抛物槽聚光太阳能热发电装备制造和系统集成技术

美国能源方案策划公司执行副总裁、总工程师陈宇奇博士，论述了抛物槽聚光太阳能热发电装备制造及其系统集成技术。这是目前世界上最成熟的、实现大规模商业化运行的太阳能热发电技术。抛物槽聚光太阳能热发电包括两大系统：太阳能光热集采镜场和常规电力岛。我们所说的太阳能热发电装备制造业，主要指的是太阳能光热集采镜场组件设备的设计制造与总装。系统集成则是指镜场子系统与电力岛子系统在热力匹配及其输运参数控制、运行调制及电力产品生产等方面的总体设计，它包括利用不同功能的软件对系统进行有效的模拟。 　　太阳能热发电是太阳能利用中的重要方向之一。目前太阳能热发电大致可分为三大类：聚光型太阳能热发电、太阳能电池发电和太阳能烟囱发电。聚光型太阳能热发电按照光学聚光方式，又大致可分为四大类：抛物槽式聚光太阳能热发电（线聚焦）、线性菲涅尔聚光太阳能热发电（线聚焦），塔式聚光太阳能热发电（点聚焦）和碟式聚光热发电（点聚焦）。 　　与线性菲涅尔、塔式、碟式太阳能热发电技术相比，抛物槽式太阳能热发电技术是目前世界上最成熟的、实现大规模商业化运行的太阳能热发电技术。槽式太阳能热发电技术的优势在于：聚光倍率适中；系统结构紧凑，其太阳能热辐射收集装置占地面积比线性菲涅尔，塔式和碟式系统的要小30%~50%；槽式抛物面聚光集热装置制造所需的构件形式不多，容易实现标准化，适合批量生产；相比于塔式和碟式，用于聚焦太阳光的抛物槽聚光器加工简单，制造成本较低。 　　抛物槽聚光太阳能热发电包括两大系统：太阳能光热集采镜场和常规电力岛。我们所说的太阳能热发电装备制造业，主要指的是太阳能光热集采镜场组件设备的设计制造与总装。系统集成则是指镜场子系统与电力岛子系统在热力匹配及其输运参数控制、运行调制及电力产品生产等方面的总体设计，它包括利用不同功能的软件对系统进行有效的模拟。 　　下面我们来讨论太阳能光热集采镜场的核心组件和设备——太阳能真空集热管、抛物槽结构总成和反光镜以及系统集成。对这些内容的了解和分析将有助于太阳能热发电装备的设计和制造。 　　太阳能真空集热管是槽式聚光太阳能集采热系统的核心组件，其性能直接决定整个镜场系统的集热效率。从产品上讲，要求突破金属内管的黑体涂层材料和涂层工艺技术，也就是说黑体材料和涂层工艺是关键；其次是外玻璃管材与金属密封材的热膨胀耦合及其焊接技术，这里的挑战是研发出与外玻璃管材有相同热膨胀系数的密封金属材料来。目前世界上这些产品技术是被德国的肖特（SCHOTT）和以色列的Solel（Siemens）垄断。在应用上，还要实现一整套完整的试验室和实际太阳能镜场中的热物理参数测试和分析保障。集热管产品的商业化应用就是要看它的成本，运行热效率、真空密封、防泄漏和可靠性等问题。集热管存在的具体挑战是减少玻璃-金属真空密封破裂失效；增加有效利用管长；延迟涂层功能的退化等。聚光太阳能抛物槽当前流行用的集热管长度尺寸在4米左右，不锈钢管径有70mm和90mm两种。 　　这组图片（图1~3）集中展示了集热管结构、材料和它复杂的传热路径及其相关的传热形式。传热分析可以看出，它涵盖了热传导，对流和热辐射所有这三种最基本的传热方式。 　　抛物槽式太阳能聚光器结构总成  　　聚光抛物槽总成由这么几个方面组成：反光镜面，镜面支撑结构，总成立柱和跟踪及驱动系统。总体功能上要求跟踪和聚光精确，保证光学效率以及抗风坚固等。为了保证结构在严酷气候条件下和跟踪旋转时的变形控制在设计范围内，坚固抗风，提高效率，便于现场安装，重量轻和低成本，以美国、德国和西班牙为主的太阳能热发电国家在这方面做了很多工作。历史上先后开发了扭矩管式（Luz系列）、扭矩箱式（EuroTrough系列）、空间桁架式（美国SGX-1系列）。（详见图4~6）应该注意，扭矩管式已经逐步淘汰退出市场，欧洲开发的聚光抛物槽在向大开口、长单驱（达250米）进而减少驱动控制系统方面发展，而美国的SGX空间桁架式抛物槽框架实现了现场安装无焊接无螺栓的全销钉式精确连接，使镜场安装成本降低了30%。 　　国内目前在太阳能聚光抛物槽总成上，无论从整体结构设计还是反光镜面制造上都无成型或商业化技术，主要还处在引进、消化吸收阶段上，结构件制造不是问题。