槽式光能集热电厂

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1、镜场部分太阳辐射的特点中，有一点就是能量密度低，故太阳能集热电厂中需要设置将大面枳分 散太阳辐射收集起来的装置。镜场是槽式太阳能集热电站中收集并吸收太阳能，然后流经管 道输送热量到动力岛的部分。该部分是整个电站的能量来源，因此，决定了整个电厂的能量 输入。而镜场的能量收集，是依靠一排排集热器来完成的。同时，镜面需要依靠固定镜面的 支架进行移动，以使其正对太阳，收集更多的太阳能。集热器构成1 .集热器支架太阳能集热器支架型式主要分为扭矩箱式、扭矩管式和桁架式三种。由于整个支架在电 站运行过程中要承受镜面带来的各种力和力矩，同时还要受到风吹口晒，雨水冲刷，因此要 对支架进行防锈处理，还要考虑在镜面

2、迎风状态下支架受力状况等因素。扭矩箱式支架扭矩箱式支架是由钢筋焊 接成的钢架拼接，再用螺栓固 定支撑臂组成的。由于整个箱 型结构都是由一根根钢筋焊接 而成，支撑臂也是由碳钢焊接 成的，因此该型式支架的安装 工作量很大。一般预先在厂内 分别焊接成如图中所示四方形 箱体的四个面和支撑臂，对所 句元件表面进行镀锌处理。运 到安装现场以后先把四个面用蚀。扭矩管式支架II1螺栓联接成箱体再与支撑臂用螺栓联接。每个支架间用联轴器联接，构成整个集热器支架。 用螺栓联接的目的在于不破坏镀锌层，从而防止支架在长期工作时，由于环境作用而发生锈该类型支架由其中心大直径钢管和支 撑臂组成。由于用钢管代替箱型结构，故其

3、 安装难度和工作量都大大卜降。与箱式相同, 钢管整体也需要进行镀锌处理，防止锈蚀。在现场安装时，支撑臂与钢管之间为防止破坏镀锌层，亦采用螺栓联接。该类型支架可采用 冲压式支撑臂，不仅可以保持较高的力学性能，安装也较为方便。桁架式支架在槽式集热电站镜场中所使用的镜面均为凹面镜，一 般安装时由螺栓与支架固定。镜面要便于清扫与替换，具 有良好的耐候性，重量轻旦要有一定的强度，价格要合理。 镜面有薄厚之分，薄镜面一般需要带支撑外壳以保证型线 和避免损坏，通过外壳用螺栓联结到支架上。厚镜面一般由多块镜面组成，直接通过螺栓联结到支架上。为达到很好的收集效果，镜面要具有很高的反射率，由于入射光线在截面上可看

4、作平行光，为使照在镜面上的太阳光可以汇聚到集热管 上，镜面的型线应加工成抛物面，即满足方程：Y = x2/4F 或 r = 2F/(1 + cos0)3.集热管集热管由一根钢管及套在其外的玻璃管组成的，是转换太阳能的重要设备，被用来将镜 面汇聚的太阳能收集并转化为热能，并传递给其内部导热介质。要求有较高的吸收率，在高 温下有较低发射率，具有良好的导热性能和良好的保温性能。内管材料一般取为不锈钢，外波纹管结抽气嘴玻璃护罩护罩钢管焊接处桁架结构没有旋转部 分和支撑臂之分，整个结 构由碳钢抑接而成，因此 工作量非常大。但是由于 桁架结构稳定性特别高， 所以该种型式的力学性能 最好。而旦免去了箱体粗

5、管，从而降低了整个支架 的重量。吸氢片不锈钢管表加设涂层，以提高吸收率。玻璃管也采用内外增加涂层的方式增加进入集热管的透射率降成*泡，造成热点。低由内向外的透射率。二者共同作用 以提高集热管对光能的利用效率。玻 璃管与钢管在两端焊接，并设置波纹 管结，以方便联接。焊接完成对玻璃 管与钢管之间的缝隙抽真空，以避免 钢管内部与外界进行对流换热，提高 效率。由于在运行过程中，导热油受 热会析出氢气，故在集热管内钢管外 壁加设吸氢片，防止氢气在流体中形4 .太阳追踪由于各公司工艺不同，故目前有两种集热 管型式。一种为Siemens公司生产的波纹管为 外螺纹的集热管。另一种为Scott公司生产的 内螺纹

