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        線聚光太陽(yáng)能集熱器發(fā)展綜述

        2016-03-29 07:27:49黃建新唐梓彭新疆華電苦水風(fēng)電有限責(zé)任公司新疆哈密839000華電電力科學(xué)研究院浙江杭州30030
        發(fā)電技術(shù) 2016年1期
        關(guān)鍵詞:綜述

        黃建新,唐梓彭,魏 超(.新疆華電苦水風(fēng)電有限責(zé)任公司,新疆哈密839000;.華電電力科學(xué)研究院,浙江杭州30030)

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        線聚光太陽(yáng)能集熱器發(fā)展綜述

        黃建新1,唐梓彭2,魏超2
        (1.新疆華電苦水風(fēng)電有限責(zé)任公司,新疆哈密839000;2.華電電力科學(xué)研究院,浙江杭州310030)

        摘要:線聚光太陽(yáng)能集熱器在太陽(yáng)能光熱發(fā)電、工業(yè)用熱以及民用太陽(yáng)能供熱與制冷等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。本文綜述了兩類典型線聚光太陽(yáng)能集熱器:拋物面槽式集熱器(PTC)與線性菲涅爾反射器(LFR)的發(fā)展與現(xiàn)階段應(yīng)用狀況,并對(duì)線聚光集熱器在我國(guó)未來(lái)的應(yīng)用前景進(jìn)行了討論。

        關(guān)鍵詞:槽式太陽(yáng)能集熱器;線性菲涅爾反射器;綜述

        0 引言

        聚光式太陽(yáng)能集熱器主要依靠反光鏡聚光器反射太陽(yáng)光,并于接收器處形成聚光帶,達(dá)到聚光集熱的目的。按聚光帶形狀不同,可分為點(diǎn)聚光型與線聚光型兩類。

        線聚光太陽(yáng)能集熱器主要包括拋物面槽式集熱器(Parabolic trough collector,PTC)以及線性菲涅爾反射器(Linear Fresnel reflector,LFR)。PTC通過(guò)拋物面狀聚光器跟蹤太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)軌跡,并將入射到聚光面的太陽(yáng)光線(直射輻射)反射并聚集至聚光器拋物面中心線處,形成條狀聚光帶;而LFR則借用菲涅爾透鏡原理,將連續(xù)拋物面狀聚光器簡(jiǎn)化為數(shù)量不等的多條獨(dú)立平面反光鏡,并采用各個(gè)反光鏡單元單獨(dú)跟蹤追日的方法進(jìn)行聚光。相較而言,LFR通過(guò)平面反光鏡元陣列實(shí)現(xiàn)了與PTC連續(xù)拋物面相近的聚光效果,簡(jiǎn)化了鏡面結(jié)構(gòu),降低了制造難度和成本。但是由于LFR反射鏡元間普遍存在遮擋影響以及其本身結(jié)構(gòu)造成的更大的光學(xué)損失,PTC的光學(xué)與熱效率一般要高于LFR[1]。PTC與LFR的工作原理如圖1所示。

        線聚光太陽(yáng)能集熱器的最高運(yùn)行溫度可達(dá)400℃,因此多應(yīng)用于中高溫太陽(yáng)能聚光發(fā)電(如圖2所示),此類集熱器的研究歷程也與太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的起源與發(fā)展密切相關(guān)。國(guó)外學(xué)者對(duì)線聚光太陽(yáng)能集熱器的研究起步很早,同時(shí)得到了眾多實(shí)際應(yīng)用項(xiàng)目的支持。在我國(guó),線聚光太陽(yáng)能集熱器的研究在2000年左右才進(jìn)入比較快速的發(fā)展階段,但由于缺少應(yīng)用項(xiàng)目的支持以及我國(guó)太陽(yáng)能集熱器產(chǎn)業(yè)自身的不足,研究多以理論計(jì)算、經(jīng)濟(jì)性分析、進(jìn)展調(diào)研以及小型實(shí)驗(yàn)為主。近年來(lái),國(guó)內(nèi)一些太陽(yáng)能聚光發(fā)電實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的出現(xiàn),為線聚光太陽(yáng)能集熱器在我國(guó)的發(fā)展提供了新的機(jī)遇。

