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 15:15:19 北极星太阳能光伏网　点击量：评论 (0)

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-1，LS-2和LS-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）

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-ET150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。