抛物面槽式太阳能发电系统
Parabolic Trough Solar Power System
太阳能热发电系统主要由集热系统、热传输与交换系统、发电系统组成。

聚光集热系统

槽式太阳能热发电系统采用槽型抛物面反射镜聚光来会聚热量发电的,主要由槽型抛物面反射镜、集热管、跟踪机构组成。反射镜一般由玻璃制造,背面镀银并涂保护层,也可用镜面铝板或镜面不锈钢板制造反射镜,反射镜安装在反光镜托架上。槽型抛物面反射镜将入射太阳光聚焦到焦点的一条线(焦线)上,焦线上聚集了高达80倍的太阳辐射,在焦线上装有集热管。图1是槽型抛物面槽式集热器示意图。

槽型抛物面集热器

图1--抛物面槽式集热器示意图
 
真空集热管
真空集热管采用直通形式,内有金属吸热管,用来吸收太阳光加热内部的传热液体,一般用不锈钢制作,管外壁外有黑色吸热涂层。为了减小热量散发,集热管外层装有玻璃套管,在玻璃套管与吸热管间有空隙并抽真空。由于玻璃管与金属吸热管的膨胀系数相差较大,而且两管的温度也不同,玻璃管与金属吸热管间的熔接封装技术很重要,一般采用波纹管制成的膨胀节来过渡。膨胀节装在玻璃管内的称为内膨胀真空集热管,见图2(A)图;膨胀节装在玻璃管两端外侧的称为外膨胀真空集热管,见图2(B)。

内膨胀真空集热管,外膨胀真空集热管

图2--内膨胀真空集热管与外膨胀真空集热管

图3是网上的一张真空集热管的照片。

真空集热管

图3--真空集热管

 
空腔集热管

空腔集热管的工作原理是利用空腔体的黑体效应,充分吸收聚焦后的阳光。空腔集热管的结构为一圆管,外表面包裹隔热材料,在圆管柱面长度方向开一窄缝,形成一柱形腔体。图4左图是空腔集热管与聚光镜,为了提高空腔体的黑体效果,开缝较窄,限制了入射光的角度,不像真空集热管采用短焦距,而采用长焦距聚光镜来聚集。

空腔集热管中的传热液体导管主要有两种结构,图4中图与右图是两种空腔集热管的截面图。中图的液体导管是月牙形管,图中浅蓝色表示传热液体,称这种为月牙形空腔集热管。右图则是采用多根细圆管排在空腔管的内壁,细圆管是液体导管,称这种空腔集热管为组排空腔集热管

长焦距聚光,空腔集热管

图4--长焦距聚光与空腔集热管
腔体式接收器不需要抽真空,不需要涂光学选择性涂层,没有玻璃和金属的封接,仅采用传统的材料和制造工艺,制造成本较低,便于维护。但是腔体式接收管的开缝较窄,对聚光精度、跟踪精度、安装精度要求都较高。
聚光集热系统的布置

集热管通过接收器支架反射镜固定在一起构成槽式集热器,在反光镜托架上有与集热管平行的,集热器通该轴安装在集热器支架上,可绕轴旋转。

槽式集热器的跟踪方式一般采用东西轴向布置,只需定期调整仰角,机构简单方便但效率较低;也可南北轴向布置,单轴跟踪阳光,需自动跟踪控制系统,效率较高;如果集热器转轴与地球转轴平行效率更高,如果同时保证集热管与阳光垂直则效率最高,但结构复杂,集热管的管间连接也复杂。

太阳能热发电需配一套蒸汽发电设备,适合较大的发电场,功率一般都在MW级以上,接受阳光的面积也很大,多达数万平米,所以槽式太阳能热发电场是由许多槽式集热器串并连组成,图5是网上的一张槽式太阳能热发电场照片。

槽式太阳能热发电场

图5--槽式太阳能热发电场
 
热传输与交换系统

此前槽式太阳能热发电系统多是采用导热油流动传热工质,集热系统工作温度较低,致使发电机组的效率远低于常规火电站。采用熔融盐作为高温传热储热介质,可以将工作温度提升到550℃以上,在聚光集热条件相同的前提下,能大幅提高电站的发电效率与年发电量。下面介绍的系统是采用熔融盐作为高温传热储热介质。有关导热油为流动传热工质的系统在《抛物面槽式太阳能发电系统(提高)有介绍。

550℃的熔盐介质能产生535℃的过热蒸汽,发电效率比导热油介质高许多。熔融盐一般采用60% 硝酸钠和40% 硝酸钾混合熔盐液体。

熔盐液进入集热场温度略高于200℃,槽式集热器把熔盐液加热到至550℃。由于槽式太阳能热发电系统的热传输管道特别长,为减小热量损失,管道外要有保温材料、输送管道要尽量短

系统采用双罐储热系统,有冷熔盐储罐热熔盐储罐,为维持系统稳定运行,熔盐储罐的容量要足够大。

集热场出口输送来的550℃熔盐液直接进入热熔盐罐,通过热熔盐泵把550℃的熔盐液输入到蒸汽发生器,把进入热交换器的水加热成535℃的高温蒸汽,水蒸气去推动蒸汽轮机旋转带动发电机发出电来。在热交换器释放热量后的熔盐液约200℃,输入到冷熔盐罐冷罐熔盐泵把熔盐液输送到集热场入口,进入集热管加热。系统基本组成见图6。

蒸汽发生器主要由预热器蒸汽发生器过热器再热器组成,有关具体介绍见《抛物面槽式太阳能发电系统 (提高)

在云彩挡住阳光时,热熔盐罐仍可提供稳定的热熔盐液,保证系统稳定运行。大型熔盐罐可保证夜间也能发电。

抛物面槽式太阳能发电系统框图

图6--抛物面槽式太阳能发电系统框图

长时间没有阳光时,需开启辅助加热器来加热熔盐,此时三通调节阀打开到辅助加热器的通道,冷熔盐罐的熔盐液在辅助加热器加热后输送到热熔盐罐,维持系统的运行。辅助加热器一般采用燃气加热。

发电系统

蒸汽发生器输出的过热蒸汽送往蒸汽轮机发电,从蒸汽轮机排出的水蒸汽经冷凝器转为水,再由给水泵送往热交换器,再次产生过热蒸汽推动蒸汽轮机。发电机发出的电经变压器转换成高压电输送到电网

下面请在线观看槽式太阳能热发电系统原理3D动画,动画中的管式热交换装置模型外壳用半透明显示。

抛物面槽式太阳能发电系统原理动画
 
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