        1 PTC與LFR的發(fā)展與現(xiàn)狀

        1.1 PTC

        1870年,美國(guó)工程師John Ericsson建立了一套聚光面積3.52m2的PTC系統(tǒng),并使用其作為熱源驅(qū)動(dòng)一臺(tái)功率373W的小型熱機(jī)[3],該試驗(yàn)系統(tǒng)標(biāo)志著PTC技術(shù)發(fā)展的開(kāi)端。其后30年間,Ericsson對(duì)PTC系統(tǒng)進(jìn)行了多次不同方面的實(shí)驗(yàn)研究,并開(kāi)始積極推進(jìn)PT技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用。然而,Ericsson的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與推廣計(jì)劃因其于1889年去世而中斷。1912年,另一位美國(guó)工程師Frank Shuman在埃及開(kāi)羅附近的Meadi建立了世界上第一套大型PTC集熱系統(tǒng)[3],并第一次采用了玻璃外殼的集熱管。其系統(tǒng)聚光總面積達(dá)1250m2,并在實(shí)驗(yàn)中測(cè)得了40.7%的峰值集熱效率。1915年,由于第一次世界大戰(zhàn)的爆發(fā),以及當(dāng)時(shí)世界化石能源供應(yīng)充足,Shuman的PTC電力計(jì)劃最終被終止。

        二十世紀(jì)四十年代前后,西方學(xué)者重新對(duì)PTC以及其集熱系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與理論研究,并為西方國(guó)家七十年代開(kāi)始的太陽(yáng)能聚光發(fā)電商業(yè)化打下了基礎(chǔ)。1975年前后,Honeywell International Inc與U.S. Government’s Sandia National Laboratories聯(lián)合設(shè)計(jì)并建造了美國(guó)最早的兩臺(tái)真正意義上面向商業(yè)化運(yùn)行的PTC,并對(duì)它們進(jìn)行了性能測(cè)試。同一時(shí)期,針對(duì)PTC聚光器制造工藝的研究也發(fā)展起來(lái)。Michael[4]與D. L. Evans[5]于七十年代后期對(duì)PTC的理論傳熱模型進(jìn)行了初步研究并做出了運(yùn)行效率預(yù)測(cè),但尚未對(duì)充分考慮實(shí)際運(yùn)行情況。

        二十世紀(jì)八十年代開(kāi)始,聚光太陽(yáng)能發(fā)電(Concentrated Solar Power,CSP)技術(shù)開(kāi)始進(jìn)入商業(yè)化階段,而其中最具代表性、技術(shù)發(fā)展最成熟、應(yīng)用最廣泛的便是PTC技術(shù)。1984~1989年,Luz International Ltd設(shè)計(jì)并制造了LS1~LS3三種型號(hào)的PTC(如圖3所示)并相繼應(yīng)用于美國(guó)的Solar Electric Generating System(SEGS)系列電力項(xiàng)目。1992年,Solel Belgium(現(xiàn)稱Solel Solar Systems Ltd)并購(gòu)了Luz International Ltd,隨后推出了LS4型的PTC試驗(yàn)機(jī),但并未投入實(shí)際應(yīng)用。這一期間,涉及PTC的研究多以LS1~LS3型集熱器為基礎(chǔ)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試或理論分析。九十年代后期,采用PTC的太陽(yáng)能電力在歐洲也開(kāi)始獲得重視并開(kāi)始快速發(fā)展。Fichtner Solar以及Flabeg SolarInt等歐洲研究機(jī)構(gòu)或企業(yè)結(jié)成聯(lián)合體,并合作推進(jìn)了新一代PTC(EuroTrough collector)的研制,目的是為了替代當(dāng)時(shí)的LS3型集熱器,并于1998年前后推出了ET-100與ET-150系列的新PTC。EuroTrough改進(jìn)了先前同類集熱器結(jié)構(gòu)重量大、占地面積大、運(yùn)輸與維護(hù)成本高等問(wèn)題,提高了PTC的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。到2003年,第三代EuroTrough集熱器(SKAL-ET)已在美國(guó)SEGS-V電站投入實(shí)際運(yùn)行。同一時(shí)期,SENER(西班牙)、Italian National Environmental& Renewable Research Centre(意大利)以及Solarlite(德國(guó))等西方企業(yè)或研究機(jī)構(gòu)也推出了面向聚光太陽(yáng)能發(fā)電項(xiàng)目的的PTC。

