1、 毕 业 设 计 (论文 ) 题目：生物质能辅助太阳能光伏光热发电系统设计 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） I 生物质能辅助太阳能光伏光热发电系统设计 摘 要 到目前为止，石油、天然气和煤炭等化石能源仍然是世界经济的能源支柱，然而化石资源的有限和对环境的危害性，已经日益地威胁着人类社会的安全和发展。充足的能源、洁净的环境是经济持续发展的基础条件。 1996 年联合国环境署报告指出：“从现在到 2020年，全球能源消耗将比现在增长 50%到 100%，由此造成温室效应的气体排放将会增加 45%到 90%，从而带来灾难性后果。”为了制止地球 的温暖化，为了人类尽快走出燃煤时代，构建一个稳
2、定的可持续发展的未来社会，各国都在不断追求不排放 CO2，不污染环境的清洁能源。 太阳能和生物质能联合热发电以太阳能和生物质资源为主要能源，本身不额外排放 CO2，项目各项环保指标好，能够达到绿色环保电厂的要求。无论哪种联合形式，电站的综合热发电效率都比独立的太阳能热发电系统有大幅度的提高。太阳能和生物质联合热发电技术为我国太阳能热发电产业实现自主创新和关键技术的快速发展提供了一个宝贵的机遇。本选题是针对生物质能辅助太阳能光伏光热发电系统结构组成和运行特性进行分析 ，继而设计出可行的优良的控制系统。 关键词 ： 太阳能 ； 生物质能 ； 光伏发电 ； 光热发电 目前，太阳能光伏发电技术利用主要
3、集中欧洲，占世界安装总量的 81。德国从 2003年采取优惠政策推动光伏发电的发展，使得民众大量安装光伏系统。光伏安装容量在 2010年达到 7.4GW，占世界安装总量的 44.1，是目前全球最大的太阳能发电市场。西班牙则发展迅速， 2007 年新增太阳能光伏发电装机容量 640MW，成为全球新的第二大市场。 我国在国际市场和国内政策的拉动下，光伏产业逐渐兴起并迅速发展，于 2007 年开始成为世界太阳能电池第 一制造大国，同时涌现了无锡尚德、保定英利、苏州阿特斯和常州天合等一大批优秀的光伏企业，带动了上下游企业的发展，中国光伏发电产业链正在形成。 使用太阳能光伏发电，能有效减少二氧化碳的排放
4、，减少温室效应，降低常规能源消耗。无论从能源安全的长远战略角度出发，还是从调整和优化能源结构需求考虑，太阳能光伏发电在 21 世纪会占据世界能源消费的重要席位。在目前情况下，完全商业化运作的光伏发电上网电价远远超出火力发电，价格上无法与火电竞争。因此，光伏发电市场现阶段一方面需要不断开发新的工艺、技术和材料，降低生产成本；另一方面 也需要国家出台相关政策大力支持。 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） II BIOMASS AUXILIARY SOLAR PHOTOVOLTAIC SOLAR THERMAL POWER GERERATION SYSTEM DESIGN Abstract S
5、o far, oil, gas and coal and other fossil fuels are still the pillars of the world economy, energy, the environment, however limited, and the dangers of fossil resources, has become increasingly threaten the security and development of human society. Plenty of energy, a clean environment is a basic
6、condition for sustained economic development. 1996 UNEP report noted: “From now to 2020, global energy consumption than they are now up 50% to 100%, and the resulting greenhouse gas emissions will increase by 45% to 90%, leading to catastrophic consequences. “in order to stop the Earths warming, in
