太阳能发电系统

在本节中，主要确立了几种太阳能发电系统包括小型(个人)和大型住宅发电，分类如图4.2所示，并从整体性能和部件性能两方面进行分析。一个典型的太阳能驱动的热机系统的住宅电力(和热)的产生由太阳能集中收集器驱动热机(例如，A郎肯循环)．热机在膨胀器上产生轴功，进而驱动发电机;此外，被丢弃的热量可能有一个有用的目的(例如，水加热)。这样的系统可以连接到电网，也可以以各种方式与能量存储独立工作，这将在本章的下一节中讨论。

尽管它们在概念上是相似的，但大型太阳系与小型太阳系的区别在于它们使用一个中心电厂．在大型系统中，收集器字段用于捕获太阳能，通过传热流体传递到标准发电厂。在小型系统中，每个单元都配备了一个低功率热机，通常放置在太阳能集中器的焦点处，靠近太阳能接收器。

图4.2太阳能发电系统类型。

小型系统主要采用抛物面碟式太阳能聚光集热器。顾名思义，太阳能聚光收集器的作用是将太阳辐射集中在一个小点上。这样做的目的是减少受热表面暴露在环境中，从而避免热量损失。聚光式太阳能集热器有两个主要部分，即太阳能聚光器和太阳能接收器。太阳能聚光器在一个面积为Aa的孔径下接收太阳辐射并聚焦入射辐射在一个小点上。太阳能接收器(或吸收体)放置在聚光器的焦点处，具有一个小的孔径面积Aab。聚光式太阳能集热器的特征参数是浓缩比C=Aa/Aab。

除了碟形集中器(抛物面)外，另一个确定的选择是由悬挂在框架结构上的平面或曲面镜组成的菲涅耳镜。每个镜子都指向太阳能接收器所在的一个焦点。为了跟踪太阳，整个组件围绕方位角和旋转天顶的角度．类似的选择是由菲涅耳透镜表示，它使用光折射现象来聚焦入射辐射。

在Jaffe和Poon(1981)和Jaffe(1989)的基础上，这里讨论了一些用于太阳能热发电系统的抛物面碟式聚光器的小规模设计:

OMNIUM-G浓缩器有一个直径6米的镶板碟，在IT=1 kW/m2的日照下，为兰金发动机提供7-12 kW的功率。

•试验台集中器有一个11米的镶板碟，在相同条件下为其热机提供76千瓦的功率。

•Lajet设计了一个由24个直径1.5米的碟形盘组成的浓缩器。在IT=1 kW/m2的日照下，该系统为布雷顿发动机提供了33 kW的功率。

•在相同的日照条件下，Advanco浓缩器使用直径10.6 m的镶板盘为斯特林发动机提供了74 kW的功率。

•同样，标准化到1kw /m2的日照，通用电气的抛物线碟式集中器1使用一个12米的面板碟为热机提供72.5 kW的功率。

•功率动力学有一个9米的方形镶板集中器，在0.88-0.94千瓦/平方米的日照下为锅炉提供28千瓦。

•Acurex抛物线碟集中器2使用了一个11米的镶板碟，即使在浓度比高达1300时，光学效率也为0.88。

•波音公司决定制造反射板，并使用试验台集中器对其进行测试。这些面板为0.6 x 0.7米，提供0.8的光学效率，最高可达3000的浓度比。

•相比之下，ENTECH菲涅耳聚光镜面板的尺寸为0.67x1.2 m，在1500的浓度比下只能提供0.68的光学效率。

目前，最大的单盘电力系统是澳大利亚的“Big Dish”，它可以产生50 kWe的电力，为直径为400平方米的500摄氏度的锅炉提供电力，最高效率可达29%。

尽管抛物面碟式集热器的历史与槽式集热器一样长，但为了利用它们的高效率，需要缩小成本和技术差距。通过创新设计，分析性能与成本的权衡，并引入直接蒸汽发电或有机朗肯循环等技术，可以缩小差距，使低成本、高效率、大规模和住宅应用成为可能。

的成本太阳能的菜太阳能聚光器的光学性能与发电机组的性能密切相关。碟形系统的性能因素会随着几何形状的变化而大大降低，因此，精度和刚度对它们的设计很重要。

根据Jaffe和Poon(1981)，我们可以得出，对于光学效率为0.90-0.93，浓度比为2000-5000，截距因子为0.98，使用寿命为30年，低成本的价格估计为200-350美元/m2。请注意，本章中所有的成本估算都是2008年的货币价值。

另一种估计是基于由overver&bedard(1981)描述的Acurex聚光器，光学效率为0.86，浓缩比为1900。这个330美元/平方米的估计数涉及到一个每年生产10万套的大型碟形系统的假设。

