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除了液体的溢 出

作者:admin发布时间:2020-11-29 06:05

  专家论述 太阳能槽式热发电技术综述 范兵 陈步亮 (北京天瑞星真空技术开发有限公司,北京 100029) 摘 要:本文简述了太阳能槽式热发电技术发展回顾,并对该技术进行了详细描述,对电站建设的影响因 素进行了分析,也对太阳能槽式热发电技术的发展做了一些展望。 关键词:槽式;太阳能;热发电;中高温太阳能集热管 The Overview of Parabolic Trough Solar Power Technologies FAN Bing, CHEN Buliang (CAST, Beijing 100029, China) Abstract: This paper summarizes the development of parabolic trough solar thermal power technologies, and describes these technologies in detail. Also, it analyzes the factors that influence the power plant construction. Furthermore, the future development trend of the parabolic trough solar thermal power technologies is predicted in this article. Keywords: SPT; Solar Thermal Power Technology; Solar Tube 中图分类号: TM65 文献标识码: B 文章编号: 029-273(200)04-0009-06 0 序言 国外对太阳能利用研究起步较早,可以追 溯到19世纪80年代,20世纪初已开始在工业中应 用。目前,美国、以色列、澳大利亚、德国等国 家是太阳能利用大国,也是槽式太阳能热发电技 术的强国。 以色列鲁兹(LUZ)公司是槽式太阳能热发电 技术应用的典范,在1985~1991年间,美国在南 加州先后建成9座槽式太阳能热发电站,总装机容 量354MW,年发电总量10.8亿度,发出的电力可 供50万人使用。随着技术不断发展,系统效率由 起初的11.5%提高到13.6%。每千瓦电能装机容 量的投资已由6 000美元降至2 000多美元;电费由 每度24美分降至7.5~8.5美分。目前是世界上规 模最大、成效最高的太阳能发电工程。大多数电 站已在商业模式下运行超过20年。 2005年,在美国内华达州利用太阳能槽式 热发电技术兴建了“内华达太阳能一号”太阳能 电站,该电站采用了德国肖特公司生产的总长为 72千米的中高温太阳能线MW,电站发电足以满足40 000户家庭的生活用 电,是继南加州9个354MW太阳能槽式热发电站 之后又一所新电站。 加利福尼亚州的太阳能热发电站,在过去的 二十几年里已经输出了几十亿千瓦时的发电量, “内华达太阳能一号”电站,将应用新技术从太 阳获取更多的能源。 收稿日期:2010-02-10 9 第13卷第4期 2010年4月 POWER SUPPLY TECHNOLOGIES AND APPLICATIONS Vol.13No.4 Apr2010 示意了在有些电站中可以采用热存储系 统,也可以采用电能存储系统(如蓄电 池、超级电容器等),目的是为了获得 太阳能连续发电,实现清洁的发电系 统。 2 太阳能槽式热发电技术 1)槽式太阳能集热场 槽式太阳能集热场主要由中高温 太阳能真空集热管、抛物线型反射镜、 槽式支架、对日跟踪系统以及柔性过渡 管构成。