7、order to get out as soon as possible human coal era, to build a stable society and sustainable development in the future, countries are in constant pursuit does not emit CO2, clean energy without polluting the environment. Solar and biomass power generation combined with thermal solar and biomass re
8、sources for primary energy, itself no extra emissions CO2, various environmental indicators project well, to achieve the requirements of green plants. Either form of association, integrated thermal power plant efficiency than the separate solar thermal power system has greatly improved.Solar and bio
9、mass power generation technology combined with thermal solar thermal power industry of Chinas rapid development and key technology innovation provides a valuable opportunity. The topic is analyzed for biomass auxiliary solar photovoltaic solar thermal power generation system structures and operation
10、al characteristics, and then design a workable excellent control system. Key words : Solar； biomass； PV； Solar thermal power generation 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 目 录 摘要 . I Abstract . II 1 绪 论 . IV 1.1 选题背景 . 1 1.2 选题 意义 . 1 1.3 国内外发展状况 . 2 1.3.1 生物质能发电 国内 外 发展现况 . 2 1.3.2 太阳能发电 国 内 外发展现况 . 3 1.3.3 太阳能和生
11、物质能综合利用的 发展趋势 . 3 2 太阳能发电 技术 . 5 2.1 太阳能光伏发电 . 5 2.1.1 太阳能光伏发电原理 . 5 2.1.2 太阳能光伏发电系统的组成 . 6 2.1.3 太阳能光伏发电系统的分类 . 6 2.1.3.1 离网光伏蓄电系统 . 7 2.1.3.2 光伏并网发电系统 . 7 2.1.4 太阳能光伏发电系统的优缺点 . 8 2.2 太阳能光热发电 . 8 2.2.1 太阳能光热发电的原理 . 8 2.2.2 太阳能光热发电系统的分类 . 8 2.2.2.1 槽式太阳能发电系统 . 9 2.2.2.2 塔式太阳能发电系统 . 9 2.2.2.3 碟式（盘式）太
12、阳能发电系统 . 11 2.2.2.4 线性菲涅耳反射器系统 . 12 2.2.3 主要聚光发热技术路线比较 . 13 3 生物质 能发电 技术 . 19 3.1 生物质的种类和特点 . 14 3.2 生物质能的利用转化方式 . 14 3.3 生物质能发电技术 . 15 3.3.1 直接燃烧技术 . 15 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 3.3.1.1 固定 /活动式炉排燃烧系统 . 16 3.3.1.2 流化床燃烧技术 . 17 3.3.2 生物质气化发电技术 . 17 4 生物质能辅助太阳能光伏光热发电系统设计 . 19 4.1 简述 . 19 4.2 生物质能辅助槽式太阳能热发
