[科普中国]-槽式集热器

工作原理

槽式集热系统是利用槽式抛物面聚光反射器聚集得到高热流密度的太阳辐射能来实现系统的光热转换过程。

太阳光透过大气层入射到地球表面，会产生较低热流密度的辐射能，直接利用会影响其经济性，只有将低热流密度的辐射能通过聚集，才会转化为高热流密度的辐射能。从光学理论分析可知，抛物线聚光是唯一一种可以把一束平行光汇聚到一点的线型。因此，抛物面聚光成为一种十分常见的聚光形式，太阳能槽式集热器就是其中的一种。

太阳光入射到地球表面照射到加装太阳跟踪装置的抛物面反光镜上，此时太阳光线便可以保持大致与抛物面垂直的角度入射到槽式抛物面反光镜上，反光镜将接收到的太阳光聚集到集热管表面，这样集热管便接收到了高热流密度的太阳辐射能，通过与管内介质的热传递，将管内流动介质加热，从而为生产生活提供动力。2

系统组成整个系统由槽式抛物面聚光集热器阵列、跟踪装置以及相应的控制系统组成，其中槽式抛物面聚光集热器是该系统的核心部件，主要由槽式聚光反射器和接收器组成。3槽式集热器主要由三部分组成：集热子系统、导热油子系统、能量交换子系统。

集热子系统集热子系统主要包括支架、反射镜面和真空集热管。太阳能真空集热管是槽式太阳能集热器的核心设备。包括不锈钢内管，外面包裹的玻璃套管、除气环、波纹管。为了获得更好的光学性能，金属管表面外镀有选择性涂层，该涂层对于太阳光谱具有很高的吸收率和低的发射率，从而减少了金属吸热管对外的辐射热损失。玻璃套管通常由耐热玻璃制成，在高温下具有优良的强度和光透过率。在玻璃套管与金属吸热管之间抽成真空以抑制对流散热。在玻璃套管与金属管封接处，使用波纹管连接，这样可以匹配金属吸热管与玻璃套管的热膨胀。

导热油子系统循环工质采用导热油,储存于储油罐中,首先经高温离心泵泵送到电加热器中预热,使其达到进口温度要求,进入太阳能集热系统,吸收太阳热能后,被输送至冷却器,在冷却器内冷却至太阳能集热器进口温度,最后回到储油罐中,完成一个循环。

能量交换子系统经槽式太阳能吸收器加热后的高温导热油,先后经过个管壳式换热器,换热器另一侧为冷却水,导热油被冷却至一定温度。这样,导热油介质吸收的太阳热能从太阳能岛侧被交换到动力侧，冷却后的导热油进入储油罐。4

发展背景当今社会，随着世界各国对化石燃料的大规模使用，促进了经济的快速发展，为人们的生产生活带来了极大的便利。但与此同时，人类赖以生存的生态环境也遭到了严重的破坏，尤其近些年，全球范围内自然灾害频发，雾霾等环境污染十分严重，许多地区常年处于环境污染的重灾区，空气质量极差，能源开采和保护环境这两个相互矛盾的个体已经成为制约经济发展的核心问题，及时调整能源结构，使用安全、清洁的能源迫在眉睫。因此，在这样的背景下，新能源和可再生能源的开发应运而生，逐渐成为当今社会的主流研究方向，以节约能源、保护环境及可持续发展为理念的新能源革命已在全球兴起。

未来几十年世界能源利用的情况预测中，太阳能及地热能等可再生能源将成为世界范围内的主要能源，其中太阳能将成为最具利用价值的能源。究其原因，从广义上讲，地球上存在的所有自然能源，几乎全部来自于太阳能。并且相比于其他几种绿色能源，太阳能具有资源丰富，能量巨大，清洁无污染这几个突出的特点，因而必将成为未来研究的核心能源。

在对太阳能资源的利用方面，国内外学者结合现代科技手段，研究出了太阳能光伏转换技术、太阳能光化学转换技术以及太阳能光热转换技术这三种主要利用方式。相比于前两种，太阳能光热转换技术由于在使用过程中可以产生大量的热能，因而具有十分广泛的用途。其中聚光型太阳能热利用技术由于具有高储热量，间接降低用电成本的突出特点，因而自20世纪以来，引起了国内外各学者的广泛关注。

目前，聚光型太阳能集热器按照接收器的形状不同，主要分为槽式、塔式、碟式以及复合抛物面式几种类型，其中槽式聚光系统是目前国内外开发利用最多的一种集热器类型，主要是因为其具有安装方便，结构简单，安全且可靠性高等优点。太阳能槽式集热器在太阳能利用系统中占据主导地位，它为系统提供热源，其效率和投资成本会影响到整个集热系统的效率和经济性。5

