盤點光熱發(fā)電系統(tǒng)槽式集熱器發(fā)展史 未來方向在更大尺、輕量化？

:槽式光熱發(fā)電是當前最成熟的太陽能熱發(fā)電形式，全球已運行的光熱電站項目一半以上都采用槽式技術。作為光熱的“元老”，從全球最早的商業(yè)化光熱電站SEGS系列到如今中東北非的DEWA，NOORo系列槽式電站，槽式技術已經(jīng)經(jīng)歷了三十多年的發(fā)展。

在這三十多年的發(fā)展當中，槽式的關鍵系統(tǒng)經(jīng)歷了哪些優(yōu)化呢？

我們以關鍵的光熱轉(zhuǎn)化系統(tǒng)----“槽式集熱器”，來一窺其發(fā)展的方向。槽式集熱器是將太陽輻射轉(zhuǎn)化為熱能的關鍵系統(tǒng)，處于光熱電站的能量轉(zhuǎn)換的最前端。

一、早期階段：LS-1，LS-2和LS-3槽式集熱器

20世紀80年代，Luz公司在美國加州SEGS系列光熱電站上采用了自研的槽式集熱器。按研發(fā)投產(chǎn)時間，分為LS-1，LS-2和LS-3三種類型。其中LS-2有1985/1988年兩個版本，基本參數(shù)相同，但提高了集熱管的吸收率使得后者光學效率有提高。這三種集熱器相關參數(shù)見下表：

圖1.LS-2背部結(jié)構(gòu)（來源：阿本戈，2013）

圖1.LS-2背部結(jié)構(gòu)（來源：阿本戈，2013）

從Luz的三種槽式集熱器可以明顯看出，為了降低成本，提高光學效率，集熱器尺寸越來越大，開口寬度、單集熱單元長度幾乎翻了一倍，反射鏡背部的金屬支撐結(jié)構(gòu)也在不斷優(yōu)化。

二、現(xiàn)階段：多種集熱器百花齊放

Luz公司于1991年宣告破產(chǎn)，之后槽式集熱器進入了百花齊放、群雄割據(jù)的局面。1998年，歐洲的一些公司聯(lián)合進行歐槽（Eurotrough）項目的研發(fā)。之后，各個有實力的公司都在嘗試發(fā)展自己的槽式集熱器技術和專利，而其中大部分是基于歐槽改進、優(yōu)化而來的?？蓞㈤喯卤恚?/p>

可以看到，在光學性能表現(xiàn)方面，由于大部分集熱器尺寸基本相同且搭配的集熱管運行溫度上限在390°C，因此光學效率并沒有大的提高。更多的改動在于：

1、反射鏡支撐結(jié)構(gòu)優(yōu)化——經(jīng)過優(yōu)化的扭矩管、扭矩盒或者空間桁架式支撐結(jié)構(gòu)，能夠加強對反射鏡的支撐強度，增加抗風性，提高集熱器的耐受性。如歐槽和SKAL-ET150采用的扭矩盒加懸臂式支撐結(jié)構(gòu)，E-2采用了空間桁架式，SENERTrough則采用了扭矩管加魚骨式支撐結(jié)構(gòu)。

2、減少現(xiàn)場組裝工時——能夠降低集熱器在現(xiàn)場安裝的工時，縮短工期，提高效率。

3、模塊化、輕量化設計——模塊化、輕量化的設計能夠降低安裝難度，提高安裝速率，同時也方便各類部件的運輸，降低成本。

圖3.PSA試驗園區(qū)內(nèi)的原型歐槽（Eurotrough）集熱器（來源：Luepfert，DLR）

圖4.亞利桑那州Solana電站的E-2槽式集熱器（來源：阿本戈，2013）

圖5.SEGS電站中試驗型SKAL-ET150集熱器（來源：NREL，2007）

圖6.SENERTrough（來源：Kearney，2007）

以上集熱器可廣泛見于當前在運行的槽式電站中：

三、未來發(fā)展：輕量化、更大尺寸的集熱器

在常規(guī)尺寸、常規(guī)開口的集熱器大量應用之后，如何進一步提高光學效率，降低成本成為了下一代集熱器發(fā)展的方向。

目前來看，有幾種類型的集熱器已被運用到最新型的槽式光熱電站當中，如下表所示：

圖7.Skytrough集熱器（來源：Skyfuel公司）

圖8.HELIOTube集熱器（來源：Heliovis，2017）

圖9.NOOR2項目的SENERTrough2集熱器（來源：SENER，2018）

圖10.終極槽試驗回路（來源：Flabeg）

圖11.SpaceTube試驗型集熱器（來源：阿本戈，2013）

這些集熱器都運用在當下最新的槽式電站當中，可見，下一階段的集熱器發(fā)展正朝向更大尺寸、更大開口寬度的方向在發(fā)展。這可以從幾個方面來解釋：

1、槽式技術為了得到更高的熱電轉(zhuǎn)換效率，提高光場出口蒸汽溫度參數(shù)勢在必行。傳統(tǒng)的聯(lián)苯-聯(lián)苯醚導熱油溫度區(qū)間和上限都不高，因此新型更高溫度傳熱介質(zhì)（如熔鹽槽式技術）受到了越來越多的關注。更大尺寸、更大開口寬度的集熱器能夠搭配更大管徑的真空集熱管，進一步提高熱效率。

2、這種集熱器能夠縮小集熱器的組裝復雜程度，能夠大幅減少液壓驅(qū)動、管道、閥門、連接、控制跟蹤等部件，減少回路數(shù)量，進而減少土地使用面積，削減成本。

3、為了降低安裝難度，提高裝配效率，大尺寸集熱器必然朝向部件標準化、輕量化、堅固化來發(fā)展。例如，奧地利Heliovis公司采用的薄膜充氣式集熱器，避免了復雜的鋼結(jié)構(gòu)支撐，輕量、安裝和運輸簡便；美國Skyfuel公司的Skytrough集熱器也采用高分子聚合物鍍膜來取代玻璃反射鏡，大大降低了安裝的成本。

圖12.歐槽、Heliotrough和終極槽的比較（來源：SBP，2016）

總而言之，集熱器作為槽式光熱技術關鍵的部件之一，在槽式光熱的發(fā)展歷程中也在不斷的優(yōu)化自身，在結(jié)構(gòu)、尺寸、安裝等方面不斷進步，使得槽式技術始終在穩(wěn)步發(fā)展。槽式集熱器的這種自我蛻變和突破或許也能夠解釋，為何槽式光熱發(fā)電歷經(jīng)三十多年的驗證而依舊穩(wěn)定，且愈發(fā)成熟。

原標題:盤點光熱發(fā)電系統(tǒng)槽式集熱器發(fā)展史 未來方向在更大尺、輕量化？