        隨著采用PTC的聚光太陽(yáng)能發(fā)電技術(shù)的日益成熟,更多的學(xué)者開(kāi)始對(duì)PTC的基礎(chǔ)理論開(kāi)展更深入的研究,而我國(guó)學(xué)者對(duì)PTC的研究也與2000年前后開(kāi)始出現(xiàn)。王志峰[6],對(duì)單軸跟蹤形式的PTC進(jìn)行了光學(xué)分析,并對(duì)集熱管內(nèi)流體的混合對(duì)流和傳熱過(guò)程進(jìn)行了探討;Forristall[7]等,通過(guò)更深入的傳熱研究與考慮各類影響因子的作用,得到了更精確但復(fù)雜的PTC效率公式,并建立了相關(guān)的接收器集熱管熱力學(xué)模型;Riffelmann[8]等對(duì)采用拋物面熱流掃描儀對(duì)PTC聚焦平面上的熱流分布進(jìn)行了測(cè)量,并以此來(lái)進(jìn)行光學(xué)誤差的分析;肖杰等[9]對(duì)PTC系統(tǒng)的聚光特性進(jìn)行了模擬研究,并得出了PTC集熱管內(nèi)熱流的分布特性;Soteris A. Kalogirou[10]對(duì)PTC集熱器的傳熱機(jī)理進(jìn)行了詳細(xì)分析,考慮了三種傳熱形式,并借助EES建立了PTC的詳細(xì)傳熱模型;東朝陽(yáng)[11]等優(yōu)化了的PTC的熱力學(xué)模型,并分析了影響集熱器熱效率的主要因素。

        由于西方國(guó)家成熟的太陽(yáng)能聚光發(fā)電應(yīng)用項(xiàng)目的支持,PTC高溫光熱利用技術(shù)已獲得了相對(duì)充分的研究。在其他中低溫太陽(yáng)能光熱利用領(lǐng)域中,例如太陽(yáng)能吸收式制冷,PTC也得到了一定程度的利用。但整體來(lái)看,由于其他中低溫太陽(yáng)能集熱器的競(jìng)爭(zhēng),以及PTC本身制造成本高、占地空間大以及更適宜大規(guī)模系統(tǒng)應(yīng)用等特點(diǎn),太陽(yáng)能光熱發(fā)電仍將是PTC技術(shù)的主要利用領(lǐng)域。表1列出了有代表性的PTC聚光太陽(yáng)能電站。

        表1 采用PTC技術(shù)的的聚光太陽(yáng)能電站[3]

        1.2 LFR

        與起源于十九世紀(jì)的PTC技術(shù)相比,LFR技術(shù)的起源要晚得多。意大利學(xué)者Giovanni Francia[12]最早于1962年左右提出了LFR的設(shè)計(jì)并付諸實(shí)驗(yàn)。圖4所示為Francia設(shè)計(jì)并試驗(yàn)的FLR。隨后多數(shù)針對(duì)LFR技術(shù)的研究都與美國(guó)US Central Receiver項(xiàng)目有關(guān),并主要以跟蹤技術(shù)的研究為主。1979年,Di Canio[13]等設(shè)計(jì)了一套10MW至100MW的線性菲涅爾聚光太陽(yáng)能電站并進(jìn)行了詳細(xì)研究,試驗(yàn)研究的成功標(biāo)志了LFR發(fā)電技術(shù)商業(yè)化的開(kāi)端。