在玻璃作为反光镜体材料时，玻璃体和金属支撑结构的连接，因两者热膨胀系数的不同也常常出现镜面破裂（见图4）而严重影响聚光效果的现象。         抛物槽反光镜体及材料 　　对抛物槽反光镜的基本要求是低成本以及在20~30年严酷工况寿命期内保证相当稳定的镜面反光特性（95%的反光率）。美国能源部的目标是在未来五年将规模化抛物槽反光镜的制造成本降低50%即$10.8/m2，这一项目标主要靠先进的轻质表面反射材料来实现。这些材料在应用上都要经得起寿命老化或现场实际工况（OET）的试验。以下是各类典型的反光镜情况介绍: 　　德国Flabeg4mm低铁浮法玻璃镀银镜，美国加州SEGS的9座商业化聚光抛物槽太阳能热电厂均使用该产品，其背面外层喷漆为专有技术。镜场大规模用反光镜每平方米售价在$43.2至$64.8之间。初始半球反射率93.3%。该反光镜目前改进后的低铅外层喷漆（共有三层）底层含铅2.5%，中间层含铅1%，最外层为抗紫外白色acrylic。试验室和现场测试表明，改进后的镜面耐有性没有受到影响。（见图7）      英国Pilkington4mm、西班牙3mm低铁浮法玻璃镀银镜，背面采用无铜无铅单层喷漆并粘胶外保护层。（见图8）反光镜每平方米售价在$15至$16之间。初始半球反射率西班牙的为93.3%，英国Pilkington的为92.8%。但英国Pilkington的耐有性要好于西班牙。近年来，AFG、Corning、GuardianGlass、Pilkington、PPG和Vir-giniaMirror都在不同程度地介入聚光太阳能镜场。        比利时Glaverbel、德国Flabeg/Naugatuck1mm薄型玻璃湿法镀银镜，背面采用无铜被层和无铅单层喷漆。（见图9）初始半球反射率在93.3%~96%之间。反光镜每平方米售价在$16至$43之间。注意，粘胶的选择会影响薄型反光镜的耐有性，无铜被层需要非常严格的工艺和质量控制，而无铅漆则主要用于内部环境。为了增强耐有性，有时会再喷一层无铅漆和加一层防水保护层等。        金属铝板反光镜是由阳极氧化铝板，PVD铝反光面加之表面保护层构成的反光镜（见图10），其耐有性较差。分层（层析）是最大的问题。用纳米复合材料改善分层以及用PVD银反光材取代PVD铝材提高反射率是德国Alanod公司这些年做的工作。AlanodMiroSun牌铝板反光镜每平方米售价在$21左右。        薄型反光膜是由聚酯膜真空镀银后外加抗紫外防护层构成的。（见图11）它需要和另外的结构板（铝板或复合材料板）粘合一体形成反光镜。美国的Re-flecTech和3M生产这类薄型反光膜。反光膜每平方米售价在$16至$25之间。初始半球反射率大约为93%。两家公司在产品开发期间做了很多有益的耐有性试验。 　　太阳能镜场与电力岛系统集成 　　建设太阳能热电站，EPC工程总包需要系统集成技术。系统集成则是指镜场子系统与电力岛子系统在热力匹配及其输运参数动态控制，运行调制及电力产品生产等方面的总体设计。它包括太阳能集采镜场聚光器设计选型，热力回路及其参数计算，镜场传热介质循环系统装置，热力回路运行及功能保温，储热回路，热力导入界面，电力岛轮机选型，蒸汽回路（卡诺循环，朗肯循环，贝顿循环）及冷凝热计算，控制运行与维护等，并利用不同功能的软件对系统进行有效的模拟和优化。请见下述系统集成设计及模拟分析。（见图12）目前，商业化聚光抛物槽太阳能热发电系统集成设计技术主要还掌握在美国、西班牙和德国公司的手中，国内在这方面才刚刚起步。商业化应用会带来很多实际的问题：太阳能资源评价、投资分析、政府政策、镜场设计与设备选型、系统安装、运行与工况参数控制，设备可靠性以及维护等。提供解决方案、积累实际经验是提高系统集成技术水平的唯一途径。        我们的项目作为太阳能热电产业发展的基本驱动单元，除了资金和市场这两个重要因素外，在太阳能辐射资源丰富的前提下，它要靠专门技术及其系统集成，它要靠装备制造的支撑。产业发展还靠的是规模化和有益的竞争，即需要有更多的项目以及本土装备制造商们的参与，这就带来了产业链的发展。对聚光抛物槽核心组件和设备的了解与分析会帮助太阳能热发电装备的设计和制造商们在该领域的成长。 作者:陈宇奇