拋物槽聚光太陽能熱發(fā)電裝備制造和系統(tǒng)集成技術

美國能源方案策劃公司執(zhí)行副總裁、總工程師陳宇奇博士，論述了拋物槽聚光太陽能熱發(fā)電裝備制造及其系統(tǒng)集成技術。這是目前世界上最成熟的、實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化運行的太陽能熱發(fā)電技術。拋物槽聚光太陽能熱發(fā)電包括兩大系統(tǒng)：太陽能光熱集采鏡場和常規(guī)電力島。我們所說的太陽能熱發(fā)電裝備制造業(yè)，主要指的是太陽能光熱集采鏡場組件設備的設計制造與總裝。系統(tǒng)集成則是指鏡場子系統(tǒng)與電力島子系統(tǒng)在熱力匹配及其輸運參數(shù)控制、運行調(diào)制及電力產(chǎn)品生產(chǎn)等方面的總體設計，它包括利用不同功能的軟件對系統(tǒng)進行有效的模擬。 　　太陽能熱發(fā)電是太陽能利用中的重要方向之一。目前太陽能熱發(fā)電大致可分為三大類：聚光型太陽能熱發(fā)電、太陽能電池發(fā)電和太陽能煙囪發(fā)電。聚光型太陽能熱發(fā)電按照光學聚光方式，又大致可分為四大類：拋物槽式聚光太陽能熱發(fā)電（線聚焦）、線性菲涅爾聚光太陽能熱發(fā)電（線聚焦），塔式聚光太陽能熱發(fā)電（點聚焦）和碟式聚光熱發(fā)電（點聚焦）。 　　與線性菲涅爾、塔式、碟式太陽能熱發(fā)電技術相比，拋物槽式太陽能熱發(fā)電技術是目前世界上最成熟的、實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化運行的太陽能熱發(fā)電技術。槽式太陽能熱發(fā)電技術的優(yōu)勢在于：聚光倍率適中；系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，其太陽能熱輻射收集裝置占地面積比線性菲涅爾，塔式和碟式系統(tǒng)的要小30%~50%；槽式拋物面聚光集熱裝置制造所需的構(gòu)件形式不多，容易實現(xiàn)標準化，適合批量生產(chǎn)；相比于塔式和碟式，用于聚焦太陽光的拋物槽聚光器加工簡單，制造成本較低。 　　拋物槽聚光太陽能熱發(fā)電包括兩大系統(tǒng)：太陽能光熱集采鏡場和常規(guī)電力島。我們所說的太陽能熱發(fā)電裝備制造業(yè)，主要指的是太陽能光熱集采鏡場組件設備的設計制造與總裝。系統(tǒng)集成則是指鏡場子系統(tǒng)與電力島子系統(tǒng)在熱力匹配及其輸運參數(shù)控制、運行調(diào)制及電力產(chǎn)品生產(chǎn)等方面的總體設計，它包括利用不同功能的軟件對系統(tǒng)進行有效的模擬。 　　下面我們來討論太陽能光熱集采鏡場的核心組件和設備——太陽能真空集熱管、拋物槽結(jié)構(gòu)總成和反光鏡以及系統(tǒng)集成。對這些內(nèi)容的了解和分析將有助于太陽能熱發(fā)電裝備的設計和制造。 　　太陽能真空集熱管是槽式聚光太陽能集采熱系統(tǒng)的核心組件，其性能直接決定整個鏡場系統(tǒng)的集熱效率。從產(chǎn)品上講，要求突破金屬內(nèi)管的黑體涂層材料和涂層工藝技術，也就是說黑體材料和涂層工藝是關鍵；其次是外玻璃管材與金屬密封材的熱膨脹耦合及其焊接技術，這里的挑戰(zhàn)是研發(fā)出與外玻璃管材有相同熱膨脹系數(shù)的密封金屬材料來。目前世界上這些產(chǎn)品技術是被德國的肖特（SCHOTT）和以色列的Solel（Siemens）壟斷。