太阳能中高温热发电反射式线性菲涅尔技术简介.doc

太阳能中高温热发电反射式线性菲涅尔技术简介太阳能中高温热发电反射式线性菲涅尔技术简介皇明太阳能集团有限公司熊勇刚刘玉卫陈洪晶崔正军一引言随着常规化石能源的日渐枯竭,世界上兴起了新能源利用的热潮.太阳能作为新能源的典型代表,得到世界各国的重视.尤其是太阳能中高温热发电技术得到了各国政府的财政支持,也是科研工作者研究的热点.太阳能反射聚光技术作为太阳能中高温热发电的核心技术,目前主要分为塔式,碟式,槽式和线性菲涅尔式四种.线性菲涅尔式太阳能反射聚光系统因结构简单,制作,运行成本低和抗风性能优良,更易于商业化.二发展历程线性菲涅尔式的名称源于法国物理学家奥古斯汀?菲涅尔,l9世纪,菲涅尔发现大透镜在被分成小块后,能实现相同聚焦效果.后来人们将利用这种方法得到的光学元件都贯以菲涅尔的名字.20世纪60年代,太阳能利用先驱GiorgioFrancia将这种方法应用到太阳能反射聚光上,在意大利热那亚制作了一个太阳光聚集系统并将这种技术称为线性菲涅尔反射聚光技术lll.自线性菲涅尔反射聚光技术产生以来,已经经历了四个时期的发展和衍变:第一个时期,即2O世纪60年代的小型样机实验阶段.由GiorgioFrancia在意大利热那亚完成(图1)t”.第二个时期是20世纪7O年代.FMC公司首次将线性菲涅尔反射聚光技术向大型化发展,为美国能源部(DOE)提供了10MW和100MW线性菲涅尔反射聚光器的设计方案.第三个时期是20世纪90年代,其中代表有PAZ公司的设计和紧凑型线性菲涅耳反射器(CLFR)的设计21.PAZ公司研发了一种具有跟踪功能的线性菲涅尔反射聚光技术,并且接收器采用了具有高聚光效率的CPC.随后澳大利亚的一家公司发明了一种紧凑式线性菲涅尔反射(CLFR)聚光技术.第四个时期是21世纪最近10年,这一时期是线性菲涅尔反射聚光技术真正开始发展的时期.许图1GiorgioFrancia的线性菲涅尔反射聚光器多西欧,美国公司开始线性菲涅尔反射聚光技术大型化示范工程的研究和建设.这一时期的主要技术进步表现在耐高温吸收管和适合线性菲涅尔反射聚光镜场的直接蒸汽生成技术的提出及验证.目前皇明集团是世界上为数不多的能做耐高温,高压吸收钢管的公司之一,其钢管选择性涂层的耐温已稳定达到450:C,在空气中330C实验加速老化已经超过4000h.适合线性菲涅尔反射聚光镜场的直接蒸汽生成技术经国际上一些公司在各自示范工程中验证是可行的.这一时期建成的代表性工程有澳大利亚新南威尔士的5MW示范工程(图2),西班牙里歌的2MW示范工程(图3).另外,皇明公司已在山东德州着手建设2MW线性菲涅尔反射聚光技术的示范工程(图4),预计将于2010年底完成建设.该工程采用适合线性菲涅尔反射聚光镜场的直接蒸汽生成技术,实现太阳能热发电,空调制冷和工业用热的一体化设计.一SoLJRENERGY6/2010SOLARENERGY墼厘童堡鬯塑墅一一图2比利时的示范工程图3澳大利亚的示范工程图4皇明集团的2MW线性菲涅尔反射聚光技术示范工程(厂房顶部)三线性菲涅尔反射聚光技术简介线性菲涅尔反射聚光技术的原理起源于抛物槽式反射聚光技术,如图5所示.线性菲涅尔反射聚光器(图6)主要由主反射镜场,接收器和跟踪装置三部分组成.主反射镜场是由平面镜条组成的平面镜阵列,平面镜的长轴(即转动轴)在同一水平面内;跟踪装置使平面镜绕转动轴转动,实现跟踪太阳移动,平面镜的反射光会聚到接收器的受光口;接收器接收主反射镜的反射光,并使之会聚到吸收钢管上,使光能转化为热能.,一一/图5线性菲涅尔聚光的演化一一f图6线性菲涅尔反射聚光镜场原理图线性菲涅尔反射聚光技术与抛物槽式反射聚光技术的不同之处在于:(1)抛物槽式系统的镜面是曲面且面积很大,不易加工;线性菲涅尔式系统的镜面是平面,镜面相对较小,容易加工,成本较低.(2)线性菲涅尔式系统的每面镜条都自动跟踪太阳,相互之问可用联动控制,控制成本比槽式系统要低.(3)线性菲涅尔式系统镜场之间的光线遮挡较小,场地利用率高.(4)线性菲涅尔式系统的聚光比比相同场地的槽式系统要高,一般在5000之间.四线性菲涅尔反射聚光系统设.】反射式线性菲涅尔技术主要包含镜场布置,聚光集热,跟踪控制等方面的技术.1镜场布置太阳镜场设计包括主反射镜阵列设计,太阳跟踪设计和接收器设计.主反射镜阵列设计要考虑多种影响,包括反射余弦损失,反射光学误差,入射光遮挡和反射光遮挡.