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  • 盤點光熱發(fā)電系統(tǒng)槽式集熱器發(fā)展史 未來方向在更大尺、輕量化?

    2018-07-31 15:15:19 北極星太陽能光伏網(wǎng)  點擊量: 評論 (0)
    槽式光熱發(fā)電是當(dāng)前最成熟的太陽能熱發(fā)電形式,全球已運行的光熱電站項目一半以上都采用槽式技術(shù)。作為光熱的“元老”,從全球最早的商業(yè)化光熱電站SEGS系列到如今中東北非的DEWA,NOORo系列槽式電站,槽式技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了三十多年的發(fā)展。

    槽式光熱發(fā)電是當(dāng)前最成熟的太陽能熱發(fā)電形式,全球已運行的光熱電站項目一半以上都采用槽式技術(shù)。作為光熱的“元老”,從全球最早的商業(yè)化光熱電站SEGS系列到如今中東北非的DEWA,NOORo系列槽式電站,槽式技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了三十多年的發(fā)展。

    在這三十多年的發(fā)展當(dāng)中,槽式的關(guān)鍵系統(tǒng)經(jīng)歷了哪些優(yōu)化呢?

    我們以關(guān)鍵的光熱轉(zhuǎn)化系統(tǒng)----“槽式集熱器”,來一窺其發(fā)展的方向。槽式集熱器是將太陽輻射轉(zhuǎn)化為熱能的關(guān)鍵系統(tǒng),處于光熱電站的能量轉(zhuǎn)換的最前端。

    一、早期階段:LS-1,LS-2和LS-3槽式集熱器

    20世紀(jì)80年代,Luz公司在美國加州SEGS系列光熱電站上采用了自研的槽式集熱器。按研發(fā)投產(chǎn)時間,分為LS-1,LS-2和LS-3三種類型。其中LS-2有1985/1988年兩個版本,基本參數(shù)相同,但提高了集熱管的吸收率使得后者光學(xué)效率有提高。這三種集熱器相關(guān)參數(shù)見下表:

    圖1.LS-2背部結(jié)構(gòu)(來源:阿本戈,2013)

    圖1.LS-2背部結(jié)構(gòu)(來源:阿本戈,2013)

    從Luz的三種槽式集熱器可以明顯看出,為了降低成本,提高光學(xué)效率,集熱器尺寸越來越大,開口寬度、單集熱單元長度幾乎翻了一倍,反射鏡背部的金屬支撐結(jié)構(gòu)也在不斷優(yōu)化。

    二、現(xiàn)階段:多種集熱器百花齊放

    Luz公司于1991年宣告破產(chǎn),之后槽式集熱器進入了百花齊放、群雄割據(jù)的局面。1998年,歐洲的一些公司聯(lián)合進行歐槽(Eurotrough)項目的研發(fā)。之后,各個有實力的公司都在嘗試發(fā)展自己的槽式集熱器技術(shù)和專利,而其中大部分是基于歐槽改進、優(yōu)化而來的。可參閱下表:

    可以看到,在光學(xué)性能表現(xiàn)方面,由于大部分集熱器尺寸基本相同且搭配的集熱管運行溫度上限在390°C,因此光學(xué)效率并沒有大的提高。更多的改動在于:

    1、反射鏡支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化——經(jīng)過優(yōu)化的扭矩管、扭矩盒或者空間桁架式支撐結(jié)構(gòu),能夠加強對反射鏡的支撐強度,增加抗風(fēng)性,提高集熱器的耐受性。如歐槽和SKAL-ET150采用的扭矩盒加懸臂式支撐結(jié)構(gòu),E-2采用了空間桁架式,SENERTrough則采用了扭矩管加魚骨式支撐結(jié)構(gòu)。

    2、減少現(xiàn)場組裝工時——能夠降低集熱器在現(xiàn)場安裝的工時,縮短工期,提高效率。

    3、模塊化、輕量化設(shè)計——模塊化、輕量化的設(shè)計能夠降低安裝難度,提高安裝速率,同時也方便各類部件的運輸,降低成本。

    圖3.PSA試驗園區(qū)內(nèi)的原型歐槽(Eurotrough)集熱器(來源:Luepfert,DLR)

    圖4.亞利桑那州Solana電站的E-2槽式集熱器(來源:阿本戈,2013)

    圖5.SEGS電站中試驗型SKAL-ET150集熱器(來源:NREL,2007)

    圖6.SENERTrough(來源:Kearney,2007)

    以上集熱器可廣泛見于當(dāng)前在運行的槽式電站中:

    三、未來發(fā)展:輕量化、更大尺寸的集熱器

    在常規(guī)尺寸、常規(guī)開口的集熱器大量應(yīng)用之后,如何進一步提高光學(xué)效率,降低成本成為了下一代集熱器發(fā)展的方向。

    目前來看,有幾種類型的集熱器已被運用到最新型的槽式光熱電站當(dāng)中,如下表所示:

    圖7.Skytrough集熱器(來源:Skyfuel公司)

    圖8.HELIOTube集熱器(來源:Heliovis,2017)

    圖9.NOOR2項目的SENERTrough2集熱器(來源:SENER,2018)

    圖10.終極槽試驗回路(來源:Flabeg)

    圖11.SpaceTube試驗型集熱器(來源:阿本戈,2013)

    這些集熱器都運用在當(dāng)下最新的槽式電站當(dāng)中,可見,下一階段的集熱器發(fā)展正朝向更大尺寸、更大開口寬度的方向在發(fā)展。這可以從幾個方面來解釋:

    1、槽式技術(shù)為了得到更高的熱電轉(zhuǎn)換效率,提高光場出口蒸汽溫度參數(shù)勢在必行。傳統(tǒng)的聯(lián)苯-聯(lián)苯醚導(dǎo)熱油溫度區(qū)間和上限都不高,因此新型更高溫度傳熱介質(zhì)(如熔鹽槽式技術(shù))受到了越來越多的關(guān)注。更大尺寸、更大開口寬度的集熱器能夠搭配更大管徑的真空集熱管,進一步提高熱效率。

    2、這種集熱器能夠縮小集熱器的組裝復(fù)雜程度,能夠大幅減少液壓驅(qū)動、管道、閥門、連接、控制跟蹤等部件,減少回路數(shù)量,進而減少土地使用面積,削減成本。

    3、為了降低安裝難度,提高裝配效率,大尺寸集熱器必然朝向部件標(biāo)準(zhǔn)化、輕量化、堅固化來發(fā)展。例如,奧地利Heliovis公司采用的薄膜充氣式集熱器,避免了復(fù)雜的鋼結(jié)構(gòu)支撐,輕量、安裝和運輸簡便;美國Skyfuel公司的Skytrough集熱器也采用高分子聚合物鍍膜來取代玻璃反射鏡,大大降低了安裝的成本。

    圖12.歐槽、Heliotrough和終極槽的比較(來源:SBP,2016)

    總而言之,集熱器作為槽式光熱技術(shù)關(guān)鍵的部件之一,在槽式光熱的發(fā)展歷程中也在不斷的優(yōu)化自身,在結(jié)構(gòu)、尺寸、安裝等方面不斷進步,使得槽式技術(shù)始終在穩(wěn)步發(fā)展。槽式集熱器的這種自我蛻變和突破或許也能夠解釋,為何槽式光熱發(fā)電歷經(jīng)三十多年的驗證而依舊穩(wěn)定,且愈發(fā)成熟。

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    責(zé)任編輯:蔣桂云

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