng)能熱發(fā)電站（500上）約有 20 余座，發(fā)電功率最大達(dá) 80美國(guó)和歐洲的熱發(fā)電現(xiàn)狀和計(jì)劃看出，這些工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家正處在太陽(yáng)能熱發(fā)電商業(yè)化前夕，政府和工業(yè)界聯(lián)合積極推動(dòng)商業(yè)化進(jìn)程，預(yù)計(jì) 2020 年前，太陽(yáng)能熱發(fā)電將在發(fā)達(dá)國(guó)家實(shí)現(xiàn)商業(yè)化，并逐步向發(fā)展中國(guó)家擴(kuò)展6。 世界上現(xiàn)有的太陽(yáng)能熱發(fā)電方式主要有三種：槽形拋物面太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)、碟式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)和塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)。除此之外還有太陽(yáng)能煙囪發(fā)電和太陽(yáng)池發(fā)電方式都屬于太陽(yáng)能熱發(fā)電方式。以工作溫度范圍劃分，也可以分為高溫、中溫和低溫太陽(yáng)能熱發(fā)電。 溫太陽(yáng)能熱發(fā)電 太陽(yáng)能熱發(fā)電中的高溫發(fā)電系統(tǒng)主要是中央塔式和碟式發(fā)電系統(tǒng)，它們的集熱溫度可以達(dá)到好幾百度，甚至上千度，一般效率比較高，不過(guò)系統(tǒng)比較復(fù)雜。塔式系統(tǒng)具有規(guī)模大、熱損耗小、聚光比和溫度較高等特點(diǎn)，世界上先后建成的各有特色的塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電試驗(yàn)電站，經(jīng)過(guò)幾年的試驗(yàn)運(yùn)行，已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。 美國(guó)太陽(yáng)號(hào)電站是目前世界上較為典型的塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站。該電站由7 非跟蹤聚光反射器的優(yōu)化設(shè)計(jì)程序及模擬實(shí)驗(yàn)研究 美國(guó)能源部和南加州數(shù)家公司組建，由司承建，位于加州南部漠地區(qū)附近，采用外圓柱形吸收器，運(yùn)行時(shí)間為1982年4月12日至1988年9月27日。把水轉(zhuǎn)換為516溫度、102力的過(guò)熱蒸汽7。過(guò)熱蒸汽既可直接用于驅(qū)動(dòng)透平- 發(fā)電機(jī)，也可用于加熱高密度油、石、砂床8，以貯存熱能，供夜晚、多云、停運(yùn)預(yù)熱和早晨起動(dòng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生蒸汽。但這種貯能方法不能產(chǎn)生足夠品質(zhì)的蒸汽，以便全效率驅(qū)動(dòng)傳統(tǒng)透平- 發(fā)電機(jī)910，只能貯存3太陽(yáng)2號(hào)是美國(guó)太陽(yáng)能熱電計(jì)劃中最令人矚目的項(xiàng)目之一，是推進(jìn)塔式太陽(yáng)能熱電系統(tǒng)商業(yè)化進(jìn)程的先導(dǎo)性工程20。太陽(yáng) 2號(hào)電站位于南加州漠地區(qū)，設(shè)計(jì)容量10為目前世界上最大的新型、商用、熔鹽、塔式太陽(yáng)能電站，1996年4月在美國(guó)能源部的支持下開始并網(wǎng)發(fā)電，并從6月份起進(jìn)入長(zhǎng)年試驗(yàn)與評(píng)估階段10。 溫太陽(yáng)能熱發(fā)電 槽形拋物面太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)太陽(yáng)能中溫發(fā)電的典型代表。槽形拋物鏡集熱器是一種線聚焦集熱器，它的聚光倍數(shù)只有幾十，且吸收器散熱面積較大，集熱器所能達(dá)到的介質(zhì)工作溫度一般不超過(guò)38011。