13、电 . 19 4.2.1 系统组成及基本原理 . 19 4.2.2 系统流程图设计与分析 . 20 4.2.3 系统性能模拟 . 22 4.2.3.1 系统设计条件 . 22 4.2.3.2 系统评价准则 . 23 4.2.3.3 系统模拟结果及分析 . 错误 !未定义书签。 4.3 塔式太阳能热发电与生物质能联合 . 26 4.4 槽式 -塔式太阳能热发电与生物质能联合 . 错误 !未定义书签。 结论 . 28 参考文献 . 29 致谢 . 31 目前，太阳能光伏发电技术利用主要集中欧洲，占世界安装总量的 81。德国从 2003年采取优惠政策推动光伏发电的发展，使得民众大量安装光伏系统。光伏
14、安装容量在 2010年达到 7.4GW，占世界安装总量的 44.1，是目前全球最大的太阳能发电市场。西班牙则发展迅速， 2007 年新增太阳能光伏发电装机容量 640MW，成为全球新的第二大市场。 我国在国际市场和国内政策的拉动下，光伏产业逐渐兴起并迅速发展，于 2007 年开始成为世界太阳能电池第一制造大国，同时涌现了无锡尚德、保定英利、苏州阿特斯和常州天合等一大批优秀的光伏企业，带动了上下游企业的发展，中国光伏发电产业链正在形成。 使用太阳能光伏发电，能有效减少二氧化碳的排放，减少温室效应，降低常规能源消耗。无论从能源安全的长远战略角度出发，还是从调整和优化能源结构需求考虑，太阳能光伏发电
15、在 21 世纪会占据世界能源消费的重要席位。在目前情况下，完全商业化运作的光伏发电上网电价远远超出火力发电，价格上无法与火电竞争。因此，光伏发电市场现阶段一方面需要不断开发新的工艺、技术和材料，降低生产成本；另一方面也需要国家出台 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 1 1 绪 论 1.1 课题背景 随着经济的不断发展，在世界范围内不可再生资源的使用量已经大大超过环境所能承受的范围，燃烧 发电厂产生的污染物对地球环境产生了负面影响。化石能源短缺以及化石能源利用带来的环境污染和全球变暖已成为制约人类社会发展的瓶颈，能源结构的变革势在必行，可再生能源以其取之不尽和清洁环保等优势将逐渐取代化石
16、能源，其中太阳能热发电和生物质能直燃发电是两种重要的可再生能源利用方式，得到了国际学术界和工业界的高度关注。 1.2 选题意义 生物质能是太阳能以化学能形式储存在生物质中的能量形式。是以生物质为载体的能量。它直接或间接地来源于绿色植物的光合作用，是取之不尽、用之不竭的能源资源，是太阳能的一种表现形式 。生物质能是人类赖以生存的重要能源，目前仅次于煤炭、石油和天然气，位居世界能源消费总量的第 4 位。生物质能具有可再生性、种类多样性、低污染性、分布广泛、储量丰富等特点。生物质能通过植物的光合作用可以再生，因此生生不息、永续不竭。据生物学家估计，生物质能的年产量相当于世界目前总能耗的 10 倍，随
17、着农林业的发展，生物质资源还将越来越丰富。此外，生物质的硫、氮含量远低于煤炭 、石油等能源，燃烧时温室气体排放很少，能有效地减缓温室效应。 太阳能是一种洁净的可再生能源，取之不尽、用之不竭。聚光太阳能热发电技术是利用太阳能 聚光技术加热工质，然后通过朗肯循环发电。根据聚光技术的不同将太阳能热发电系统分为槽式、菲涅尔式、塔式和碟式，目前槽式技术较为成熟，已有商业化电站运行。已建及在建的抛物槽式太阳能热发电电站大多以合成导热油为传热介质，但受导热油高温分解的限制，通常使用的导热油的最高工作温度低于 400 ， 导致汽轮机入口主蒸汽参数最高为 370-380 ，制约了系统发电效率的提高，目前该种电站
18、峰值发电效率仅为 24。发电效率较低导致槽式太阳能热发电技术开发利用成本居高不下，在经济上无法与常规的化石能源相竞争。由于单独槽式太阳能热发电 存在许多问题，特别是考虑到系统效率低以及蓄热技术还不成熟等，太阳能与化石能源互补的利用模式得到了广泛关注，但化石能源的使用仍会增加 2CO 的排放并污染环境。 如果要解决这些问题，最合适的方法是采用生物质能辅助太阳能发电技术，这样不仅可以有效解决太阳能利用不稳定的问题，同时可利用成熟的生物质发电技术，既节省了生物质发电厂的生物质燃料，又降低了开发利用太阳能热发电技术和经济风险。 当前经济和华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 2 社会发展同能源短缺