整体结构示意图如图2所示。 图1 太阳能槽式热发电电站运行原理图 (1)中高温太阳能真空集热管 中高温太阳能真空集热管是Luz 公司槽式太阳能集热器设计中提高集热效率的主 要原因之一。中高温太阳能真空集热管是采用内 管为表面镀制了金属陶瓷太阳能选择性吸收涂层 的不锈钢管,外管是透射率高、结构强度大的玻璃 管,通过过渡管连成一体,将中间夹层空气排空形 成真空,从而提高了集热管的集热性能。过渡管 是由金属-玻璃复合结构组成并且实现了真空封 接的一个密闭结构,真空封装主要是为了保护在 高温工作条件下的太阳能选择性吸收涂层的性能 同时降低热量损失。集热管的线Pa, 选择性吸收涂层是采用真空溅射镀膜的方式制备 的。“内华达太阳能一号”太阳能电站中使用的 太阳能集热管是肖特公司生产的PTR70,其选择 1 电站概述 图1所示是代表了典型的槽式抛物面太阳能 电站结构示意图,太阳能集热场采用单轴对日跟 踪系统的槽式抛物面集热器阵列。每一个集热器 均组装多片抛物线型反射镜,负责将直射太阳光 聚焦到位于抛物线焦点线的中高温太阳能真空集 热管上。从早晨到傍晚的阳光,会被连续地聚集 在集热管上,连续在集热管中流动的导热介质将 热量不断地输送到一个高温高压过热蒸汽发生器 中,通过换热器进行热量交换。高温高压的热蒸 汽被输送到低参数蒸汽发电机组中,从而产生电 力,通过变电站后输送到电网上。从蒸汽机中排 出的热蒸汽被压缩到一个标准的冷凝器中然后回 到热蒸汽发生器中,再次被加热成为闭环系统不 断循环的热蒸汽。同样,完成热交换的导热介质 也将被返回到集热场中再次被加热。 在夏季,太阳能电站可以满负荷工作10~12 小时。当然,为了使电站能够连续工作,一般都 会采用化石能源来补充,也就意味着在太阳能不 够充足的时间段里,可以利用化石能与太阳能共 同来发电。在图1所示的系统里,使用化石能源 进行加热的导热介质和太阳能集热场加热的导热 介质是并列运行的,或者也可以在高温高压热交 换器里直接采用化石能源来补充实现热蒸汽的加 热。上述过程发生在黄昏和夜晚时间段。图1中还 图2 槽式太阳能集热场 0 专家论述 性吸收涂层吸收率可以达到0.96,在400℃下其发 射率小于0.15,外部玻璃管的内外表面均涂镀了 抗反射涂层,用来减少玻璃管表面光反射的热量损 失。为了吸收热态工作过程中产生的氢原子和弥 漫在真空夹层中的其它气体分子,在整个集热管 密封前,固定一定数量的吸气剂, 用以保持集热 管夹层的真空度,提高集热管的使用寿命和集热效 率。 北京天瑞星真空技术开发有限公司经过十多 年的技术积累,在2009年底成功研制出了拥有自 主知识产权的中高温太阳能线所 示。该集热管采用了金属-玻璃过渡封接结构,金 属管直径70mm,玻璃管外径125mm。 除了膜层之外,集热管的另一个难点在与 金属与玻璃的真空封接。由于国内常用的不锈钢 材料与玻璃材料的线膨胀系数相差较大,两者无 法实现直接真空密封封接,必须要在这两者之间 加一种过渡材料,我们选择了可伐合金,主要是 由于可伐合金在一定温度范围内的热膨胀系数与 玻璃接近,必须要找到线膨胀系数相互匹配的可 伐合金与玻璃才可以。最终,经过将近一年的努 力,公司在2009年终于找到了线 中高温太阳能真空集热管结构示意图 图4 太阳能选择性吸收涂层结构 经过多次试验,中高温太阳能吸热涂层Nb +NbN,底层为Nb涂层,中间为Nb+NbN,最 外层是NbN 膜。其中,膜层的吸收率大于等于 0.93,发射率为0.10~0.15(400℃),涂层结构见 图4。 的玻璃与可伐合金,并取得了封接试验的成功。 (2)抛物线型反射镜 抛物线型反射镜是指利用热弯成型技术制备 的与抛物线曲线相吻合的玻璃板,并在玻璃板的 一面涂镀反射性能良好反射涂层,为防止反射层 被破坏,影响反射性能,需要进行防护处理。