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盘点光热发电系统槽式集热器发展史 未来方向在更大尺、轻量化?

2018.07.31 来自:CSP Focus 光略咨询

槽式光热发电是当前最成熟的太阳能热发电形式,全球已运行的光热电站项目一半以上都采用槽式技术。作为光热的“元老”,从全球最早的商业化光热电站SEGS系列到如今中东北非的DEWA,NOORo系列槽式电站,槽式技术已经经历了三十多年的发展。

 

在这三十多年的发展当中,槽式的关键系统经历了哪些优化呢?

 

我们以关键的光热转化系统----“槽式集热器”,来一窥其发展的方向。槽式集热器是将太阳辐射转化为热能的关键系统,处于光热电站的能量转换的最前端。

 

一、早期阶段:LS-1LS-2LS-3槽式集热器

 

20世纪80年代,Luz公司在美国加州SEGS系列光热电站上采用了自研的槽式集热器。按研发投产时间,分为LS-1,LS-2和LS-3三种类型。其中LS-2有1985/1988年两个版本,基本参数相同,但提高了集热管的吸收率使得后者光学效率有提高。这三种集热器相关参数见下表:



图1. LS-2背部结构(来源:阿本戈,2013


图1. LS-2背部结构(来源:阿本戈,2013


从Luz的三种槽式集热器可以明显看出,为了降低成本,提高光学效率,集热器尺寸越来越大,开口宽度、单集热单元长度几乎翻了一倍,反射镜背部的金属支撑结构也在不断优化。

 

二、现阶段:多种集热器百花齐放

 

Luz公司于1991年宣告破产,之后槽式集热器进入了百花齐放、群雄割据的局面1998年,欧洲的一些公司联合进行欧槽(Eurotrough)项目的研发。之后,各个有实力的公司都在尝试发展自己的槽式集热器技术和专利,而其中大部分是基于欧槽改进、优化而来的。可参阅下表:



可以看到,在光学性能表现方面,由于大部分集热器尺寸基本相同且搭配的集热管运行温度上限在390°C,因此光学效率并没有大的提高。更多的改动在于:

 

1、反射镜支撑结构优化——经过优化的扭矩管、扭矩盒或者空间桁架式支撑结构,能够加强对反射镜的支撑强度,增加抗风性,提高集热器的耐受性。如欧槽和SKAL-ET 150采用的扭矩盒加悬臂式支撑结构,E-2采用了空间桁架式,SENERTrough则采用了扭矩管加鱼骨式支撑结构。

 

2、减少现场组装工时——能够降低集热器在现场安装的工时,缩短工期,提高效率。

 

3、模块化、轻量化设计——模块化、轻量化的设计能够降低安装难度,提高安装速率,同时也方便各类部件的运输,降低成本。


图3. PSA试验园区内的原型欧槽(Eurotrough)集热器(来源:Luepfert,DLR


图4. 亚利桑那州Solana电站的E-2槽式集热器(来源:阿本戈,2013


图5. SEGS电站中试验型SKAL-ET150集热器(来源:NREL,2007


图6. SENERTrough(来源:Kearney,2007

 

以上集热器可广泛见于当前在运行的槽式电站中:



三、未来发展:轻量化、更大尺寸的集热器

 

在常规尺寸、常规开口的集热器大量应用之后,如何进一步提高光学效率,降低成本成为了下一代集热器发展的方向。

 

目前来看,有几种类型的集热器已被运用到最新型的槽式光热电站当中,如下表所示:



图7. Skytrough集热器(来源:Skyfuel公司)


图8. HELIOTube集热器(来源:Heliovis,2017


图9. NOOR2项目的SENERTrough2集热器(来源:SENER,2018


图10. 终极槽试验回路(来源:Flabeg


图11. SpaceTube试验型集热器(来源:阿本戈,2013


这些集热器都运用在当下最新的槽式电站当中,可见,下一阶段的集热器发展正朝向更大尺寸、更大开口宽度的方向在发展。这可以从几个方面来解释:

 

1、槽式技术为了得到更高的热电转换效率,提高光场出口蒸汽温度参数势在必行。传统的联苯-联苯醚导热油温度区间和上限都不高,因此新型更高温度传热介质(如熔盐槽式技术)受到了越来越多的关注。更大尺寸、更大开口宽度的集热器能够搭配更大管径的真空集热管,进一步提高热效率。


2、这种集热器能够缩小集热器的组装复杂程度,能够大幅减少液压驱动、管道、阀门、连接、控制跟踪等部件,减少回路数量,进而减少土地使用面积,削减成本。

 

3、为了降低安装难度,提高装配效率,大尺寸集热器必然朝向部件标准化、轻量化、坚固化来发展。例如,奥地利Heliovis公司采用的薄膜充气式集热器,避免了复杂的钢结构支撑,轻量、安装和运输简便;美国Skyfuel公司的Skytrough集热器也采用高分子聚合物镀膜来取代玻璃反射镜,大大降低了安装的成本。


图12. 欧槽、Heliotrough和终极槽的比较(来源:SBP,2016


总而言之,集热器作为槽式光热技术关键的部件之一,在槽式光热的发展历程中也在不断的优化自身,在结构、尺寸、安装等方面不断进步,使得槽式技术始终在稳步发展。槽式集热器的这种自我蜕变和突破或许也能够解释,为何槽式光热发电历经三十多年的验证而依旧稳定,且愈发成熟。


光热发电相关活动:2018 CSP Focus光热发电创新大会(10月25-26 上海/西安)



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