太阳能热发电系列文章（10）——槽式太阳能热发电中的聚光集热器.doc

太阳能热发电系列文章（10）槽式太阳能热发电中的聚光集热器太阳能热发电系列文章河海大学南京中材天成新能源有限公司王军张耀明张文进孙利国安翠翠摘要:介绍了槽式太阳能热发电系统中DSG技术的三种实现方式;对比了再次循环方式中饱和蒸汽发电和过热蒸汽发电;介绍了DSG技术的实践和应用研究项目.关键词:太阳能热发电;槽式;DSG技术槽式太阳能热发电系统是将多个槽型抛物面聚光集热器经过串并联的排列,收集较高温度的热能,加热工质,产生蒸汽,驱动汽轮发电机组发电.整个系统包括:聚光集热子系统,导热油一水/蒸汽换热子系统(采用DSG技术时无此子系统)和汽轮发电子系统,根据系统的不同设计思路有时还包括蓄热子系统,辅助能源子系统.其中聚光集热子系统是系统的核心.一聚光集热器的构成聚光集热子系统由多个聚光集热器SCA(SolarCollectorAssembly)组成,而每个聚光集热器SCA又由若干个聚光集热单元SCE(SolarCollectorElements)构成.聚光集热器包括集热管,聚光器,跟踪机构几个部分(图1).茎底座反射镜嘉集热管图1聚光集热器(SCA)(一)集热管槽型抛物面反射镜为线聚焦装置,阳光经聚光器聚集后,在焦线处成一线型光斑带,集热管放置在此光斑上,用于吸收聚焦后的阳光,加热管内的工质.所以集热管必须满足以下五个条件:(1)吸热面的宽度要大于光斑带的宽度,以保证聚焦后的阳光不溢出吸收范围;(2)具有良好的吸收太阳光性能;(3)在高温下具有较低的辐射率;(4)具有良好的导热性能;(5)具有良好的保温性能.目前,槽式太阳能集热管使用的主要是直通式金属一玻璃真空集热管,另外还有热管式真空集热管,双层玻璃真空集热管,聚焦式真空集热管和空腔集热管等.1直通式金属一玻璃真空集热管直通式金属一玻璃真空集热管是一根表面带有选择性吸收涂层的金属管(吸收管),外套一根同心玻璃管,玻璃管与金属管(通过可伐过渡)密封联接;玻璃管与金属管夹层内抽真空以保护吸收管表面的选择性吸收涂层,同时降低集热损失.这种结构的真空集热管主要解决了如下几个问题:(1)金属与玻璃之间的联接问题;(2)高温下的选择性吸收涂层问题;(3)金属吸收管与玻璃管线膨胀量不一致的问题;(4)如何最大限度提高集热面的问题;(5)消除夹层内残余或产生气体的问题.S0LARENERGY4/2007这种真空集热管主要用于短焦距抛物面聚光器,以增大吸收面积,降低光照面上的热流密度,从而降低热损失.它的主要优点是:(1)热损失小;(2)可规模化生产,需要时进行组装.缺点是:(1)运行过程中,金属与玻璃的联接要求高,很难做到长期运行过程中保持夹层内的真空;(2)反复变温下,选择性吸收涂层因与金属管膨胀系数不统一,而易脱落;(3)高温下,选择性吸收涂层存在老化问题.目前这种结构的代表产品有以色列Solel公司生产的外膨胀真空集热管(图2a)和德国Schott公司生产的内膨胀真空集热管(图2b).图2a以色列Solel公司真空集热管图2b德国Schott公司真空集热管张耀明院士等人成功开发了新型直通式金属一玻璃槽式太阳能真空集热管(图3).该新型槽式太阳能真空集热管采用熔封技术解决了金属与玻璃之间的封接问题;采用薄壁膨胀节解决了金属与玻璃之间线膨胀系数不一致的问题;采用保护罩保护金属与玻璃之间的接口.