CN108131263A - 一种具有复合抛物面聚光器的塔式太阳能热发电系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种具有复合抛物面聚光器的塔式太阳能热发电系统，利用非成像聚光器的独特聚光性能，在塔式太阳能热发电系统的塔顶接收器处放置一个复合抛物面聚光器，可以延长系统的工作时间、提高太阳能热发电系统的聚光效率从而提高系统效率、或者降低定日镜的跟踪精度。本发明适用于塔式太阳能热发电系统中，为提高塔式太阳能热发电系统的效率提供了条件。

Description

一种具有复合抛物面聚光器的塔式太阳能热发电系统
技术领域
本发明涉及太阳能热发电的技术领域，具体涉及一种具有复合抛物面聚光器的塔式太阳能热发电系统，其为可以提高塔式太阳能热发电系统的聚光效率或降低跟踪精度的聚光器件。
背景技术
能源短缺、资源枯竭、环境污染等问题已经严重影响人们的生活和制约社会的发展，因此各国竞相开展水能、风能、太阳能等清洁和可再生能源的应用研究。其中，利用太阳能发电是解决当前能源、资源和环境等问题的一种有效途径。光伏发电和太阳能热发电是比较成熟的太阳能发电技术，而由于聚光类太阳能热发电效率比光伏发电更高，更具有应用前景。美国Sunlab联合实验室的研究表明，到2020年前后，太阳能热发电成本约为5美分/kWh，从而可能成为实现大功率发电、替代常规能源的最经济手段之一。
现有的聚光类太阳能热发电有：塔式太阳能热发电、槽式太阳能热发电、碟式太阳能热发电。其中，塔式太阳能热发电系统是利用独立跟踪太阳的定日镜群，将阳光聚集到固定在塔顶端的接收器上，用以产生高温，加热工质产生过热蒸汽或高温气体，驱动发电机组发电，从而将太阳能转化为电能。该系统将太阳能集热系统和汽轮发电机组相结合，因此太阳能热发电的系统效率是集热效率和热机效率的乘积。
太阳能热发电系统的集热效率为：
式中，Tr为集热器运行温度，Ta为周围环境温度，单位为K；Ia为太阳能直射辐照度，W/m2；ηo为聚光系统的光学效率；h′为集热器对流和热传导综合传热系数，W/(m2·K)；C为聚光系统的聚光比；ε为吸收器表面发射率；σB为斯蒂芬-玻尔兹曼常数，σB＝5.6696×10-8W/(m2·K4)。可以看出，聚光效率与Ia、ηo、C、h′、Tr以及Ta有关系。我们可以通过提高集热器的聚光比C来改善塔式太阳能热发电系统的系统效率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种具有复合抛物面聚光器的塔式太阳能热发电系统，提高系统的聚光效率或者降低定日镜跟踪系统的跟踪精度，从而降低太阳能热发电系统的发电成本或者一次投资成本。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种具有复合抛物面聚光器的塔式太阳能热发电系统，包括定日镜场、塔、复合抛物面聚光器、接收器，定日镜场实时跟踪太阳、反射太阳光到塔顶，在塔顶的接收器处放置一个复合抛物面聚光器，复合抛物面聚光器将反射光的太阳光进行第二次聚光到接收器，用以产生高温，加热工质产生过热蒸汽或高温气体，驱动发电机组发电，从而将太阳能转化为电能；其中，复合抛物面聚光器的内壁反射以聚光器最大接收角入射的光线到聚光器的出口边缘处、反射在最大接收角以内的光线到出口中间，相当于进行了第二次聚光，提高聚光系统的聚光效率，从而提高系统的效率，并在一天早晚和阴天的时候延长了系统的工作时间；而由于其特殊的聚光特性，在相同情况下，采用复合抛物面聚光器的系统相较于未采用的系统，可以降低定日镜跟踪系统的跟踪精度。
其中，所有以不大于复合抛物面聚光器最大接收角入射的光线都能被复合抛物面聚光器聚光到接收器上，复合抛物面聚光器的理论几何聚光比为：
其中，是复合抛物面聚光器最大接收角。
本发明的原理是：当复合抛物面聚光器装置的最大角度给定后，所有以最大角度入射的光在经过最多一次反射后与放置在复合抛物面聚光器内部的接收器相切，那么以中间角度入射的光被复合抛物面聚光器的内壁反射后，与接收器相交。这样，可以压缩定日镜场聚焦的太阳光斑，也就提高了整个聚光系统的聚光比。另外，若在保持整体聚光比不变的情况下，采用复合抛物面聚光器后，其入口尺寸比接收器的尺寸更大，这就降低了定日镜场成像的要求，也就是降低了跟踪系统的跟踪精度。
本发明与现有技术相比有如下优点：
1、本发明能提高塔式太阳能热发电系统的聚光效率。
2、本发明能降低塔式太阳能热发电系统对跟踪精度的要求。
3、本发明结构简单，在现有的工艺上容易实现。
4、本发明能提高塔式太阳能热发电系统的发电成本或者一次投资成本。
附图说明
图1为一种具有复合抛物面聚光器的塔式太阳能热发电系统；
图2为复合抛物面聚光器聚光的原理示意图；
图3为无复合抛物面聚光器的系统聚光原理示意图；
图4a、4b分别为晴天和阴天的24小时太阳直射辐射照度分布图；
图5a、5b分别为晴天和阴天的集热效率；