应用现状太阳能集热器作为太阳能热利用的主要元件，具有十分广泛的应用价值，但相比之下，太阳能槽式集热器比传统的太阳能集热器具有更高的热效率，尤其在热发电领域具有相当成熟的应用技术，其中美国作为太阳能热发电技术的佼佼者，取得了十分突出的研究成果6。

从1945年起，美国LUZ公司陆续在加州沙漠地区建立了9座太阳能槽式发电站，年发电量达到1.1GW·h，总装机容量在353.8MW，整个系统的效率在13%左右。2007年，美国的槽式发电系统已经在内达华州实现并网发电，与此同时又新增12座槽式发电站，截止到2012年，美国已约有3100MW发电系统实现并网。随着研究的深入，欧洲各国也相继展开对该项技术的探索，2006年，西班牙政府在牙格拉纳达开展Andasol1号和Andasol2号项目，并于2008年和2009年实现并网运行。7到目前为止，美国、西班牙、埃及等欧美国家对太阳能槽式发电系统的研究处于领先地位。

此外，太阳能槽式集热器在工业生产中的价值也越来越明显，尤其在食品加工业、化工、水处理、制冷等方向具有突出优势。2009年，AbengoaSolar公司在美国能源局的许可下，建立了一套污水处理系统，采用槽式聚光集热装置，将管内的乙二醇溶液加热到77℃后，蒸馏处理地下污水，该系统每年可提供175MW的能量，减少二氧化碳排放量达到75t，大大实现了节能降耗。2006年，Cochise社区大学设计并研发了一套用于加热、通风和空调系统的槽式聚光装置，管内流体介质为乙二醇溶液，该系统主要将加热后的溶液输送到蓄热管，实现对整个学校的制冷及供热，通过对该设备实际运行时的成本进行估算发现，该校每年可节约电费约3万美元。

我国在太阳能槽式集热器的应用方面尽管起步较晚，但随着科技的进步和国内专家学者的不断研究，近年来也取得了较大的突破。在“十五”和“十一五”期间，中国科学院电工研究所联合中国科学院长春光机研究所、东南大学等多家机构，对太阳能热发电技术进行全面研究，主要针对反射器、吸热管、控制系统以及关键材料的研究，取得了显著成果。2011年6月，新疆吐鲁番地区成功并网运行一个180KW的槽式发电站。8南京春辉科技联合河海大学组成攻关队伍，通过对太阳能槽式集热器的方位传感器、跟踪装置、吸热管与反射器这几个主要结构进行研究，针对如何提高集热器效率方面取得了突破性进展。2011年8月，内蒙古鄂尔多斯兴建了一座的50MW槽式太阳能热发电项目，经国家能源局审批通过，开始正式施工建设，预计于2019年完成全部工程，是迄今为止世界上最大可供人类使用太阳能项目，同年12月，大唐天威集团在甘薯矿区建成了一座10MW的槽式聚光热发电示范工程。

与此同时，随着世界各国对节能降耗实施力度的加大，石油、天然气资源的开发成本逐渐降低。而油田系统则同时兼具产能和耗能双重身份，特别是在原油集输、开采等流程中需要消耗大量的能量，因而太阳能热利用在石油生产方面也越发受到重视。委内瑞纳的一条长32km的稠油管道，通过采用太阳能加热集输后，输油温度从28℃提高到60℃，输油能力提高了17%。2008年，新疆塔克拉玛某油田通过采用太阳能光伏发电技术，实现了对油井抽油机系统供电。2009年，中国淮建油田采用太阳能加热集输工艺实现对储油罐的保温，同时研发出一套光热系统，将太阳能加热产生的蒸汽注入地下，从而提高油田的采收率。9

特点优势槽式集热器可以实现光能到热能的转化，是利用太阳能的一种有效方法。槽式集热器进行热发电技术是将低密度太阳能聚集起来，通过换热设备将热量传给传热介质产生高温蒸汽，然后驱动传统发电设备产生电能的新技术。太阳能热发电技术与其他发电技术相比经济性好、投资少、电价低，而发电方式与传统发电方式相同，对电网影响小，无需专用技术改造即可入网;原料无高污染、高能耗工序，在环保和节能方面有大优势。太阳能热发电技术特别适用于大规模发电，不仅可以改变我国以煤为主的常规发电结构，也是未来我国电力行业可持续发展的重要一部分。1011