槽式太陽(yáng)能電站的主要部件是集熱器、循環(huán)泵、透平- 發(fā)電系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)及控制設(shè)備。槽形拋物鏡集熱器的優(yōu)點(diǎn)：跟蹤難度較低，跟蹤控制代價(jià)較小。由于吸收器為管狀，使得工作介質(zhì)加熱流動(dòng)的同時(shí)也是能量集中的過(guò)程，因此它的總體代價(jià)相對(duì)較小，經(jīng)濟(jì)效益相對(duì)較高12。 美國(guó)和以色列聯(lián)合組成的路茲太陽(yáng)能熱發(fā)電國(guó)際有限公司，自1980年開始進(jìn)行太陽(yáng)熱發(fā)電技術(shù)研究，主要開發(fā)槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)，5年后奇跡般地進(jìn)入商業(yè)化階段。該公司從1985年至1991年在美國(guó)加州沙漠建成9座槽式太陽(yáng)能熱電站，電站的投資由1號(hào)電站的5976美元降到8 號(hào)電站的3011美元分 槽形集熱器有很多優(yōu)點(diǎn)，但它也存在一個(gè)大的問(wèn)題：兩種狀態(tài)流分層的區(qū)域在吸收器的邊界有熱梯度且吸收器有彎曲變形現(xiàn)象，有人提出用金屬壁吸收器代替一般的鋼體吸收器可以很好的解決這個(gè)問(wèn)題13。此外，金屬壁吸收器還能一定程度上解決低速流的分層現(xiàn)象。 8 第二章 各種太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng) 現(xiàn)在對(duì)槽式集熱器發(fā)電系統(tǒng)主要趨向于直接蒸汽發(fā)電法（文獻(xiàn) 14提出了一套直接蒸汽發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)采用拋物型槽式太陽(yáng)能集熱器，用復(fù)合油作熱傳導(dǎo)流體，發(fā)電系統(tǒng)采用朗肯循環(huán)。文章對(duì)用合成油（現(xiàn)在的站）和水（將來(lái)的計(jì)劃）做工作流體的效率進(jìn)行了分析，還提出了槽式集熱器的效率計(jì)算公式，并估算了在不同的輻射強(qiáng)度和不同的管徑下蒸汽直接產(chǎn)電系統(tǒng)的效率。文中還對(duì)蒸汽直接產(chǎn)電系統(tǒng)集熱器中的液態(tài)、蒸發(fā)沸騰和干蒸汽區(qū)的不同狀態(tài)做了單獨(dú)分析。 1996年到1998年在成了一座新型的太陽(yáng)熱電站。該電站用于研究在太陽(yáng)場(chǎng)中集熱器中用水作傳熱介質(zhì)的直接蒸汽發(fā)電系統(tǒng)。從1999年起，為了尋求比較理想的操作模式，電站用了不同的操作方案和結(jié)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試評(píng)估15。文獻(xiàn)15 和文獻(xiàn)16 都很好的論證了且還說(shuō)明了不同模式的各自的優(yōu)缺點(diǎn)。 還有學(xué)者提出一種適合太陽(yáng)能槽形拋物型集熱器的再熱再生朗肯循環(huán)系統(tǒng)17。電站系統(tǒng)中用槽形拋物型集熱器提供熱能，用水/ 蒸汽作為工作流體。由于沸騰壓力不同，從再生朗肯循環(huán)的透平中放出的蒸汽的冷凝壓力可能是濕飽和、干飽和或是過(guò)熱狀態(tài)。為了擴(kuò)展加熱溫度的范圍，且提高循環(huán)效率，而且需要再熱模型，因此，用到了一個(gè)再熱再生朗肯循環(huán)作為動(dòng)力循環(huán)。動(dòng)力循環(huán)中過(guò)程熱溫度可通過(guò)改變沸騰壓力/ 溫度來(lái)改變。分析表明再熱再生裝置適合中溫太陽(yáng)能熱電站。存在一個(gè)沸騰室內(nèi)的最佳飽和溫度或流體進(jìn)入太陽(yáng)能場(chǎng)的最佳進(jìn)口溫度。當(dāng)達(dá)到這一溫度時(shí)，再熱再生循環(huán)和太陽(yáng)能集熱器聯(lián)合系統(tǒng)的熱效率和功率同時(shí)到達(dá)最大值。文中還提到用太陽(yáng)能半自動(dòng)再生朗肯電站系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的再生朗肯的電站，并且用一個(gè)改良的再生再熱朗肯電站循環(huán)作為低溫太陽(yáng)能和其他低溫?zé)嵩吹闹饕獰嵩础?