图6为年均集热效率随聚光比的变化曲线图。
图中附图标记含义为：1为定日镜场，2为塔，3为复合抛物面聚光器，4为接收器，D分别为复合抛物面聚光器的最大接收角和入口直径，h为塔高，h’为反射镜高，l为反射镜与塔的间距，θsun＝9.3mrad，为太阳张角，f为反射镜焦距，D′为无复合抛物面聚光器时接收器的入口直径。
具体实施方式
下面结合附图具体说明本发明具体实施方式。
如图1所示，一种具有复合抛物面聚光器的塔式太阳能热发电系统由定日镜场1、塔2、复合抛物面聚光器3、接收器4构成。定日镜场1实时跟踪太阳、反射太阳光到塔2顶，在塔2顶的接收器4处放置一个复合抛物面聚光器，复合抛物面聚光器将反射光的太阳光进行第二次聚光到接收器。如图2所示，直线AN、BF是以最大张角入射的光线，光线AN被复合抛物面聚光器反射后与圆形接收器相切于E点，光线BF直接与接收器相切于F点，AN与BE之间的一条以最大张角入射的光线PQ被反射后与接收器相切于弧线EF之间的一点G，而以小于最大张角的角度入射的光线则会被反射一次以上被接收器接收。得到复合抛物面聚光器的聚光比为：
1.降低系统的跟踪精度
在接收器处安装一个复合抛物面聚光器，其最大接收角为：
例如lmax＝53.14m，则最大接收角当未采用复合抛物面聚光器的时候，定日镜跟踪精度为2mrad，计算得到误差为2mrad时整个定日镜场反射的太阳光有90％能被接收器接收。当采用复合抛物面聚光器的时候，定日镜跟踪精度为3mrad，计算得到误差为3mrad时整个定日镜场反射的太阳光有88.4％能被接收器接收。这表明，采用复合抛物面聚光器可以在保持接收效率基本不变的情况下降低定日镜场的跟踪精度。
2.提高系统效率
假如普通的塔式太阳能热发电系统聚光比为C＝600，采用复合抛物面聚光器后的系统聚光比提高了4倍，为C＝2400。在综合传热系数h′＝30W/(m2·K)、集热器光学效率ηo＝60％、吸收器表面发射率ε＝0.6、环境温度为20℃、集热温度为700℃、有32面面积为20.25m2的定日镜的条件下，对两个系统进行仿真。
太阳直射辐照度采用克拉玛依某一晴天和某一阴天的实测值，进行高斯拟合之后的晴天和阴天的24小时太阳直射辐射照度分布如图4a、4b所示。仿真得到晴天和阴天的年均集热效率如图5a、5b所示。
2012到2016年，取年平均值，克拉玛依有179个晴天和186个阴天。那么，太阳能热发电站的年发电量＝年效率×一年总太阳直射辐量＝179×晴天系统效率×阴天太阳直射辐照度×定日镜总面积+186×晴天系统效率×阴天太阳直射辐照度×定日镜总面积。图6为系统年效率随聚光比的变化曲线图，可以看出，系统的聚光比越大，年均集热效率就越高。由于太阳能热发电的系统效率是集热效率和热机效率的乘积，因此系统的聚光比越大，系统年效率就越高。
粗略计算得到未采用复合抛物面聚光器的系统的年发电量为1.45×105kW，年效率为21.3％；采用复合抛物面聚光器的系统的年发电量为1.95×105kW，增加了34.5％，年效率为28.7％，提高了7个多百分点。
系统效率对太阳能热发电成本有显著影响，国际上普遍认为，太阳能热发电系统发电效率每提高1个百分点,太阳能热发电的平均发电成本将降低8％，相对一次投资降低5％～6％。由此可见，利用复合抛物面聚光器装置，有利于降低发电成本和一次投资成本。
一种适用于塔式太阳能热发电系统的复合抛物面聚光器装置主要用于太阳能热发电实验中。
本发明未详细公开的部分属于本领域的公知技术。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种具有复合抛物面聚光器的塔式太阳能热发电系统，包括定日镜场(1)、塔(2)、复合抛物面聚光器(3)、接收器(4)，其特征在于：定日镜场(1)实时跟踪太阳、反射太阳光到塔(2)顶，在塔(2)顶的接收器(4)处放置一个复合抛物面聚光器(3)，复合抛物面聚光器(3)将反射光的太阳光进行第二次聚光到接收器(4)，用以产生高温，加热工质产生过热蒸汽或高温气体，驱动发电机组发电，从而将太阳能转化为电能；其中，复合抛物面聚光器(3)的内壁反射以聚光器最大接收角入射的光线到聚光器的出口边缘处、反射在最大接收角以内的光线到出口中间，相当于进行了第二次聚光，提高聚光系统的聚光效率，从而提高系统的效率，并在一天早晚和阴天的时候延长了系统的工作时间；而由于其特殊的聚光特性，在相同情况下，采用复合抛物面聚光器(3)的系统相较于未采用的系统，可以降低定日镜跟踪系统的跟踪精度。
2.根据权利要求1所述的具有复合抛物面聚光器的塔式太阳能热发电系统，其特征在于：所有以不大于复合抛物面聚光器最大接收角入射的光线都能被复合抛物面聚光器聚光到接收器上，复合抛物面聚光器的理论几何聚光比为：
其中，是复合抛物面聚光器最大接收角。
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