背面镀银玻璃是标准的镜子组件的设计，有大约94%的反射率。反射器可以是单层的，效率更高，价格也更贵，也可以分解成组件，成本更低，但效率更低。另一个有趣的选择是拉伸膜镜。制造拉伸膜反射镜涉及真空过程，以及非均匀加载。拉伸膜技术最初用于制造高效、低成本的定日镜。奇异元拉伸膜镜的光学效率为0.915。虽然拉伸膜反射镜的性能低于最好的玻璃金属反射镜，但拉伸膜反射镜的成本要低得多。拉伸膜镜通常是在平面上制作的，在平面上，几个较小的元素连接在一起，形成一个较大的元素。较小的元件通常以直径3-4米的尺寸生产，这是下面案例研究中提出的预计住宅太阳能电池板单元的大致尺寸(参见，例如，Alpert和Houser, 1988)。

碟形支撑可以是坚固的金属结构或桁架结构，其中可以包括用于额外支撑的拉索。所述接收器支撑可以是中心结构或扩展结构;然而，阴影和变形会影响支架的有效性。基础通常是一个用于方位角旋转的混凝土环。

使用了两种跟踪控制方法，第一种方法是传感器提供光学反馈以允许变量跟踪，第二种方法是系统预先编程以跟踪太阳。对于非被动跟踪，还有两种选择，其中极性跟踪允许在一天中进行单轴运动，并每天或每周调整第二个轴，方位跟踪允许恒定的两轴跟踪(见Jaffe, 1983a)。液压驱动跟踪系统更简单，而电驱动跟踪系统更便宜。

对于太阳能盘系统的低功率发电系统，使用有机流体(如甲苯)运行的兰金循环，也称为有机兰金循环(ORC)，被认为是最有效的。这一事实是由于有机流体的气体动力特性，适合于开发成本效益高的涡轮膨胀器。

蒸汽不能用于常规蒸汽轮机的低功率应用(MW以下)。要在低功率朗肯循环中使用蒸汽，必须考虑一种特殊的蒸汽膨胀器(例如，往复式或脉冲涡轮)。氨水是另一种值得考虑的工作流体。需要说明的是，如果在兰金循环中使用氨、氨水或有机流体，则可以使用涡旋式或螺杆式的低成本制冷压缩机作为膨胀机。这一特点增加了独立的低功率太阳能发电机的适销性。Zamfirecu和Dincer (2008a,b)开发了一个氨水兰金发生器的例子，它能够匹配源和汇的温度分布。由于氨-水溶液具有汽液相变时温度变化的特性，因此可以减小汇源温差，获得更好的能量和火用效率。

太阳能驱动的兰金循环系统与其他太阳能热能转换替代品竞争，它们各自都有明显的缺点和优点。Kongtragool和Wongwises(2003)的一篇综述表明，基于斯特林发动机的太阳能发电系统在非常高的压力下运行，约为200巴，温度在700-800摄氏度范围内，与氦或氢一起工作。这些气体很容易泄漏，这就带来了维护问题。此外，氢是高度易燃的，这带来了严重的安全问题;然而，斯特林系统非常紧凑，效率达到40%左右(发动机)。根据Kongtragool和Wongwises(2003)的报告，对于每天运行10小时的碟形斯特林系统，效率为22%。另一个被称为SAIC/STM SunDish的系统在23千瓦的功率下获得了26%的峰值效率。在太阳能应用中使用斯特林发动机的主要缺点之一是需要很长的预热时间，这与太阳能的波动性质的现实相矛盾。

露天布雷顿循环安装在碟形焦点上的发动机也用于某些应用(参见例如，Jaffe, 1983a)。它们在斯特林和兰金循环中比通常更高的接收器温度下有效运行，即超过1000摄氏度，布雷顿发动机可以获得超过26%的效率。在较低的温度下，系统效率下降到20%以下。

现代大型太阳能技术20世纪80年代，加州莫哈韦沙漠建成了9座发电量达354兆瓦的大型发电站。这些系统是基于抛物线槽收集器，被认为是最成熟的太阳能技术．这些工厂利用线性抛物面反射器，将太阳能集中在长度的管道上。在管道内，热量被收集并转移到蒸汽中，然后通过蒸汽朗肯循环。在夏季，槽式电站仅靠太阳能就可以每天运行10到12小时。

太阳能

膨胀式太阳能预热器热容器再热器储能(可选)

图4.3 30mw混合太阳能槽式电站示意图(根据Kearney and Miller, 1988年修改)。

太阳能

膨胀式太阳能预热器热容器再热器储能(可选)

图4.3 30mw混合太阳能槽式电站示意图(根据Kearney and Miller, 1988年修改)。

到目前为止，大多数大型太阳能发电厂都与太阳能电池混合使用化石燃料(气/煤)燃烧系统，保持功率流量相对恒定。太阳能发电厂技术的著名例子是，每单位接收面积的功率输出从120到175 (W/m2)，平均工作温度为360℃。Luz LS-3被认为是目前可用的最先进的槽技术。表4.1列出了几种系统的性能因素。

大型太阳能槽式发电厂的一个重要例子如图4.3所示，指的是Kearney和Miller(1988)中提到的30兆瓦的发电厂VI，它作为太阳能技术的基准，净效率为10.7%，资本成本为1.5亿美元。这种植物有25%的能量来自于天然气在太阳低辐射时期。相比之下，一个80兆瓦的集成太阳能联合循环系统，加上不断增加的化石燃料援助，成本为3850美元/千瓦，效率为13.5%。未来，随着技术的进步、规模经济的发展，以及通过增加蓄热容量、倾斜集热器和直接蒸汽发电，预计效率将提高30%，预计到2030年将降低30%/kW的成本。此外，运营和维护成本预计将下降25%。