通过一系列试验表明:设计,制造的新型槽式太阳能真空集热管能够达到国内即将建设的”100kW槽式太阳能热发电系统”的使用标准.图3新型金属一玻璃槽式太阳能真空集热管此外,张耀明院士等人还设计了熔封内膨胀式,熔封外膨胀式系列真空集热管.直通式金属一玻璃真空集热管已在槽式太阳能热发电站得到广泛使用,故常称槽式太阳能热发电站中使用的直通式金属一玻璃真空集热管为真空集热管.2热管式真空集热管热管式真空集热管由热管,金属吸热板,玻璃管,金属封盖,弹簧支架及消气剂等构成.工作时,太阳辐射穿过玻璃管被涂在热管和吸热板表面的选择性吸收涂层吸收转化为热能,加热热管蒸发段内的工质,使之汽化.汽化后的工质上升到热管冷凝段,将热量释放,传递给集热器中的传热工质.热管内的工质凝结成液体后依靠自身重力,流回蒸发段重新循环工作.目前,我们已设计了适合于槽式DSG技术的普通型,一字型,聚焦式,螺旋翅片式等热管式真空集热管和适合于碟式DSG技术的普通型,十字型,螺旋翅片式等热管式真空集热管.3聚焦式真空集热管集热温度主要受聚光比和吸收涂层的发射率控制.在槽式太阳能热利用系统中,由于受到种种因素影响,聚光比一般在100以下,因而集热温度受到制约.采用聚焦式真空集热管可实现下述两种目的之一:提高聚光比或降低聚光器的制造精度.目前我们已设计了CPC,CUSP等系列聚焦式真空集热管.4双层玻璃真空集热管我国在全玻璃真空集热管应用方面已取得了辉煌成果,但现有的全玻璃真空集热管只能承受低压,因而只能在太阳能热水器等低温场合下使用.我们设计了系列双层玻璃式真空集热管,采用金属与双层玻璃配合使用的方法,金属管承压,双层玻璃管扼制对流散热,提高了集热和使用温度.在已进行卜SOLARENERGY4/2007的系列试验中,取得了一定成绩,但也存在许多问题,还将做进一步改进.5空腔集热管空腔集热管的工作原理和塔式太阳能热发电站中的空腔式接收器是一致的:利用空腔体的黑体效应,充分吸收聚焦后的阳光.中科院曾对空腔集热管进行过研究,设计了月牙形和圆形两种空腔管.空腔开口面对反射镜,镜面聚焦后的阳光进入空腔后,被附在空腔壁面上的金属管表面的吸收,加热金属管内的工质.空腔管的外表面包覆良好的隔热材料,以降低热损耗.空腔集热管的优点是:(1)集热效率高;(2)不用抽真空,没有金属与玻璃联接问题;(3)热性能稳定.缺点是:(1)加工工艺复杂;(2)不易于规模化生产.(二)聚光器由于太阳能的能量密度低,要想得到较高的集热温度,必须通过聚光的手段来实现.槽式太阳能热发电聚光器,将普通太阳能光聚焦形成高能量密度的光束,加热吸热工质,其作用等同于塔式太阳能热发电的定日镜.一般槽式聚光器的工作原理如图4所示,反光镜放置在一定结构支架上,在跟踪机构帮助下,使其反射的太阳光聚焦到放置在焦线上的集热管吸热面.同定日镜一样,聚光器应满足以下要求(1)具有较高的反射率;(2)有良好的聚光性能;(3)有足够的刚度;(4)有良好的抗疲劳能力;(5)有良好的抗风能力;(6)有良好的抗腐蚀能力;(7)有良好的运动性能;(8)有良好的保养,维护,运输性能.图4槽式聚光器原理与塔式太阳能热发电的定日镜相比,槽式太阳能热发电聚光器的制作难度相对更大:一是抛物面镜曲面比定日镜曲面弧度大;二是平放时,槽式聚光器迎风面比定日镜要大,抗风要求更高;三是运动性能要求更高.聚光器由反射镜和支架两部分组成.l反射镜反射率是反射镜最重要的性能.