        2000年,Mills與Morrison[14]提出緊湊式線性菲涅爾反射器(Compact Linear Fresnel Reflector,CLFR)概念(如圖5所示),這種新概念改進(jìn)了傳統(tǒng)LFR因反射鏡相互遮擋而造成效率降低的問(wèn)題,并已經(jīng)投入澳大利亞Liddell電站(如圖6所示)的實(shí)際運(yùn)行。其后,隨著LFR技術(shù)越來(lái)越多的被西方國(guó)家的聚光太陽(yáng)能電站采用,更多針對(duì)LFR技術(shù)的深入研究開(kāi)始出現(xiàn)。Reynolds等[15]對(duì)采用梯形接收器的LFR系統(tǒng)的熱損失情況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)與理論研究,其計(jì)算熱損失比實(shí)驗(yàn)熱損失低約40%,顯示了LFR運(yùn)行中外界不確定性因素的影響。M. Lin等[16]對(duì)采用V型接收器腔體的LFR系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究,得到了其集熱效率隨腔體溫度的變化情況。F.J. Pino等[17]對(duì)單軸跟蹤式LFR系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,研究了其使用水為工質(zhì)時(shí)的熱性能,并驗(yàn)證了其模型的準(zhǔn)確性。R. Abbas等[18]提出了新的高聚光率LFR系統(tǒng),同時(shí)闡述了LFR技術(shù)在CSP電站領(lǐng)域中的優(yōu)勢(shì)與發(fā)展前景。

        我國(guó)學(xué)者對(duì)LFR技術(shù)的研究在近年來(lái)也開(kāi)始出現(xiàn)。山東大學(xué)的宋固[19]與車淑萍[20]分別針對(duì)LFR的集熱性能與光學(xué)性能做了理論分析,并進(jìn)行了基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)研究。杜春旭等[21]對(duì)LFR的反射鏡元跟蹤策略進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算以及實(shí)驗(yàn)研究,得到了不同季節(jié)、不同時(shí)間下LFR反射鏡元跟蹤傾角的具體數(shù)值與變化趨勢(shì)。Jia He 等[22]討論了典型LFR集熱器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化方案,并分析了反射鏡單元與接收器高度等參數(shù)的選定對(duì)集熱器性能的影響。

        現(xiàn)階段,LFR技術(shù)已經(jīng)成為具有競(jìng)爭(zhēng)力的聚光太陽(yáng)能集熱技術(shù),在CSP電力領(lǐng)域中已成為十分具有競(jìng)爭(zhēng)力的技術(shù)方案。在其他太陽(yáng)能光熱利用領(lǐng)域中,LFR技術(shù)還沒(méi)有得到重視。表2列出了現(xiàn)有的采用LFR或CLFR技術(shù)的聚光太陽(yáng)能電站[23]。

        表2 采用LFR或CLFR技術(shù)的的聚光太陽(yáng)能電站

        2 線聚光太陽(yáng)能集熱器的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

        現(xiàn)階段,面向太陽(yáng)能聚光發(fā)電的PTC與LFR技術(shù)已經(jīng)獲得了較為全面的發(fā)展,并在世界范圍內(nèi)的許多太陽(yáng)能電站得到了應(yīng)用。但是,在線聚光太陽(yáng)能集熱器未來(lái)的發(fā)展中,仍有一些值得繼續(xù)研究與改進(jìn)的方面:

        (1)降低集熱器成本。線聚光太陽(yáng)能集熱器的主要部件:反射器鏡面、金屬支撐結(jié)構(gòu)以及跟蹤系統(tǒng)造成了此類集熱器比非聚光集熱器高得多的制造與維護(hù)成本。通過(guò)改進(jìn)反射器鏡面制造工藝、優(yōu)化支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及采用新材料等手段來(lái)有效減少此類集熱器的制造成本,降低采用線聚光集熱器系統(tǒng)的初始投資,將提升此類集熱器應(yīng)用技術(shù)在未來(lái)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