第二个具有代表性的大型发电厂是基于太阳能塔技术。太阳能塔实际上是一个大尺寸的菲涅耳透镜组件，它将太阳辐射集中在一个中央接收器上，接收器位于一定高度的塔上。由于体积大，这些系统适用于在熔盐中储存太阳辐射(见Ortega et al.， 2008)。

表4.1太阳能集热器特性。

	Acurex	M.A.N.	路斯	路斯	路斯	路斯
收集器	3001	M480	LS-1	LS-2	LS-2	LS-3
一年	1981	1984	1984	1985	1988	1989
面积(平方米)	34	80	128	235	235	545
光圈(m)	1．8	2.4	2.5	5	5	5.7
长度(米)	20.	38	50	48	48	99
集热器直径(m)	0.051	0.058	0.042	0.07	0.07	0.07
浓度比	36:1	41:1	61:1	71:1	71:1	82:1
光学效率	0.77	0.77	0.734	0.737	0.764	0.8
接收机吸收率	0.96	0.96	0.94	0.94	0.99	0.96
镜反射率	0.93	0.93	0.94	0.94	0.94	0.94
接收机发射率	0.27	0.17	0.3	0.24	0.19	0.19
@Temperature, oC			300	300	350	350
工作温度，oC	295	307	307	349	390	390

资料来源:编译自Mackay和Probert (1998)， Winter et al.(1990)。

资料来源:编译自Mackay和Probert (1998)， Winter et al.(1990)。

Luzzi和Lovegrove(1997)认为，在所有的太阳能转换系统中，集中发电的太阳能盘场被认为是未来最可行的解决方案，并提供最高的效率。澳大利亚国立大学在太阳能碟式热机的开发上投入了大量精力。他们展示了一个28盘电场系统，峰值太阳能功率为2兆瓦，并辅以4兆瓦的燃气工厂。蒸汽在50兆帕和500摄氏度下，每个太阳能盘产生的等效功率为50千瓦，对应于950 W/m2的日照(见Kaneff, 1999)。

表4.2大型系统性能总结。

技术	抛物线槽+油	太阳能塔系统	太阳能盘田
平均净效率	14	13.8	19
比发电量(kWh/m2 - yr)	308	316.5	340
平均资本成本($/kWh -年)	2.39	4.22	2 - 4
操作及维修(c$/kWh)	4.96	6.05	4 - 6
均衡电价($/kWh，)	0.248 - -0.295	0.24 - -0.31	0.2 - -0.4

来源:编译自Ortega et al.(2008)和Lovegrove et al.(2007)。

来源:编译自Ortega et al.(2008)和Lovegrove et al.(2007)。

澳大利亚国立大学的Luzzi和Lovegrove(1996)提出了另一种选择，即使用氨作为能量转移和化学能量储存介质。在这种情况下，每个太阳能盘单元的接收器都有一个用于氨分解的化学反应器。该反应为吸热反应，反反应氨合成按NH3 + 66.5kJ/mol o 0.5N2 + 1.5H2为放热反应。

分解产物，氢和氮，在压力下储存在一个专门设计的容器中。为了发电，氢和氮在一个合成反应器中结合，并传递相关的生成热。提出了两种发电方案。一种是用反应热驱动典型的兰金循环。另一种方法是使用布雷顿循环，将产生的氨膨胀用于发电。另外还考虑了两种热化学储存方案:三氧化硫2SO3 + 196.4kJ/mol o 2SO2 + O2和硫酸氢铵NH4HSO4 + 132kJ/mol o NH3 + H2SO4

20兆瓦

图4.4大型太阳能系统的平均电力成本(LEC);根据Kaneff(1999)和Price(2003)的数据汇编而成。

太阳能发电机意味着非常低的维护成本。因此，发电的成本是基于投资成本、维护成本和系统的寿命。下式适用于均衡电价的计算

在表4.2中，我们对上述三种大型太阳能发电系统的效率和成本进行了比较。另一个对比如图4.4所示，根据Kaneff(1999)和Price(2003)的数据，我们将抛物面碟形电场和抛物面槽形系统的太阳能发电系统的平化能量成本(LEC)进行了关联。在碟形系统的情况下，考虑了两种情况，即100%依赖太阳能的系统和使用50%化石能源的混合系统。碟形系统比抛物线槽系统更具成本竞争力，主要是由于它们的性能更好。正如预期的那样，LEC随着安装性能的提高而降低。值得注意的是，单个盘子系统单元预计也会出现同样的趋势，即它们相关的LEC随着生产规模的增加而降低。

一个重要方面涉及到预期的太阳能扩张所带来的二氧化碳减排。Brackmann(2008)预测了未来几年太阳能利用的扩张趋势，根据Brackmann(2008)的数据，我们得到了如图4.5所示的图。图4.5a显示了使用太阳能发电而不是化石燃料每年节省的二氧化碳。图45亿显示了从现在到2025年的预测投资演变。

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