上 述反射板被槽式支架固定支撑。反射镜是用光学 性能良好的低铁玻璃制成的,在专用热弯成型设备 中,运用精密的抛物面型模具在高温下制作而成。 利用特殊的黏结剂把反射板与陶瓷件固定到一 起,通过陶瓷件将反射板固定在集热器的槽式支 架上,获得了良好的整体结构性能。上述反射镜可 以将97%左右的垂直太阳入射光聚集到槽式抛物面 的轴线位置,也就是中高温太阳能集热管所在的 位置。 北京天瑞星线年 成功研制出抛物线所示,反射镜 的背面镀制了铝膜,并在铝膜表面又涂覆了保护 由于金属管表面镀制的中高温太阳能选择性 吸收涂层的性能好坏直接影响到整个集热系统的 效率,因此在2005年,公司与北京航空航天大学 的理化中心合作,共同承担了中高温太阳能选择 性吸收涂层Nb+NbN热稳定性及其机理研究的 国家自然科学基金课题(批准号:50471004)。底 层为铌膜,中间两层为Nb+NbN,最外层是NbN 膜。其中,铌膜采用直流平面磁控溅射技术, NbN 膜层采用孪生靶技术涂镀,电源采用中频脉 冲电源。中间两层Nb+NbN是光学吸收膜,最上 层的NbN是增透膜,底层的铌膜是低辐射膜层。 中间两层Nb+NbN中铌含量的变化是通过调整工 艺参数实现的。该涂层技术已经在批量样品镀制 上获得成功,需要进一步进行研发完成在大工件 样品上镀制均匀,并且保证其性能不降低,以实 现批量工业化镀制。  第13卷第4期 2010年4月 POWER SUPPLY TECHNOLOGIES AND APPLICATIONS Vol.13No.4 Apr2010 围绕着固定方向的水平轴进行对日跟踪旋转。旋 转轴位于集热器的重心位置,将跟踪旋转的驱动能 耗降低到最小,从而节省能源。跟踪系统采用闭 环控制以及精密的传感器,使对日跟踪的精度达到 ±0.1° 。每排太阳能集热器上安装有一套独立的 跟踪控制系统。 (5)柔性过渡管 柔性过渡管是用于解决旋转的中高温太阳 能真空集热管与静止的导热油连接管道之间的连 图5 抛物线型反射镜 接,主要用于解决转动过程中两者不同步导致的 受力变形问题。在槽式太阳能热发电技术早期的 设计中采用波纹管连接来解决,但是由于使用频 繁而出现了许多问题,后来采用了球关节来代 替,明显地降低了问题的出现。在南加州的第3个 到第7个电站中,采用的就是球关节连接。球关 节-硬管组合件具有成本低、管道压力低,管道热 损小的优点。 2)汽轮发电机组 (1)低参数汽轮发电机组 汽轮机是将蒸汽的能量转换为机械功的旋转 式动力机械,是蒸汽动力装置的主要设备之一, 将它与发电机相连就可以组成汽轮发电机组。 由于太阳能产生的蒸汽参数较低,从节能方面考 虑,需要利用低参数的汽轮发电机组。在国内低 参数汽轮发电机组是一种较成熟的产品,属于常 规机械。国内两家低参数汽轮发电机组参数比较 见表1,表中发电机组功率为1MW。 涂层。在使用的过程中,发现此膜层的反射率需 要提高,通过对比试验,决定将铝膜改为银膜, 来进一步提高反射镜的反射率。 (3)槽式支架 由于单元太阳能集热器外形尺寸大,整体跨 度较大,这就需要设计结构强度大的槽式支架。 受太阳能热发电站建设位置的限制,太阳能集 热场要在较恶劣的自然环境下工作,特别是风的 影响。大部分太阳能集热系统具有25mph的抗风 性,部分设计中抗风性能提高到了35mph,当风 速达到70mph的时, 所有槽式支架被旋转到一定 的角度,从而保护集热场系统。 天瑞星公司根据北京特有的地域环境设计了 集热场的槽式支架,如下图6所示,此支架结构牢 固,但有其限制性。考虑到集热系统的实用性, 需要对现有结构进行优化设计,从而使降低成 本,并便于运输。 