6、波纹管。两种集热管在实际应用中并无 太大区别，仅为联接型式不一样。由于太阳每天东升西落，故集热器需要实时改变角度，以朝向太阳，捕捉到更多的太阳一种是就地控制。能。集热器追口控制的方式有两种，一种是中央控制,中央控制的方式可分为两种。一种是利用人工输入全年的太阳高度角，直接从中央控制 系统调出当口太阳高度信息，经过数据处理与转换，变为液压信号，推动油动机动作，角度 传感器监测旋转的角度，把信号发回中央控制系统进行 校对，从而达到准确改变角度的目的。另一种是利用设 置在电厂中的天气预报系统检测太阳高度角等参数，输 入到中央控制系统，经过数据处理，再从中央控制系统 生成太阳高度信息的。中央控制的优点

7、在于控制方便， 经济性较好的优点，但每一个集热器的角度在同一时间 不一定完全相同，因此集热器不一定都工作在最佳状态。就地控制中，中央控制系统只控制启停状态， 利用传感器实时测量太阳高度角，处理测量信号并 发送给油动机动作，利用角度传感器监测旋转角度, 进行对比，从而实现精确的角度控制。测量太阳高 度角的传感器有两种，一种是由两块相同的光伏电 池板组成，两块电池板放置集热器镜槽底部，被集 热管的影子对称分开，并遮挡部分电池板工作区。 该类型传感器利用太阳角度改变时，影子遮挡部分 改变，电池板总电压发生变化从而发出信号。但由 于该类型传感器暴露在空气中，容易被粉尘覆盖， 导致灵敏度下降。另一种是用

8、一个带玻璃窗的口照 传感器，其工作原理与前一种类似，但灵敏 度更高，对粉尘等抗性更好。追踪系统中的驱动机构有两种，电驱动 （右二图）和液压驱动（右一图）。由于前 一种会消耗更多的厂用电，而且系统时间长 了易出现追踪误差，电驱动系统也比较脆弱, 适应的最大风力很小。液压系统较稳定，旦 可抵抗强风，但需要一套油动系统，使初期 投资增加。5 .其它由于在集热器中，集热管作为抛物面焦点，要随镜面移动，旦集热管要将其收集的热量 通过母管输送给热交换器。故在动静之间需要进行联接，目前常用的方式有球形联接和软管 联接两种形式。球形联接较便宜，且自由度大，但会因为自身结构的原因经常卡涩，且长时 间工作下，球形

9、联接的各部件间缝隙变大，易产生泄漏。软管虽然较灵活，但价格较昂贵, 且软管一般承压能力较差。集热镜参数确定在每一个槽式集热电厂的管路中，所有参数 都要由其使用的镜面和集热管的匹配来确定。集热器聚光能力由两个参数判定，一为聚光 比，用来决定镜面的大小；一为接收角，用来决 定镜面的张角。聚光比是用来衡量使用集热管表面积和太阳 辐射收集面积的之间关系的一个重要数值。其计 算方法为：AC = dL其中A为集热面积，d为集热管钢管直径，L为一个集热单元的长度。可见，该比值越大，单位面枳集热管接收到的太阳能越多。由于太阳较地球大，且距离很远，因而，地球上某一点接收到的太阳光并非完全平行, 而是具有一定夹角

10、的，该角度约为0.53 ,该角度的存在导致抛物面镜不能把阳光完全聚焦 在焦点上，而是焦点附近区域内。且由于镜面制造安装过程中的误差，不免会使镜面的曲线 偏离理想曲线，导致聚焦区域的进一步扩大。该区域的圆形外界切线与镜面边缘夹角，即为X接收角。接收角在计算中也是经验选取，一般取如图所示值。由于镜面的抛物线型线己确定，若要增加聚光比则需要延伸抛物线，即减小抛物线张角。 于此同时，由于张角不断减小，太阳能收集面枳和镜面面枳之比也不断减小。即意味着以降 低镜面利用率的方式来提高聚光比，因此在设计中要进行成本核算以确定最优方案。张角收集面积A镜面面积收集面积/镜面面积9081.493.460.87809