反射率随反射镜使用时间增多而降低,主要原因是:(1)因为有灰尘,废气,粉末等引起的污染;(2)紫外线照射引起的老化(3)风力和自重等引起的变形或应变等.为了防止出现这些问题,反射镜要:(1)便于清扫或者替换;(2)具有良好的耐候性;(3)重量轻且要有一定的强度;(4)价格要合理.反射镜由反射材料,基材和保护膜构成.以基材为玻璃的玻璃镜为例,在槽式太阳能热发电中,常用的是以反射率较高的银或铝为反光材料的抛物面玻璃背面镜,银或铝反光层背面再喷涂一层或多层保护膜.因为要有一定的弯曲度,其加工工艺较平面镜要复杂得多.最近国外已开发出可在室外长期使用的反光铝板,很有应用前景.它具有以下优点:(1)对可见光辐射和热辐射的反射效率高达85%,表现出卓越的反射性能;(2)具有较轻的重量,防破碎,易成型,可配合标准工具处理;(3)透明的陶瓷层提供高耐用性保护,可防御气候,腐蚀性和机械性破坏.但目前价格很贵,有待于进一步降低成本.2支架支架是反射镜的承载机构,在与反射镜接触的部分,要尽量与抛物面反射镜相贴合,防止反射镜变形和损坏.支架还要求具有良好的刚度,抗疲劳能力及耐候性等,以达到长期运行的目的.支架的作用:(1)支撑反射镜和真空集热管等;(2)抵御风载;(3)具有一定强度抵御转动时产生的扭矩,防止反射镜损坏.要达到上述的作用,要求支架:重量尽量小(传动容易,能耗小);制造简单(成本低);集成简单(保证系统性能稳定);寿命长.目前使用的主要有管式支架和扭矩盒式支架,SOLARENERGY4/2007尤其是后者已逐步发展成熟.除钢结构支架外,还有木材支架结构(图5),大大降低了支架的重量,减少了能耗,但存在抗风能力降低和寿命缩短的问题.图5木质结构支架(三)跟踪机构为使集热管,聚光器发挥最大作用,聚光集热器应跟踪太阳.槽型抛物面反射镜根据其采光方式,分为东西向和南北向两种布置形式.东西放置只作定期调整;南北放置时一般采用单轴跟踪方式.跟踪方式分为开环,闭环和开闭环相结合三种控制方式.开环控制由总控制室计算机计算出太阳能的位置,控制电机带动聚光器绕轴转动,跟踪太阳.优点是控制结构简单;缺点是易产生累积误差.每组聚光集热器均配有一个伺服电机,由传感器测定太阳位置,通过总控制室计算机控制伺服电机,带动聚光器绕轴转动,跟踪太阳.传感器的跟踪精度为0.5.优点是精度高;缺点是大片乌云过后,无法实现跟踪.采用开,闭环控制相结合的方式则克服了上述两种方式的缺点,效果较好.南北向放置时,除了正常的平放东西跟踪外,还可将集热器作一定角度的倾斜,在倾斜角度达到当地纬度时,效果最佳,聚光效率提高达30%.塔式太阳能热发电站镜场中的众多定日镜,每台都必须作独立的双轴跟踪;而槽式太阳能热发电中多个聚光集热器单元只作同步跟踪,跟踪装置大为简化,投资成本大为降低.二聚光集热器种类世界上使用过的聚光集热器共有七种:LS一1,LS一2,LS一3,LS一4,DS一1,ET-100和ET-150.表1为几种聚光集热器参数比较.LUZ公司原计划生产4种型号的聚光集热器即LS一1,LS一2,LS一3,LS一4,但由于公司破产LS一4并表1集热器装配系数未真正使用,只是处在研发阶段,LS一4的几个主要参数分别是开口宽度为10.5m,长度为49m,面积为504mz,直接以水作工质.