19、之间的矛盾日益突出，人类将面临 资源和环境的双重压力，如何实现可持续发展是急需解决的主要矛盾之一。以煤炭为主的能源结构造成环境污染和温室效应，从战略角度出发，调整能源结构、依靠科技进步，利用生物质能、太阳能等可再生资源是一个有效途径。 本选题是针对太阳能和生物质能的发电原理、特性进行分析，然后设计出可行的优良的控制系统。 1.3 国内外发展状况 1.3.1 生物质能发电国内外发展现况 生物质能发电起源于 20世纪 70年代，当时世界性石油危机爆发，丹麦开始积极开发清洁的可再生能源。在 BWE 公司的技术支撑下， 1988 年诞生了世界上第一座秸杆生物燃 料发电厂，此后生物质能发电在许多国家开始
20、大规模发展。 目前，美国生物质能发电的总装机容量达 10000MW，主要分布在纸浆、纸产品加工厂和其他林产品加工厂。西班牙、瑞典、芬兰、法国 、英国 、加拿大、奥地利等国也投产运行了多个秸秆焚烧发电机组。其中，位于英国坎贝斯的生物质能发电厂是目前世界上最大的秸秆发电厂，装机容量 38MW，总投资约 5 亿丹麦克朗。除这些发达国家外，泰国、印度、巴西和东南亚等发展中国家也通过引进技术或自行研发开展了多个生物质能发电项目。 我国从 1987 年起开始生物质能发电技术研究。 1998 年， 1MW 谷壳气化发电示范工程建成投入运行。 1999 年， 1MW 木屑气化发电示范工程建成投入运行。 200
21、0 年， 6MW 秸秆气化发电示范工程建成投入运行，为我国更好地利用生物质能源奠定了良好基础。 为推动生物质能发电技术的发展， 2003 年以来，国家先后批准了河北晋州、山东单县、江苏如东和湖南岳阳等多个秸秆发电示范项目。 2006 年，我国颁布了可再生能源法，并实施了生物质能发电优惠上网电价等有关配套政策，使生物质能发电 , 特别是秸秆发电迅速发展。国家电网公司、五大发电集团等大型国有、民营以及外资企业纷纷投资参 与我国生物质能发电产业的建设运营。截至 2007 年底，相关部门已核准项目 87 个，总装机规模 220 万 kW。全国已建成投产的生物质直燃发电项目超过 15 个，在建项目 30
22、 多个。可见，我国生物质能发电产业正渐入佳境。 目前国内从事生物质气化及直接燃烧发电技术的生产科研机构主要有：中国科学院广州能源研究所、清华大学、浙江大学、中国林业科学研究院、华中科技大学、山东省科学院和其它一些科研院所，他们的一些研究成果已经进入商品化阶段。 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 3 1.3.2 太阳能发电国内外发展现况 1954 年，美国贝尔实验室的 Chapin 等研制出了世 界上第一个多晶硅太阳能电池，电效率位 6，诞生了将太阳光能转换为电能的实用光伏发电技术。从 1954 1998 年，美国、俄罗斯和德国等国家不断对太阳能电池进行研究，电池的效率在不断提高。最近
23、10 年世界光伏产业发展迅速，在 2001 2008 年期间，全球光伏发电新增容量持续快速增长，年均增速达 50.2，复合增长率为 47， 2008 年产量达到 6.85GW。 目前，太阳能光伏发电技术利用主要集中欧洲，占世界安装总量的 81。德国从 2003年采取优惠政策推动光伏发电的发展，使得民众大量安装光伏系统。光伏安装容量在 2010年达到 7.4GW，占世界安装总量的 44.1，是目前全球最大的太阳能发电市场。西班牙则发展迅速， 2007 年新增太阳能光伏发电装机容量 640MW，成为全球新的第二大市场。 我国在国际市场和国内政策的拉动下，光伏产业逐渐兴起并迅速发展，于 2007 年
24、开始成为世界太阳能电池第一制造大国，同时涌现了无锡尚德、保定英利、苏州阿特斯和常州天合等一大批优秀的光伏企业，带动了上下游企业的发展，中国光伏发电产业链正在形成。 使用太阳能光伏发电，能有效减少二氧化碳的排放，减少温室效应，降低常规能源消耗。无论从能源安全的长远战 略角度出发，还是从调整和优化能源结构需求考虑，太阳能光伏发电在 21 世纪会占据世界能源消费的重要席位。在目前情况下，完全商业化运作的光伏发电上网电价远远超出火力发电，价格上无法与火电竞争。因此，光伏发电市场现阶段一方面需要不断开发新的工艺、技术和材料，降低生产成本；另一方面也需要国家出台相关政策大力支持。 1.3.3 太阳能和生物