11、7.0116.620.8370116.2148340.78在镜场中，由于安装密度过大，清早傍晚太阳高度很低（东西方向），冬天太阳高度低 （南北方向）的影响，镜面会因为几何关系而产生能量损失，成为几何损失。早晚太阳高度低和安装密度过大会导致前一排镜面部分挡住后一排镜面的集光区域，导致后一排镜面不能 全部工作。冬天太阳高度低，由于南北向光的反射作用，旦集热管不能南北向偏移，导致在 朝向太阳侧部分集热管未接收到太阳光，远离太阳侧部分镜面汇聚太阳光在集热管以外，从 而造成能量损失。前一种损失（上图左）可以增加镜列间距的方法进行减小。但该方式会增加镜场用地面 积，故须对经济性进行权衡以确定最佳镜列间距。

12、后一种（上图右）是随太阳高度每天变化 的，因此很难改善，旦由于在太阳高度低的时候电站效率低，甚至不发电，故为无需对该损 失进行补偿修正。集热管参数集热管是镜场中最后将太 阳能转换为热能的装置，故应对 其光热转化能力进行计算，以确 定其功率。由于集热管处于光热转化 的最后一个环节，因此，在转换 之前，太阳辐射先经过集热镜反 射，再通过玻璃套管透射，最终 到达钢管表面被吸收。则由太阳 辐射到热能的效率计算如左图。由于集热管热量损失过程包括辐射换热、对流换热、热传导，且由于温度变化大，各型 式传热强度变化很大，尤其是辐射换热。因此，采用一个当量传热系数L）abs来计算整个过 程中的导热：，L)abs

13、 = a + b (Lbs amb ) + C (%bs - 孔nib其中a、b、c均为常数，由实验和数值拟合得到。其数值可参考下表。电s为集热管温度，Tmb为设计点环境温度。Tabs/ CC)AbC|200eC0.6872570.0019410.000026J200Tabs300eC2.895470-0.01640.000065厂商提供集热管的时候一般都会给出设计工作温度和环境温度，内管管径，集热长度等 参数。可直接用这些参数进行每根集热管能量损失计算：collector -ambient=L)abs 江 do I (Tabs Lmb )由上式得每根集热管的能量损失。则单根集热管吸收的热能为

14、:Pq,collector fluid = C0S（P opt,QQ K（p）F。 Pqfcollector -ambient为保证管内换热良好，不出现热点，一般取Re2x 105作为最低流量的控制标准。设 流量为qm则有：collector -flud = Qm * (out in) = 9m * I CpdTJTin设是整个镜场内工作流体的平均温度。根据以上各式，可计算得每根集热管的温升，从而代入回路温升，即可得每个回路所需 要的集热管数。集热器布置由于太阳高度角每天东西方向变化，每季南北方向变化，因此，应考虑到这些变化，对 集热器进行相应的布置进行选择。上图左即为南北布置，镜子旋转方向为

15、东西方向。两种放置方法所接收到的太阳辐射曲 线如下图所示左侧为夏口镜子接收太阳辐射的功率时间曲线，右侧为冬口的功率时间曲线。 可见，南北放置的镜面在夏天可以比东西放置的镜面更加平稳且更早的收集到更多的太阳能: 而在冬天，东西向的镜面比南北向的镜面收集更多的太阳能，旦东西向全年的太阳能收集量 变化不大，南北向的冬夏差别特别大。但由于冬季太阳辐射较弱，不能有足够的热量供给, 故一般不发电，且一般中高纬度地区冬季都较冷，若要正常发电，消耗大量的能源进行保温 和补热，此时光热电站发电成本会急剧增加，故一般冬季只进行保温。而夏季，镜场需要收 集到足够甚至更多的太阳能。而且尽可能多发电，长时间发电。因此，一般镜场都是南北布 置。另外，还需将当地风力资料考虑在内，以防止镜场被大风破坏。Solar TimeSolarTime回路的构成为降低集热器伺服机构功耗，便于清洗，目前普遍使用的结构形式为，每个回路长600 米，由四个150米的SCA (solar collector assemly)两两串联再以U型方式组成，每个SCA 由 12 个 SCE (solar collector element)组成，每个 SCE 长 12 米。每个 SCE 由 3 个 HCE (heat collector element)组成，每个HCE长四米，每个HCE上有28块镜子和1根集热管。