溫太陽(yáng)熱發(fā)電 低溫太陽(yáng)熱發(fā)電，通常利用集熱器獲取 90185的熱能，然后通過(guò)低沸點(diǎn)工質(zhì)（氟利昂、異丁烷等）產(chǎn)生蒸汽或直接利用水產(chǎn)生水蒸汽，利用這種蒸汽推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。還有利用太陽(yáng)池蓄熱發(fā)電和利用太陽(yáng)能煙囪集熱發(fā)電的，也屬于低溫太陽(yáng)熱發(fā)電。 9 非跟蹤聚光反射器的優(yōu)化設(shè)計(jì)程序及模擬實(shí)驗(yàn)研究 陽(yáng)池發(fā)電 太陽(yáng)池發(fā)電就是將天然鹽水湖建成太陽(yáng)池，相當(dāng)于一個(gè)巨大的平板太陽(yáng)集熱器。利用它吸收太陽(yáng)能，加熱池水，性能良好的太陽(yáng)池中水能達(dá)到 90左右，再通過(guò)熱交換器加熱低沸點(diǎn)工質(zhì)產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽，驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。 1958 年，在泰勃(的領(lǐng)導(dǎo)下，以色列利用舊的曬鹽池建成了最早的人工太陽(yáng)池，池水主要是氯化鎂(液，經(jīng)測(cè)試池水能達(dá)到的最高溫度為 9618。 1975 年，以色列在死海邊上的造了世界上第一座太陽(yáng)池發(fā)電站，池水的發(fā)電溫度在 90左右，發(fā)電功率為 150座電站的建成，預(yù)示了太陽(yáng)池作為季節(jié)性儲(chǔ)能的可行性和經(jīng)濟(jì)性。另外，以色列奧爾馬特汽輪機(jī)公司在美國(guó)加州東圣伯納第諾地區(qū)一個(gè)干涸湖泊上 建筑了世界上最大的太陽(yáng)池發(fā)電站，其總凈發(fā)電功率為 48 一組 12985 年投入運(yùn)行，整座電站于 1987 年 12 月投入運(yùn)行19。 陽(yáng)能煙囪發(fā)電 太陽(yáng)能煙囪發(fā)電系統(tǒng)由太陽(yáng)能集熱棚、太陽(yáng)能煙囪和渦輪機(jī)發(fā)電機(jī)組3 個(gè)基本部分所構(gòu)成。太陽(yáng)能集熱棚建在一塊太陽(yáng)輻照強(qiáng)、絕熱性能比較好的土地上；集熱棚和地面有一定間隙，可以讓周圍空氣進(jìn)入系統(tǒng)；集熱棚中間建煙囪，在煙囪底部裝有渦輪機(jī)。太陽(yáng)光照射集熱棚，集熱棚下面的土地吸收透過(guò)覆蓋層的太陽(yáng)輻射能，并加熱土地和集熱棚覆蓋層之間的空氣，使集熱棚內(nèi)空氣溫度升高，密度下降，并沿著煙囪上升，集熱棚周圍的冷空氣進(jìn)入系統(tǒng)，從而形成空氣循環(huán)流動(dòng)。由于集熱棚內(nèi)的空間足夠大，當(dāng)集熱棚內(nèi)的空氣流到達(dá)煙囪底部的時(shí)候，在煙囪內(nèi)將形成強(qiáng)大的氣流，利用這股強(qiáng)大的氣流推動(dòng)裝在煙囪底部的渦輪機(jī)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電20。 受德國(guó)研究與技術(shù)部資助，1982 年在西班牙馬德里南部150 的近的漠地區(qū)建立了第一座峰值發(fā)電功率為50太陽(yáng)能煙囪式實(shí)驗(yàn)性電站。電站主要由太陽(yáng)能煙囪、集熱棚和空氣渦輪機(jī)3大部分組成， 該實(shí)驗(yàn)電站的煙囪高195 m ， 直徑 10 m 。與煙囪相連的集熱棚直徑240 m ， 其邊緣處與地面間隙約2 m ， 中間處距地面8 m 21 。我國(guó)的華中科技大學(xué)受武漢市青年科技晨光計(jì)劃資助已經(jīng)開始從事這方面的研究， 目前正在籌備建造一座50 W 太陽(yáng)能煙囪式發(fā)電裝置， 擬對(duì)集熱棚和煙囪內(nèi)的傳熱和流10 第二章 各種太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng) 動(dòng)過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究 20 。