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盤點光熱發電係統槽式集熱器發展史 未來方向在更大尺、輕量化?

时间:2018-07-31     【转载】   来自:CSPFOCUS

AG亚游集团光伏訊:槽式光熱發電是當前最成熟的太陽能熱發電形式,全球已運行的光熱電站項目一半以上都采用槽式技術。作為光熱的“元老”,從全球最早的商業化光熱電站SEGS係列到如今中東北非的DEWA,NOORo係列槽式電站,槽式技術已經經曆了三十多年的發展。


    在這三十多年的發展當中,槽式的關鍵係統經曆了哪些優化呢?

    AG亚游集团以關鍵的光熱轉化係統----“槽式集熱器”,來一窺其發展的方向。槽式集熱器是將太陽輻射轉化為熱能的關鍵係統,處於光熱電站的能量轉換的最前端。

   一、早期階段:LS-1,LS-2和LS-3槽式集熱器

20世紀80年代,Luz公司在美國加州SEGS係列光熱電站上采用了自研的槽式集熱器。按研發投產時間,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,基本參數相同,但提高了集熱管的吸收率使得後者光學效率有提高。這三種集熱器相關參數見下表:

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圖1.LS-2背部結構(來源:阿本戈,2013)

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圖1.LS-2背部結構(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構也在不斷優化。


    二、現階段:多種集熱器百花齊放


    Luz公司於1991年宣告破產,之後槽式集熱器進入了百花齊放、群雄割據的局麵。1998年,歐洲的一些公司聯合進行歐槽(Eurotrough)項目的研發。之後,各個有實力的公司都在嚐試發展自己的槽式集熱器技術和專利,而其中大部分是基於歐槽改進、優化而來的。可參閱下表:

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    可以看到,在光學性能表現方麵,由於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,因此光學效率並沒有大的提高。更多的改動在於:

     1、反射鏡支撐結構優化——經過優化的扭矩管、扭矩盒或者空間桁架式支撐結構,能夠加強對反射鏡的支撐強度,增加抗風性,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構,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構。

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

     3、模塊化、輕量化設計——模塊化、輕量化的設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。

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

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


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


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圖6.SENERTrough(來源:Kearney,2007)


以上集熱器可廣泛見於當前在運行的槽式電站中。


    三、未來發展:輕量化、更大尺寸的集熱器

     在常規尺寸、常規開口的集熱器大量應用之後,如何進一步提高光學效率,降低成本成為了下一代集熱器發展的方向。

     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中,如下表所示:


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圖7.Skytrough集熱器(來源:Skyfuel公司)


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圖8.HELIOTube集熱器(來源:Heliovis,2017)


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


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圖10.終極槽試驗回路(來源:Flabeg)


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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下最新的槽式電站當中,可見,下一階段的集熱器發展正朝向更大尺寸、更大開口寬度的方向在發展。這可以從幾個方麵來解釋:

    1、槽式技術為了得到更高的熱電轉換效率,提高光場出口蒸汽溫度參數勢在必行。傳統的聯苯-聯苯醚導熱油溫度區間和上限都不高,因此新型更高溫度傳熱介質(如熔鹽槽式技術)受到了越來越多的關注。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複雜程度,能夠大幅減少液壓驅動、管道、閥門、連接、控製跟蹤等部件,減少回路數量,進而減少土地使用麵積,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準化、輕量化、堅固化來發展。例如,奧地利Heliovis公司采用的薄膜充氣式集熱器,避免了複雜的鋼結構支撐,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。


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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關鍵的部件之一,在槽式光熱的發展曆程中也在不斷的優化自身,在結構、尺寸、安裝等方麵不斷進步,使得槽式技術始終在穩步發展。槽式集熱器的這種自我蛻變和突破或許也能夠解釋,為何槽式光熱發電曆經三十多年的驗證而依舊穩定,且愈發成熟。


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