25、质能综合利用的发展趋势 太阳能和生物质能作为开发潜力巨大的可再生能源，已经引起了世界全国的广泛关注。对于新能源利用技术，加快技术发展，扩大市场推广，提高利用效率满足我国甚至全球的能 源需求具有重大的意义。对于太阳能光伏光热发电和生物质能发电的利用进行分析，得到如下结论： （ 1）从调整和优化能源结构需求考虑，太阳能光伏发电会占据世界能源消费的重要席位，目前需要开发新的工艺、技术和材料，降低生产成本，通过生物质能的辅助达到稳定，同时需要国家出台相关政策大力支持。 （ 2）太阳能发电在节能、环保方面的优越性使其得到越来越多的应用，但系统庞大、初投资高、稳定性和可靠性较差等是下一步要解决的问题。 （
26、 3）太阳能生物质能辅助系统将太阳能技术和生物质能技术相结合，提高了系统的能效比。直膨式太阳能热泵系 统的关键技术在于集热蒸发器的设计及其与系统的匹配、华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 4 循环工质的选择等；而非直膨式太阳能热泵系统关注系统的规模、尺度和复杂程度以及且集热循环存在的管路腐蚀、冬季防冻、夏季防止过热等问题。 （ 4）太阳能光伏光热综合利用将经过加热后的流体用作采暖或提供热水，同时降低电池板的工作温度提升光电效率，这种利用方式将大大提高太阳能的综合利用效率。目前关注的问题是集热和冷却系统的匹配、循环工质的选择、不同工况的控制等。 华北电力大学科技学院本科毕业设计（论文） 5
27、 2 太阳能发电技术 太阳能发电主要有太阳 能光发电和太阳能热发电两种基本方式。不通过热过程直接将太阳的光能转换成电能的利用方式称为太阳能光发电，目前得到实际应用的是光伏电池。太阳能热发电是将吸收的太阳辐射热能转换成电能的装置。太阳能热发电有多种类型 , 主要有以下五种 : 塔式系统、槽式系统、盘式系统、太阳池和太阳能塔热气流发电。前三种是聚光型太阳能热发电系统 , 后两种是非聚光型。一些发达国家将太阳能热发电技术作为国家研发重点 , 制造了数十台各种类型的太阳能热发电示范电站，已达到并网发电的实际应用水平。 2.1 太阳能光伏发电 2.1.1 太阳能光伏发 电的原理 光伏发电是利用半导体材料
28、光伏效应直接将太阳能转换为电能的一种发电形式。早在 1839 年 ,法国科学家贝克勒尔就发现光照能使半导体材料的不同部位之间产生电位差。这种现象后来被称为“光生伏打效应 (Photovoltaic Effect)” , 简称“光伏效应” 。然而 , 第一个实用单晶硅光伏电池 (Solar Cell)直到 1954 年才在美国贝尔实验室研制成功 , 从此诞生了太阳能转换为电能的实用光伏发电技术。 光伏发电的基本原理如图 2-1 所示。半导体材料组成的 PN 结两侧因多数载流子 (N 区中的电 子和 P 区中的空穴 )向对方的扩散而形成宽度很窄的空间电荷区 w , 建立自建电场 Ei 。它对两边多
29、数载流子是势垒 ,阻挡其继续向对方扩散 ,但它对两边的少数载流子(N 区中的空穴和 P 区中的电子 )却有牵引作用 ,能把它们迅速拉到对方区域。稳定平衡时 ,少数载流子极少 ,难以构成电流和输出电能。但是 , 当太阳光照射到 PN 结时 , 如图 l(a)、 (b)所示 , 以光子的形式与组成 PN 结的原子价电子碰撞 ,产生大量处于非平衡状态的电子 -空穴对 ,其中的光生非平衡少数载流子在内建电场 Ei 的作用下 , 将 P 区中的非平衡电子驱向 N 区 ,N 区中的非平衡空穴驱向 P 区 , 从而使得 N 区有过剩的电子 ,P 区有过剩的空穴。这样在 PN 结附近就形成与内建电场方向相反的光生电场 Eph 。光生电场除一部分抵消内建电场外 , 还使 P 型层带正电 ,N 型层带负电 , 在 N 区和 P 区之间的薄层产生光生电动势。当接通外部电路时 ,就会产生电流 ,输出电能。当把众多这样小的太阳能光伏电池单元通过串并联的方式组合在一起构成光伏阵列 ,就会在太阳能作用下输出足够大的电能。