上海交通大學(xué)教育部太陽(yáng)能發(fā)電及制冷工程研究中心的代彥軍等人22運(yùn)用一種簡(jiǎn)化分析方法對(duì)所構(gòu)建的概念太陽(yáng)能煙囪式電站的性能進(jìn)行了預(yù)測(cè)， 并針對(duì)寧夏地區(qū)氣候特點(diǎn)， 對(duì)其在銀川、平羅和賀蘭三個(gè)地區(qū)應(yīng)用的可行性做了分析。 用真空管集熱器的低溫發(fā)電技術(shù) 太陽(yáng)能低溫?zé)岚l(fā)電與地?zé)岚l(fā)電很類似，只是兩者的熱源不同，其發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)力循環(huán)部分基本相同。地?zé)岚l(fā)電主要利用地?zé)崽镏袩崮馨l(fā)電，地?zé)崽锓譃檎羝砗蜔崴铩Ｕ羝镆哉羝麨橹?，溫度較高，一般為160 以上，可將地?zé)崞锏恼羝苯右肫胀ㄆ啓C(jī)發(fā)電。地?zé)釤崴飫t以熱水為主，溫度較低，一般為50160 ，這就需要將地?zé)崴械臒崮苻D(zhuǎn)換成地?zé)嵴羝肫胀ㄆ啓C(jī)發(fā)電23。將熱水轉(zhuǎn)換成蒸汽有兩種不同的方法：擴(kuò)容法和中間介質(zhì)法。擴(kuò)容法是將地?zé)峋趤?lái)的中溫地?zé)崞旌衔铮人偷綌U(kuò)容器中進(jìn)行降壓擴(kuò)容( 又稱閃蒸) 使其產(chǎn)生部分蒸汽，再引到常規(guī)汽輪機(jī)做功發(fā)電。擴(kuò)容后的地?zé)崴毓嗟叵禄蜃髌渌矫嬗猛尽Ｖ虚g介質(zhì)法地?zé)崴l(fā)電又叫熱交換法地?zé)岚l(fā)電，這種發(fā)電方式不是直接利用地下熱水所產(chǎn)生的蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)做功，而是通過(guò)熱交換器利用地下熱水來(lái)加熱某種低沸點(diǎn)介質(zhì)，使之變?yōu)槠w去推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。 1979年3月起，廣州能源研究所在廣東豐順建成了一座300千瓦的擴(kuò)容法地?zé)犭娬尽Ｔ撾娬镜陌l(fā)電原理是利用當(dāng)?shù)?1的低下熱水，在閃蒸器（擴(kuò)容器）中降壓，產(chǎn)生一部分蒸汽，然后輸送進(jìn)入負(fù)壓汽輪機(jī)做功，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。1982年上半年開始了試生產(chǎn)運(yùn)行，通過(guò)近900小時(shí)的并網(wǎng)發(fā)電運(yùn)行，機(jī)組運(yùn)行正常、安全可靠，是目前我國(guó)正常運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的地?zé)岚l(fā)電站之一。 參照地?zé)岚l(fā)電的方法，我們可以設(shè)計(jì)不同的方案利用太陽(yáng)能發(fā)電。在太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中如果也能達(dá)到 100以上的溫度，在集熱器中水能加熱形成水蒸汽，利用產(chǎn)生的水蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電。另外如果集熱器中水的溫度不能達(dá)到水的沸點(diǎn)，這就需要先把熱水變成蒸汽才能達(dá)到發(fā)電的目的，我們可以借鑒以上以上提到的擴(kuò)容法和中間介質(zhì)法對(duì)太陽(yáng)能低溫發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。 文獻(xiàn)24 介紹了一個(gè)太陽(yáng)能熱電系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)由玻璃 液體凸透鏡、真空集熱器、自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)、蒸汽透平和發(fā)電機(jī)等部分組成。系統(tǒng)的工作流程如下：玻璃液體凸透鏡把水預(yù)熱后輸入真空集熱器。真