而另三种型号的聚光集热器都在SEGS电站中得以应用,在SEGSInSEGS上使用的是LS一1和LS一2两种集热装置,LS一2应用于SEGS,SEGS,SEGSV和SEGS上,SEGS上应用的是LS一2及LS一3两种,而SEGSVm和SEGS上应用的是LS一3.SOLARENERGY藉黛圜田噩盈DS一1聚光集热器用于在ASP建造的Saguaro槽式太阳能热电站中,该电站装机容量1MW,太阳能场面积为10340m,共使用了24组DS一1,工作温度为300C,该电站的循环系统为有机液兰金循环,每年产生电量为2000MW.在西班牙建造的两座50MW槽式太阳能热电站中使用的是由Solel公司生产的ET-150集热器;在PSA建造的DISS电站中也应用ET-IO0和ET-150集热器.LS一2与EuroTrough集热器的热损失基本一样,ET集热器角度增加了30.,因而效率较LS一2提高了很多.并且ET集热器具有更大的风力承载能力.ET集热器由于要用于DSG太阳能热电站中,因而其较LS系列具有耐高压,耐高温度的性能,镜子重量也降低了50%,费用也因技术发展而大大降低.除了上述使用真空集热管的聚光集热器外,目前还有一种菲涅尔式聚光集热器(图6),该类型聚光集热器将辐射光线聚焦到位于几米高的集热管上.该集热管具有二次反射功能可将所有的入射光线投射到吸收管上.一次反射镜面有一定的弯曲度,该弯曲度是由机械弯曲所得到的.二次聚光过程起到加大聚光比,同时对集热管的选择性涂层进行隔离的作用.二次反射器背面涂有不透明的绝缘层,正面装有窗玻璃以减少对流热损失.菲涅尔式聚光集热器无需真空技术,长度也增加了很多,聚光效率是常规抛物线形集热器的3倍,建造费用降低了50%,但是该集热器的工作效率却只有普通集热器的70%,因而还需进一步改进.,j,太阳光二级反射镜菲涅尔反射镜吸收管图6菲涅尔式集热器三聚光集热器的发展方向1提高效率,延长寿命.Solel公司开发了第6号集热管UVAC,该集热管吸收率大于96%,反射率在400C时小于10%,该集热管在吸气部分采用了先进的技术使得集热管玻璃管中的真空度能保持更长的时间,并且集热管寿命也大大增长;Schott公司正在研发新型的集热管PTR70,该集热管采用了新的玻璃和金属涂层,玻璃一金属封接方式改进,从而大大提高了集热管的吸收率及使用寿命,同时也降低了费用及热损失.2向更长,更轻的方向发展.聚光集热器在长度方面向150米方向发展;聚光镜材料采用超薄玻璃或铝板,向更轻方向发展,以降低整机重量.3采用DSG技术.开发能够适用于直接用水作为介质(DSG)的聚光集热器,使系统取消大量换热器,简化系统,提高效率,降低成本.目前,集热器中过热蒸汽工作参数已经达到400C/IOMPa.4采用极轴跟踪技术.南北向聚光集热器由原来的水平放置改为面朝南的倾斜轴,充分考虑方位角和高度角的影响,从而更有效地接收太阳辐射能.0参考文献(1)王长贵,崔容强,周篁.新能源发电技术.北京:中国电力出版社,2003(2)郭廷伟,李安定,王焕义.太阳能利用和前景.北京:科学普及出版社,1984(3)罗运俊,何梓年,王长贵.太阳能利用技术.北京:化学工业出版社,2005(4)SolarParabolicTrough./solar_trough.pdf(5)SKALETLoopDesignDocument.http:/www.solarmillennium.de/pdf/SkalETGeneralDescription.pdf(6)E.Holle,K.Jakob.PARAB0LICTROUGHC0LLECT0RWITHSELFCARRYINGREF