槽式太阳能集热与燃煤热发电的高效集成模式研究

摘要

能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础。当前，世界各国普遍以石油、天然气和煤炭等化石燃料为基础能源。随着世界化石能源的日益枯竭和化石能源造成的环境污染和生态破坏问题的凸显，世界各国日益重视太阳能、生物质能、风能等可再生能源的开发利用。
　　 太阳能热发电技术是规模化开发利用太阳能的一种方式，具有广阔的发展前景。作为目前唯一商业化的太阳能热发电技术，槽式太阳能热发电已经有了一定的推广应用。然而，由于太阳能的间歇性和不稳定性，槽式太阳能热发电技术的推广应用受到了严重束缚。太阳能与化石能源互补发电是克服这种束缚的一种有效方法。在国内外关于槽式太阳能热发电和燃煤电厂集成发电研究的基础上，本课题遵循“温度对口，能量梯级利用”原则，结合槽式太阳能集热特点和火力发电特点，提出了基于槽式太阳能集热器最佳工作温度的槽式太阳能集热与燃煤热发电的高效集成模式，构建了槽式太阳能集热与燃煤机组混合发电系统模型，分析了系统的热力性能和热经济性。
　　 本课题的主要研究内容和成果如下：
　　 1．基于槽式太阳能集热器最佳工作温度的槽式太阳能集热与燃煤热发电的高效集成模式的提出及在300MW槽式太阳能集热与燃煤机组混合发电系统的应用。在槽式太阳能集热器和燃煤机组集成的太阳能热发电系统中，太阳能集热器的集热效率随工质工作温度的升高先升高而后降低，而热动力循环的效率随工质工作温度的升高而升高。因此，槽式太阳能集热器必然存在最佳工作温度。为此，本课题提出了基于槽式太阳能集热器最佳工作温度的槽式太阳能集热与燃煤热发电的高效集成模式，构建了300MW槽式太阳能集热与燃煤机组混合发电系统模型。研究结果表明：太阳辐射强度为600W/m2时，集热器最佳工作温度为306.55℃，此时槽式太阳能集热取代锅炉受热面时，混合热发电系统的热经济性能远好于取代各段抽汽集成模式，太阳能热发电效率为44.7％，节省煤耗17.49g/kWh；对于利用直接换热型集热器的混合发电系统，集热器出口参数相同时，给水泵引出至集热器场加热的热经济性要高于凝结水泉出口引出；无论是采用直接型或间接换热型集热器，太阳能热量用于取代高参数的抽汽加热高温水的吸热时，其热经济性要优越于取代低参数抽汽的吸热。
　　 2．在热力学建模的基础上，利用热力学第二定律及热经济学结构理论构建了300MW槽式太阳能集热与燃煤机组混合发电系统的热经济学模型。以两种集成模式为例，对槽式太阳能集热与燃煤机组混合发电系统的热经济学性能进行分析。结果表明，不同集成模式，随着太阳能集热器场加热工质温度的提高，不同于集热器热效率先升高后降低的趋势，其火用效率呈逐渐提高的趋势，热经济性能越好，然而，单位非能量成本和单位热经济学成本却越高。与单纯燃煤机组中的各组元相比，太阳能集热器场的单位热经济成本较高；太阳能辅助燃煤混合发电系统的单位热经济学成本要高于单纯燃煤机组。这说明降低太阳能场的热经济学成本对提高太阳能辅助燃煤热发电系统的经济性具有十分重要的意义。
　　 3．针对我国典型的200MW和600MW燃煤机组，进行了槽式太阳能集热与燃煤机组混合发电系统的热力性能分析与计算。以单位发电成本作为经济性评价指标，对太阳能辅助燃煤热发电系统发进行技术经济性分析。结果表明，在相同的太阳能辐射强度下，与大容量等级燃煤机组集成时，太阳能热电转换效率高，当槽式太阳能集热与600MW燃煤机组集成为混合发电系统时，太阳能热发电效率为38.4％；当与相同容量的燃煤机组集成时，在文中设定的条件下，取代全部高加抽汽集成模式的热发电效率要略高于取代1段抽汽集成模式，然而取代1段抽汽的单位发电成本低于取代全部高加抽汽系统，经济性能较好，单位发电成本为0.69元/kWh，仍略高于单纯燃煤发电成本0.58元/kWh。
　　 本课题的创新点有：
　　 1．基于槽式太阳能集热器最佳工作温度的槽式太阳能集热与燃煤热发电的高效集成模式的提出。
　　 2．揭示了200MW、300MW和600MW槽式太阳能集热与燃煤机组的高效集成模式。
　　 槽式太阳能集热与燃煤机组的高效集成有效克服了太阳能的间歇性和不稳定性对槽式太阳能热发电技术推广应用的束缚。本课题提出的基于槽式太阳能集热器最佳工作温度的槽式太阳能集热与燃煤热发电的高效集成模式在太阳能与化石能源互补发电领域有重要的学术价值，对槽式太阳能集热与燃煤热发电集成发电有重要的参考价值，对大规模开发利用太阳能，推动能源、环境和人类经济社会的可持续发展有重要的意义。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 国内外研究及发展现状

1.2.1 国外研究及发展现状

1.2.2 国内研究及发展现状

1.3 困内外研究发展现状总结及对本课题的启示

1.4 本课题研究的目标、思路、内容和意义

1.4.1 研究目标

1.4.2 研究思路

1.4.3 研究内容

1.4.4 研究意义

第2章 抛物面槽式集热器最佳工作温度研究

2.1 太阳能与化石燃料混合热发电系统类型

2.1.1 太阳能与朗肯循环联合

2.1.2 太阳能与布雷顿循环联合

2.2 抛物面槽式集热器的技术发展

2.3 抛物面槽式太阳能集热器工作原理及结构

2.4 抛物面槽式太阳能集热器的最佳工作温度

2.5 本章小结

第3章 集成模式的提出及其热力性能分析

3.1 N300MW燃煤机组热力系统

3.1.1 机组简介

3.1.2 机组原始工况热力系统计算

3.2 燃煤机组变工况理论

3.3 混合发电系统的主要热经济指标

3.4 混合发电系统的集成模式的提出

3.5 混合发电系统集成模式的热力性能分析

3.5.1 槽式太阳能集热与燃煤机组混合发电系统热力学建模

3.5.2 热力性能分析结果

3.6 本章小结

第4章 基于火用及火用经济学分析的集成机理研究

4.1 火用分析

4.1.1 火用分析评价指标

4.1.2 燃煤机组热力系统基础火用分析

4.1.3 混合发电机组火用分析及结果分析

4.2 火用经济学分析

4.2.1 基本原理及概念

4.2.2 热经济学建模

4.3 本章小结

第5章 太阳能辅助燃煤热发电系统经济性能分析

5.1 不同容量等级太阳能辅助燃煤热发电系统热力性能

5.2 技术经济性分析

5.3 本章小结

结论与展望

1．结论

2．尚待解决的问题

3．创新点

4．展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表的论文

附录B 攻读学位期间获奖情况