槽式太阳能热发电系统

2013-05-08 17:18:08   来源：孙如军 德州学院清洁能源研究与技术推广中心主任教授   评论：0 点击：396

摘要：该文介绍了槽式太阳能热发电的原理、技术类型和系统的组成，系统各组成部分及特点也做了简要的介绍，该文还详细介绍了槽式聚光集热器的组成及各组成部件尤其是接收器和跟踪系统的结构形式、特点及参数，使人们能准确、详细地了解槽式太阳能热发电系统。

关键词：槽式太阳能热发电聚光集热器跟踪系统

槽式太阳能热发电系统全称为槽式抛物面反射镜太阳能热发电系统，是将多个槽型抛物面聚光集热器经过串并联的排列，加热工质，产生高温蒸汽，驱动汽轮机发电机组发电。

一、槽式太阳能热发电系统的工作原理

槽式太阳能热发电系统的原理：采用只向一个方向弯曲的抛物面槽形镜面集热器将太阳光聚焦到位于焦线的中心管上，使管内的传热工质(油或水)加热至350~390℃，然后被加热的传热介质经热交换器产生过热蒸汽，过热蒸汽推动常规汽轮发电机发电。

二、槽式太阳能热发电系统采用的技术

1、中温技术：以导热油为载热（熔融盐）工质，在＜400oC集热，通过换热产生蒸汽发电。

中温（带储能）太阳能热发电技术示意图

2、高温技术：以混合硝酸盐为载热工质，在≤550oC集热，通过换热产生蒸汽发电。

高温（带储能）太阳能热发电技术示意图

3、DSG直接蒸汽技术：直接以水为工质，通过集热管加热产生蒸汽发电。

根据采用技术的不同，槽式太阳能热发电系统又形成了单回路系统和双回路系统两种不同的系统形式。

单回路系统双回路系统

三、槽式太阳能热发电系统的组成

槽式太阳能热发电系统由聚光集热系统、热传输系统、蓄热与热交换系统、发电系统、辅助能源系统等组成。

１．聚光集热系统：是系统的核心，由聚光镜、接收器和跟踪装置构成。接受器主要有两种：真空管式和腔式；跟踪方式采用一维跟踪，有南北、东西和极轴三种方式。

２．热传输系统：由预热器、蒸汽发生器、过热器和再热器组成。当系统工质为油时，采用双回路，即接收器中工质油被加热后，进入换热系统中产生蒸汽，蒸汽进入发电系统发电。直接采用水为工质时，可简化此系统。

３．发电系统：基本组成与常规发电设备类似，但需要配备一种专用装置，用于工作流体在接收器与辅助能源系统之间的切换。

４．蓄热与热交换系统：太阳能热发电系统在早晚或云遮间隙必须依靠储存的能量维持系统正常运行。蓄热的方法主要有显式、潜式和化学蓄热三种方式。   ５．辅助能源系统：在夜间或阴雨天，一般采用辅助能源系统供热，否则蓄热系统过大会引起初始投资的增加。

四、槽式聚光集热器

1、槽式聚光集热器组成

由抛物线沿轴线旋转形成的面称为旋转抛物面，由抛物线向纵向延伸形成的面称为抛物柱面（槽式抛物面），在工业应用中称槽式聚光镜。在凹面覆上反光层就构成抛物面聚光器。根据光学原理，与抛物镜面轴线平行的光将会聚到焦点上，焦点在镜面的轴线上，见下图（a）。把接收器安装在反射镜的焦点上，当太阳光与镜面轴线平行时，反射的光辐射全部会聚到接收器，见下图（b）。

槽式聚光镜反射的光线是会聚到一条线（带）上，故集热器的接收器是长条形的，一般由管状的接收器安装在柱状抛物面的焦线上组成。槽式聚光集热器的聚光比范围约20至80，最高聚热温度约300度至400度。

槽式太阳能聚光集热器的结构主要由槽型抛物面反射镜、集热管、跟踪机构组成。反射镜一般由玻璃制造，背面镀银并涂保护层，也可用反光铝板制造反射镜，反射镜安装在反光镜托架上。槽型抛物面反射镜将入射太阳光聚焦到焦点的一条线上，在该条线上装有接收器的集热管，见图1。