表1 低参数汽轮发电机组性能参数 厂家 进气压力 进气温度 转换 蒸汽流量 外形尺寸(m) (Mpa) (℃) 效率 (t/h) 350 346 75 2.5×6×2.5 65 3.8×2.4×2 33 20 淄博桑特 0.5~1.0 动力 杭州汽轮 1.3 动力集团 (2)独立系统 图6 槽式支架结构示意图 独立的太阳能槽式发电系统是指除太阳能能 源外没有任何能源与之复合,此类系统受天气影 响严重,容易对电网进行冲击,加大电网的不稳 定性,并且在停止一段时间后再次启动需要进行 (4)对日跟踪系统 在跟踪太阳光的时间段内,槽式太阳能集热器 2 专家论述 一定的能量积累集热场才能工作,因此许多独立 系统都加入热存储系统。 (3)复合系统 ①燃气复合循环系统 太阳能(燃气)复合循环系统是采用槽式太阳 能发电和一个燃气加热系统复合循环的电站。此 系统可以获得更加可观的利润,由于这一系统革 新了原有的太阳能光热发电系统,降低了成本, 提高了太阳能利用效率。此复合系统利用燃气加 热系统补充了太阳能不充足情况下的发电所需的 能量,从而增加了蒸汽发电机的发电能力。大多 数的设计中可以通过上述方法增加发电机一倍的 发电能力。 ②煤复合系统 在太阳能资源丰富而又已经建造有煤的火力 发电站的地方,槽式抛物太阳能电站可以用来降 低煤的消耗(以煤为主方式)或者增加在太阳能不充 足情况下的发电能力,非常像燃气复合循环系统 的概念。由于现代化的火力发电厂一般采用更高 的温度和压力条件,所以太阳能蒸汽一般作为中 间热能或配备低压力的发电机组。 ③其他能源复合系统 太阳能热发电站除了可以与燃气、燃煤等发 电系统复合发电外,也可以与秸秆发电或酒精发 电等其他能源进行复合发电,该类能源为绿色能 源,产生的污染物少,是以后发展的方向,我们 可以在这些方面多进行一些研究和实验。 最少。 2)水 水的有效利用是重要的一个课题,特别是在 干旱的地区建设太阳能电站时。大约90%的水消 耗发生在电站的冷却塔方面。水的消耗其实是与 正常的蒸汽发电站相同的,因为任何的发电机都 需要一个湿的冷却塔用来辅助系统的导热介质循 环。干式冷却塔也可以使用,并且显著地降低了 水的消耗,然而,这将使电站的发电效率减少大 约10%左右。电站废水的处理也是一个课题。热蒸 汽循环以及冷却塔系统等排放出来的废水,一般 输送到一个专用的蒸发池,然后再进行处理。 3)土地 槽式太阳能电站所使用的大量土地,是不能 够被其它工程同时使用的。因此用于建设电站的 土地,最好是一块不适合农业用地的闲置土地, 同时周围也没有什么遮挡物,或者使用休耕的农 田,而周围又被普通农田所包围。 4 太阳能槽式热发电技术展望 1)先进的槽式太阳能集热场 对于槽式太阳能集热场而言,一个非常重要 的改进是对于单轴水平方向的集热器,沿着对日 的方向抬高一个倾角,LUZ公司在Luz-4型集热 器中,将水平角提高的一个8度的仰角,从而使得 发电效率提高了9%。同时集热管的太阳能选择性 吸收涂层也是改进的重点,不断提高其吸收率以 及降低它的发射率是提高整个集热场的效率的关 键因素,随着技术的进步,集热管的整个结构也 许会有更好的创意。 2)项目发展探讨 在使用太阳能电站的地方,一定会带动当地 的环境和消费。例如电站中涉及到的建筑,人员 的雇佣,可再生能源对环境的改善,太阳能主题 公园的建设等等,以及政府税收的优惠等,无疑 地都会促进当地的经济。 3)复合发电系统 目前对于槽式技术的太阳能电站的讨论焦 点,集中在对集热器的改进和传统蒸汽发电机的 3 槽式太阳能电站影响因素 1) 导热介质溢出/泄漏 在集热系统运行过程中,有时会出现导热介 质溢出或者泄露,因此需要慎重选择导热介质, 一方面要提高导热介质的稳定性,另一方面要降 低导热介质的污染性。当溢出发生的时候, 土壤 被污染,必须进行合适的分解或稀释,使得土壤 中的油浓度达到可以接受的水平。