但是,到目前为止,线性菲涅尔反射聚光系统光热效率的计算和验证还处于实验阶段,还没有形成统一的评估线性菲涅尔反射聚光系统光热转换效率的方法和标准.从初期的实验研究中,皇明公司首次自主开发出了一种场地利用率的计算程序,该程序充分考虑反射余弦损失,反射光学误差,入射光遮挡和反射光遮挡的影响.2聚光集热接收器由内反射聚光镜和集热管组成.为了提高接收器的聚光集热效率,内反射聚光镜面设计为具有聚光特性的二次曲面面型.目前皇明集团研发的接收器内反射聚光镜面面型是槽型CPC结构,光一一一SOLARENERGY6/2010学聚光效率在90%以上,接收器的集热钢管采用皇明集团的专利产品镀膜钢管.3跟踪控制为使线性菲涅尔聚光集热系统在不同的季节,不同的日照时问都能够最大效率地采集太阳辐射能量,这就要求所有的反射镜组始终与太阳保持一个最佳角度,因此必须采用自动跟踪的控制系统.太阳季节性的变化对线性菲涅尔聚光集热系统的影响不大,一般来说,菲涅尔系统采用单轴跟踪的方式,单轴跟踪方式较双轴跟踪结构简单,成本降低.由于接收器处于镜场的垂直上方(5lOm),且接收的器的开口尺寸小于反射镜的宽度,太阳时刻处于运动状态,微小的控制误差就能大大降低聚光效率,再加上天气随时变化,因此全天候全自动高精度太阳跟踪装置的设计就成为一个难点.控制方式分为预设程序控制和光电传感控制.预设程序控制就是按照太阳运行规律计算反射镜的位置和角度,通过机械机构运动来控制镜轴的转动,但是由于机构的加工精度,磨损等原因造成累计误差,需要在结构上设计调整装置并定期进行校正.光电传感控制就是光电传感器即时采集,测量太阳光方向,经电路处理后控制机械机构运动,但光电传感跟踪控制方式的缺点是在多云或阴雨天气中找不到太阳的正确位置,需要人工干预调整.目前皇明集团研发并制作的线性菲涅尔聚光集热样机就是采用预设程序的控制方式,高精度的跟踪机构以及控制系统完全能即时跟踪太阳并将光线反射到吸收器内,实现了镜组的联动控制,大大降低了投入成(接19页)件的日发电量(功率对时间的积分)比值基本上是一条平行于横轴的直线,证明了设计方法的正确性.如果被测组件为性能不稳定的组件,它与参考组件日发电量的比值将是一条斜线.为评估各种技术生产的组件,设计试验周期为15年,希望第一年就能得到被测组件的功率和发电量随太阳辐射量的增加而下降的规律,从而预测出它的寿命年限,寿命年限乘以组件平均年发电量,再除以组件的成本即可得到该组件的发电量成本.如用冶金级硅材料(56N)制造的太阳电池组件的性能稳定性预计不到1年就可得到.光伏企业不断开发新产品,提高产品性能价格比,应当是永远的追求目标,而产品寿命预测则是一个重要辅助工具.璺笪匦本,同时自耗电低,运载能力大,能实现所有镜组同时水平,垂直放置.五线性菲涅尔聚光集热系统的应用前景线性菲涅尔聚光集热系统比塔式,槽式,碟式三种中高温集热系统更具优势,如:聚光比比槽式系统高,不但可以聚集直射光,还可以聚集部分散射光;菲涅尔式系统采用紧凑密排的方式,用地更合理,利用率更高(聚光面积与用地面积的比是1:1.2,而塔式达到1:5),可以在系统的下面建停车场,养殖场等,并且由于风阻力较小,可以将系统放置在楼顶安装,大大提高建筑的节能,热利用能力;另外,由于其结构简单,制作简单,易实现标准化,模块化,便于批量生产.线性菲涅尔聚光集热系统是最具潜力的太阳能中高温热发电热量采集系统,它不仅可以产生高温高压用于热发电,也可控制温度和压力,广泛适用于酒店,采暖,太阳能空调,纺织,印染,造纸,橡胶,太阳能沼气,海水淡化,食品加工,烘干,畜牧养殖场,农业生产等各种需要热水和热蒸汽的生产与生活领域,前景非常广阔,待开发的市场和领域很多.参考文献1】JeffreyGordon.Solarenergy:thestateoftheartIM.UK:JeffreyGordonJames&James(SciencePublishers).2001【2】DuffleJA,BeckmanWA.SolarEngineeringofThermalProcessesM.USA:AWileyIntersciencePublication,1991.【3夏敏文.热能工程设计手PdM.北京:化学工业出版社,1998.匪丑(2)最佳光伏能源系统的能量效率主要取决于所用组件的能量效率和它的”负载”(控制器,蓄电池和用电装置或并网逆变器)配备是否合理.(3)太阳日辐射量对光伏系统设计非常重要,而倾斜平面上的辐射量数据既是国家的能