集热管内有吸热管，用来吸收太阳光加热内部的传热液体，一般用不锈钢制作，外有黑色吸热涂层。为了减小热量散发，集热管外层装有玻璃套管，在玻璃套管与吸热管间有空隙并抽真空。集热管通过接收器支架与反射镜固定在一起构成槽式集热器，反光镜托架上有与集热管平行的轴，集热器通该轴安装在集热器支架上，可绕轴旋转。

常见槽式集热器集热系统性能描述：

槽式集热器集光比Φ=60：1

集热直通管镀层外表层温度额定状况下230℃

集热直通管镀层内层温度额定状况下200℃

太阳能槽式集热器集热效率η=0.55

太阳辐射为750w/m2时，集热管内部集热能量流密度ρ=1.2kw/m

导热油在设计流量下，在金属管内流动压力设计：

导热油在蒸发器出口温度为70℃，在蒸发器入口温度为153℃（换热温差20℃）；

集热系统温升83℃，导热油设计质量流量为16T/h；

金属管内设计平均流速为0.51m/s；

在金属管内的压力损失1.5bar

2、真空管式接收器

真空管式接收器的结构图

真空管接收器的优点是金属管与玻璃管之间不存在对流热损，玻璃管外径较小且透明，从而既减少了对阳光的遮影，也通过增大热阻降低了外表面的对流热损；有选择性涂层的金属管壁对阳光的吸收率很高，但发射率却非常低。

真空管接收器的缺点是由于玻璃和金属的热膨胀系数不同，玻璃管与金属管之间存在温差，造成中温时(略低于350℃)真空封口处的玻璃容易脆裂，从而难以在室外环境下长期维持真空度；在中温时光学选择性涂层容易老化和脱落，难以长期维持大规模光学选择性吸收表面的热稳定性。

真空管式接收器的指标：

3、空腔集热管接收器

工作原理：利用空腔体的黑体效应，充分吸收聚焦后的阳光；

优点：集热效率高，不用抽真空；没有玻璃和金属的封接；集热管壁不要涂层；热性能可以长期保持稳定。

缺点：加工工艺复杂

4、腔体式接收器

腔体式接收器的结构为一柱形腔体，外表面覆隔热材料，由于腔体的黑体效应，使其能充分吸收聚焦后的阳光。腔体式接收器主要适用于长焦聚光器。

腔体式接收器的优点：

①吸热过程不是发生在最强聚焦区，而是在聚焦过后和发射时，并以较大的内表面积向工作流体传热，致使和真空管吸收器相比具有较低的投射辐射能流密度；

②腔体壁温较均匀，可减小与流体之间的温差，使开口的有效温度降低，从而最终使热损降低；

③经优化设计的腔体式接收器，热性能比真空管接收器稳定，在同样情况下，工作介质平均温度大于230℃时，腔体式接收器既不需要抽真空，也不需要涂光学选择性涂层，仅采用传统的材料和制造工艺；

④成本低和便于维护也是腔体式接收器的特性。

5、槽式反射镜

槽式系统的反射镜为抛物面反射镜,反射镜由反射材料、基材和保护膜构成,根据基材的不同主要分为玻璃镜和反光铝板。基材为玻璃的玻璃镜,常以反射率较高的银或铝作为反光材料,在银或铝反光层背面再喷涂一层或多层保护膜。槽式反射镜要有一定的弯曲度,因此曲面镀银镜加工工艺较平面镜要复杂得多。