在應用上，還要實現(xiàn)一整套完整的試驗室和實際太陽能鏡場中的熱物理參數(shù)測試和分析保障。集熱管產(chǎn)品的商業(yè)化應用就是要看它的成本，運行熱效率、真空密封、防泄漏和可靠性等問題。集熱管存在的具體挑戰(zhàn)是減少玻璃-金屬真空密封破裂失效；增加有效利用管長；延遲涂層功能的退化等。聚光太陽能拋物槽當前流行用的集熱管長度尺寸在4米左右，不銹鋼管徑有70mm和90mm兩種。 　　這組圖片（圖1~3）集中展示了集熱管結(jié)構(gòu)、材料和它復雜的傳熱路徑及其相關的傳熱形式。傳熱分析可以看出，它涵蓋了熱傳導，對流和熱輻射所有這三種最基本的傳熱方式。 　　拋物槽式太陽能聚光器結(jié)構(gòu)總成  　　聚光拋物槽總成由這么幾個方面組成：反光鏡面，鏡面支撐結(jié)構(gòu)，總成立柱和跟蹤及驅(qū)動系統(tǒng)。總體功能上要求跟蹤和聚光精確，保證光學效率以及抗風堅固等。為了保證結(jié)構(gòu)在嚴酷氣候條件下和跟蹤旋轉(zhuǎn)時的變形控制在設計范圍內(nèi)，堅固抗風，提高效率，便于現(xiàn)場安裝，重量輕和低成本，以美國、德國和西班牙為主的太陽能熱發(fā)電國家在這方面做了很多工作。歷史上先后開發(fā)了扭矩管式（Luz系列）、扭矩箱式（EuroTrough系列）、空間桁架式（美國SGX-1系列）。（詳見圖4~6）應該注意，扭矩管式已經(jīng)逐步淘汰退出市場，歐洲開發(fā)的聚光拋物槽在向大開口、長單驅(qū)（達250米）進而減少驅(qū)動控制系統(tǒng)方面發(fā)展，而美國的SGX空間桁架式拋物槽框架實現(xiàn)了現(xiàn)場安裝無焊接無螺栓的全銷釘式精確連接，使鏡場安裝成本降低了30%。 　　國內(nèi)目前在太陽能聚光拋物槽總成上，無論從整體結(jié)構(gòu)設計還是反光鏡面制造上都無成型或商業(yè)化技術，主要還處在引進、消化吸收階段上，結(jié)構(gòu)件制造不是問題。在玻璃作為反光鏡體材料時，玻璃體和金屬支撐結(jié)構(gòu)的連接，因兩者熱膨脹系數(shù)的不同也常常出現(xiàn)鏡面破裂（見圖4）而嚴重影響聚光效果的現(xiàn)象。         拋物槽反光鏡體及材料 　　對拋物槽反光鏡的基本要求是低成本以及在20~30年嚴酷工況壽命期內(nèi)保證相當穩(wěn)定的鏡面反光特性（95%的反光率）。美國能源部的目標是在未來五年將規(guī)?；瘨佄锊鄯垂忡R的制造成本降低50%即$10.8/m2，這一項目標主要靠先進的輕質(zhì)表面反射材料來實現(xiàn)。這些材料在應用上都要經(jīng)得起壽命老化或現(xiàn)場實際工況（OET）的試驗。以下是各類典型的反光鏡情況介紹: 　　德國Flabeg4mm低鐵浮法玻璃鍍銀鏡，美國加州SEGS的9座商業(yè)化聚光拋物槽太陽能熱電廠均使用該產(chǎn)品，其背面外層噴漆為專有技術。鏡場大規(guī)模用反光鏡每平方米售價在$43.2至$64.8之間。初始半球反射率93.3%。該反光鏡目前改進后的低鉛外層噴漆（共有三層）底層含鉛2.5%，中間層含鉛1%，最外層為抗紫外白色acrylic。試驗室和現(xiàn)場測試表明，改進后的鏡面耐有性沒有受到影響。（見圖7）      英國Pilkington4mm、西班牙3mm低鐵浮法玻璃鍍銀鏡，背面采用無銅無鉛單層噴漆并粘膠外保護層。（見圖8）反光鏡每平方米售價在$15至$16之間。初始半球反射率西班牙的為93.3%，英國Pilkington的為92.8%。但英國Pilkington的耐有性要好于西班牙。