除了液体的溢 出, 在正常的运行期间,还会有一些油的蒸汽从 阀门或泵的密封处挥发出来,即使这些蒸汽发射 的气味可以被接受,但是还是应当将泄露降低到 3 第13卷第4期 2010年4月 POWER SUPPLY TECHNOLOGIES AND APPLICATIONS Vol.13No.4 Apr2010 整体循环使用方面。虽然复合循环系统的思路使 得人们在可以将太阳能槽式技术与传统的化石能 源独立发电技术之间,给出了一个可供选择的方 案,但是倘若要真正独立地为全球的能源危机做 出更大的贡献的话,还是要对现有的槽式技术进 行不断的发展和提高,真正在将来成为人类的一 个主要能源获得渠道。为了实现这些长期的目标, 必须开发更大容量的高效率低参数蒸汽发电机 组,同时开发高效低成本的热储存技术,从而不 断地提高年度的电站输出能力。 4)直通蒸汽发电机 在直通蒸汽发电机观念中,蒸汽是在槽式集 热器中被直接产生的。这个方法避免了使用热交 换器,从而降低了从导热介质到热蒸汽之间的热 量损失,相应地提高了光热转换效率。这样由于 降低了系统平均运行温度,也改进了能量传输路 径,因而提高了太阳能的发电效率。不过由于较 高的蒸汽压力和很低的流速,需要对集热管进行 一些必要的改进。上述原因还会导致集热场的控 制会变得相对复杂。显然,直通蒸汽发电机的设 计比现有的导热介质系统拥有了更多的优势,但 是带来的一些问题尚需解决。 5)未来的技术展望 2015年的技术将会使得太阳能-电的转换效 率再提高6%,原因在于新型的集热器的效率的提 高。热存储系统可以使热能有效存储10个小时以 上,而且由太阳能而产生的电力可以满足电站年 发电容量的50%以上。更多的太阳能必须被在使用 之前预先存储起来,因此热存储系统的高效利用 将会对年度的电站性能带来很大的提高。年度的 太阳能转化为电的净效率可以达到14.6%。 2025~2035年将会比2015年的水平提高 5%~10%。继续提高太阳能槽式热电站的发电效 率,主要将是由于使用太阳能直接产生热蒸汽的 直通蒸汽发电机技术。直通蒸汽发电机技术直接 提高了从太阳能集热场到蒸汽发电机的传输效 率,不再借用导热介质,也没有热交换器的热 损,同时使热蒸汽的温度得以进一步的提高。而 且由于不再使用导热介质专用的热泵,因而太阳 能的系统固定占有热能得到大幅度的降低。尽管 回流的热水还是需要用水泵送回到集热场,不过 这种情况下的水的流量将变的很低。 5 结束语 现有的槽式太阳能热发电技术经过了数十 年的技术积累,在结构和效率方面已经有了很大 的改进及提高,但是目前要让太阳能槽式发电真 正成为发电能源的主力军,还有很长的一段路要 走,集热场效率的进一步提高,通过对中高温太 阳能真空集热管、抛物线型反射镜、槽式支架、 对日跟踪以及柔性过渡管等等部件的不断完善, 不断革新,对热交换系统以及热存储系统的进一 步研究等等,都需要我们继续为之奋斗,相信在 不久的将来,槽式太阳能热发电将会代替大部分 常规能源成为发电的主要能源。 作者简介 范兵(1965-),男,中国空间技术研究院、北京天瑞 星真空技术开发有限公司副总经理、高级工程师,主要从 事太阳能光热利用的应用研究,在太阳能热发电和太阳能 中高强蒸汽利用方面拥有多项专利技术,在此研发方面开 展了大量研发工作,取得一定成绩。 陈步亮(1967-),男,北京天瑞星真空技术开发有限 公司总经理,中国空间技术研究院高级工程师,中国高科 技产业化研究会可再生能源专委会成员。主要从事有关太 阳能中高温光热利用技术的研发工作。负责承担了有关太 阳能中高温利用领域的国家自然科学基金课题,国家863 攻关课题等。在国内外学术期刊发表文章数十篇。 美国加州的SEGS3太阳能电站 4

  

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