不同工艺反射镜的反射率：

A金属板基铝反射镜反射率（reflectivity）?0.83–0.87

B聚合物基铝或银反射镜反射率（reflectivity）?0.84–0.93

C厚玻璃银反射镜反射率（reflectivity）?0.935

D金属复合薄玻璃银反射镜反射率（reflectivity）?0.95

E玻璃复合薄玻璃银反射镜反射率（reflectivity）?0.95

6、聚光集热器跟踪系统

槽式聚光集热器的跟踪系统属于单轴式跟踪系统。

在聚光集热器自动跟踪方案中主要有两种跟踪形式：光电跟踪和定时跟踪。

光电跟踪：利用光敏电阻在光照时阻值发生变化的原理，将光敏电阻安装在太阳能聚光器下方边缘处，太阳光垂直照射时，光敏电阻受聚光器的遮挡接收不到光照，没有信号输出，电机不转动；当太阳光倾斜入射时，光敏电阻输出偏差信号，使电机带动反射镜转动完成跟踪。

定时跟踪：根据太阳在天空每分钟的运动角度，计算出太阳能聚光器每分钟应转动的角度，从而确定出电机的转速，使得聚光器根据太阳的位置而相应变动。这种方法采用程控系统。

由于以上两种形式都有不同的缺点存在，现在大多实行传感系统和程控系统结合的控制方式。传感系统和程控系统相结合的控制方式即采用定时法原理进行程序控制，同时利用传感器对聚光器进行实时监测和定位，以消除由机械结构等因素引起的累计误差。

常见聚光集热器跟踪设备性能介绍：

智能单轴跟踪器

使用寿命 使用寿命10年以上

制造材料 主机有铝塑外壳，铝合金探头

产品精度 (光学)驱动间隔4min，1度

产品功率 0.8w

配套电机最大功率 500w

夜间自动归位 自动归位

抗干扰性介绍 抗光干扰极强，无论阴晴，工作稳定可靠

驱动类型

精密电机驱动高精度蜗轮蜗杆。

设计  厚度 25（mm）

用途 太阳能跟踪驱动 外径 244（mm）

体积规格 小型 内径d 125（mm）

滚动体列数 单列 重量 6（kg）

载荷方向 轴向、径向、倾翻 材质 42CrMo

滚道类型 四点接触球 滚动体类型 盘型

五、热传输与交换系统

根据不同的导热液，槽式集热器把导热液加热到不同温度，一般为400度左右，由于槽式太阳能热发电系统的热传输管道特别长，为减小热量损失，管道外要有保温材料、管道要尽量短；长长的管路需泵传输来推动导热液的循环，要设法减小导热液泵功率，导热液可用苯醚混合液、加压水混合液、导热油等液体，传热方式可直接传热也可采用相变传热。

导热液通过热交换器把水加热成300度左右的蒸汽，水蒸气去推动蒸汽轮机旋转带动发电机发出电来，热交换器有板式、管式等多种结构。可能云彩会挡住阳光，为保证系统稳定运行，在系统中要有储热装置，一般有高温储热罐与低温储热罐等。对于低温会冻结的导热液，必须有辅助加热器维持导热液温度避免冻结。若需要在太阳能不足时也能供电，就要在系统上并联天然气(或其它能源)锅炉，保证汽轮机正常运行。

六、蓄热系统

由于太阳能受季节、昼夜和气象条件的影响，为保证发电系统的热源稳定，需设置蓄热装置。

蓄热温度分为低温、中温、高温和及高温四类：低温（500℃）；极高温(1000℃左右)。

相对应的蓄热材料分别是：水化盐、导热油、熔化盐和氧化锆耐火球。

蓄热方式：显热蓄热、潜热蓄热和化学蓄热。

1、显热蓄热

介质：水、油、岩石、砂、砾石，人工制造的氧化铝球，

特点：价格低，易得到，热容量小。

2、潜热蓄热

特点：利用物质的潜热蓄热，单位容积的蓄热量很大，蓄热装置可望小型化。

蓄热介质需具备以下特点：具备几千次可逆蓄释热循环性鞥；价格便宜；不腐蚀容器。

3、化学蓄热

特点：蓄热量大，单位储能的体积小，质量轻，化学反应物可分别储存。

蓄热介质需具备以下特点：蓄热和释热反应可逆，无副作用；反应速度快；反应生成物易分离，且能稳定储存；价格便宜；反应物和生成物无毒，无腐蚀，无可燃性；反应热大。

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