近年來，AFG、Corning、GuardianGlass、Pilkington、PPG和Vir-giniaMirror都在不同程度地介入聚光太陽能鏡場。        比利時Glaverbel、德國Flabeg/Naugatuck1mm薄型玻璃濕法鍍銀鏡，背面采用無銅被層和無鉛單層噴漆。（見圖9）初始半球反射率在93.3%~96%之間。反光鏡每平方米售價在$16至$43之間。注意，粘膠的選擇會影響薄型反光鏡的耐有性，無銅被層需要非常嚴格的工藝和質(zhì)量控制，而無鉛漆則主要用于內(nèi)部環(huán)境。為了增強耐有性，有時會再噴一層無鉛漆和加一層防水保護層等。        金屬鋁板反光鏡是由陽極氧化鋁板，PVD鋁反光面加之表面保護層構(gòu)成的反光鏡（見圖10），其耐有性較差。分層（層析）是最大的問題。用納米復合材料改善分層以及用PVD銀反光材取代PVD鋁材提高反射率是德國Alanod公司這些年做的工作。AlanodMiroSun牌鋁板反光鏡每平方米售價在$21左右。        薄型反光膜是由聚酯膜真空鍍銀后外加抗紫外防護層構(gòu)成的。（見圖11）它需要和另外的結(jié)構(gòu)板（鋁板或復合材料板）粘合一體形成反光鏡。美國的Re-flecTech和3M生產(chǎn)這類薄型反光膜。反光膜每平方米售價在$16至$25之間。初始半球反射率大約為93%。兩家公司在產(chǎn)品開發(fā)期間做了很多有益的耐有性試驗。 　　太陽能鏡場與電力島系統(tǒng)集成 　　建設太陽能熱電站，EPC工程總包需要系統(tǒng)集成技術。系統(tǒng)集成則是指鏡場子系統(tǒng)與電力島子系統(tǒng)在熱力匹配及其輸運參數(shù)動態(tài)控制，運行調(diào)制及電力產(chǎn)品生產(chǎn)等方面的總體設計。它包括太陽能集采鏡場聚光器設計選型，熱力回路及其參數(shù)計算，鏡場傳熱介質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)裝置，熱力回路運行及功能保溫，儲熱回路，熱力導入界面，電力島輪機選型，蒸汽回路（卡諾循環(huán)，朗肯循環(huán)，貝頓循環(huán)）及冷凝熱計算，控制運行與維護等，并利用不同功能的軟件對系統(tǒng)進行有效的模擬和優(yōu)化。請見下述系統(tǒng)集成設計及模擬分析。（見圖12）目前，商業(yè)化聚光拋物槽太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)集成設計技術主要還掌握在美國、西班牙和德國公司的手中，國內(nèi)在這方面才剛剛起步。商業(yè)化應用會帶來很多實際的問題：太陽能資源評價、投資分析、政府政策、鏡場設計與設備選型、系統(tǒng)安裝、運行與工況參數(shù)控制，設備可靠性以及維護等。提供解決方案、積累實際經(jīng)驗是提高系統(tǒng)集成技術水平的唯一途徑。        我們的項目作為太陽能熱電產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本驅(qū)動單元，除了資金和市場這兩個重要因素外，在太陽能輻射資源豐富的前提下，它要靠專門技術及其系統(tǒng)集成，它要靠裝備制造的支撐。產(chǎn)業(yè)發(fā)展還靠的是規(guī)模化和有益的競爭，即需要有更多的項目以及本土裝備制造商們的參與，這就帶來了產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。對聚光拋物槽核心組件和設備的了解與分析會幫助太陽能熱發(fā)電裝備的設計和制造商們在該領域的成長。 作者:陳宇奇