        (2)提高集熱能力。集熱能力是太陽(yáng)能集熱器最關(guān)鍵的評(píng)價(jià)指標(biāo)。線聚光太陽(yáng)能集熱器在實(shí)際運(yùn)行中由于太陽(yáng)位置的實(shí)時(shí)變動(dòng)以及環(huán)境因素的影響,造成了其光學(xué)性能變化與集熱損失。而跟蹤精準(zhǔn)度、反射器聚光效果以及接收器集熱效果也對(duì)整體集熱性能有很大影響。通過(guò)優(yōu)化跟蹤追日策略、改進(jìn)反射器光學(xué)設(shè)計(jì)以及提高集熱管保溫隔熱能力等手段以提升線聚光集熱器的集熱能力,使之在不同溫度的太陽(yáng)能光熱利用范圍內(nèi)均可有更有效地運(yùn)行。

        (3)拓展應(yīng)用范圍。線聚光太陽(yáng)能集熱器不僅適用于高溫太陽(yáng)能聚光發(fā)電,在中低溫太陽(yáng)能熱利用領(lǐng)域也有著很好的應(yīng)用前景。在諸如區(qū)域型太陽(yáng)能供熱制冷等領(lǐng)域中,線聚光太陽(yáng)能集熱器均可得到有效利用。而拓展應(yīng)用范圍的經(jīng)濟(jì)與技術(shù)關(guān)鍵正如(1)、(2)所述,這三點(diǎn)構(gòu)成了相互關(guān)聯(lián)與影響的整體,也是線聚光太陽(yáng)能集熱器未來(lái)發(fā)展的主要方向。

        3 結(jié)語(yǔ)

        我國(guó)針對(duì)聚光太陽(yáng)能集熱器的研究與應(yīng)用較晚,但近年來(lái)隨著國(guó)家政策對(duì)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的支持以及國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展,一些應(yīng)用線聚光太陽(yáng)能集熱器的試驗(yàn)項(xiàng)目開(kāi)始出現(xiàn)。2010年起,我國(guó)已計(jì)劃在寧夏、甘肅以及海南等地建立數(shù)個(gè)PTC太陽(yáng)能發(fā)電試驗(yàn)項(xiàng)目[24],線聚光太陽(yáng)能集熱器將在我國(guó)未來(lái)的太陽(yáng)能光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)中發(fā)揮重要作用。在電力應(yīng)用以外,國(guó)內(nèi)近年來(lái)也出現(xiàn)了一些采用PTC技術(shù)的中低溫太陽(yáng)能集中熱水、供熱與制冷系統(tǒng)工程,但由于缺少相關(guān)建設(shè)與檢測(cè)技術(shù)規(guī)范以及國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能集熱器制造業(yè)技術(shù)水平的不足,線聚光太陽(yáng)能集熱器在我國(guó)的實(shí)際應(yīng)用仍未形成規(guī)模,市場(chǎng)占有率也很低。對(duì)我國(guó)而言,建立一套適用于線聚光集熱器的工程、檢測(cè)與設(shè)計(jì)規(guī)范以及繼續(xù)提升太陽(yáng)能制造業(yè)的整體技術(shù)水平將成為未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)需要首先解決的問(wèn)題。

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        修回日期:2016-01-04

        A Review of Linear Concentrated Solar Collectors’Development

        HUANG Jian-xin1,TANG Zi-peng2,WEI Chao2
        (1. Huadian Xinjiang Kushui Wind Power Co.,Ltd,Hami 839000,China;2. Huadian Electric Power Research Institute,Hangzhou 310030,China)

        Abstract:Linear concentrated solar collectors have a wide prospect of applications in aspects like solar thermal power generation,industrial heat supply or domestic solar heating and cooling. This paper focused on two kinds of linear concentrated solar collectors which are Parabolic Trough Collector,PTC and Linear Fresnel Reflector,LFR. Their developments and applications were reviewed and their future application prospect in China was discussed.

        Key words:parabolic trough collector;linear fresnel reflector;review

        收稿日期:2015-11-02

        作者簡(jiǎn)介:黃建新(1965-),男,四川樂(lè)至人,副總工程師,主要從事新能源管理、安全生產(chǎn)管理等工作。

        中圖分類號(hào):TK512

        文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

        文章編號(hào):2095-3429(2016)01-0021-05

        DOI:10.3969/J.ISSN.2095-3429.2016.01.005

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