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聚光器技术的选型与特点

【摘要】:由于LS—1和LS—2聚光器的生产、安装成本较高,导致热发电站的初期投资和运行维护成本较高。因此,许多开发商和团体选择了Euro-Trough聚光器技术。尽管DS-1聚光器的安装成本比LS—2聚光器低,但光学性能相当。目前,SGX-1聚光器技术应用于Nevada Solar One槽式聚光太阳能热发电站中。表4-1列出了各种聚光器技术的特点。

槽式太阳能聚光器由反光镜和支架两部分组成,反光镜放置在一定结构的支架上,在跟踪机构的帮助下,使反光镜反射的太阳光聚焦到放置在焦线上的集热管吸热面。聚光器应满足以下几点要求:①具有较高的反射率;②具有良好的聚光性能;③具有足够的刚度;④具有良好的抗疲劳能力;⑤具有良好的抗风载荷能力;⑥具有良好的抗腐蚀能力;⑦具有良好的运动性能;⑧具有良好的保养、维护、运输性能。

与塔式太阳能热发电的定日镜相比,槽式太阳能热发电聚光系统的制造难度相对更大,主要是体现在以下三点:①抛物面镜曲面比定日镜曲面弧度大;②平放时,槽式聚光器迎风面比定日镜要大,抗风能力要求更高;③运动性能要求更高。

1.Luz聚光器技术

从1984~1991年的8年间,Luz公司在美国加利福尼亚州的Mo-jave沙漠中建成了9座净功率为353.8MW的槽式太阳能热发电站。在热发电站建设过程中,Luz公司完成LS—1~LS—3三代槽式太阳能聚光器的设计,并成功实现了商业化运行。

由于LS—1和LS—2聚光器的生产、安装成本较高,导致热发电站的初期投资和运行维护成本较高。为了降低LS系列聚光器在大规模工程应用时的生产、安装成本,Luz公司设计了LS—3聚光器,并将其应用于太阳能热发电站SEGSⅤ-Ⅸ中。结构设计的改变使LS—3聚光器在跟踪准确度上得到了很大提高,并在安装时允许有一定的倾角。但是,根据以往SEGS热发电站的运行经验显示,任何成本的降低都是以聚光器的性能和可维护性为代价。与LS—2聚光器相比,LS—3聚光器的热性能有所下降,且聚光器的维护变得更加困难。

随着Luz公司的破产,Solel太阳能系统公司于1992年收购了Luz公司所有的聚光集热器生产设备,并为Luz公司已建成的9座槽式太阳能热发电站提供关键零部件和聚光集热器的技术支持。

2.EuroTrough聚光器技术

EuroTrough协会在LS系列聚光集热器结构设计的基础上完成了新一代槽式太阳能聚光器的设计和试验测试——EuroTrough聚光集热器。

EuroTrough聚光集热器提出了一种扭矩框聚光器,它消除了LS—2和LS—3聚光器在生产和运行中产生的许多问题。这种扭矩框设计既实现了LS—3集热器桁架设计概念低成本的目的,又达到了LS—2聚光器扭矩框所具有的高扭转刚度和方便调整的优点。

EuroTrough聚光器的核心部件是一个约12m长的空间框架,在其两侧面上固定了用于固定抛物面反光镜的支撑臂。该空间框架由四个不同部分组成,可以现场安装、固定,简化了加工过程,降低了加工成本。

由于反光镜支撑臂的设计,EuroTrough聚光器因自重和风载荷产生的变形比LS—3小,从而减小了聚光器在运行过程中的扭转变形和弯曲变形,提高了聚光器的光学性能。高强度的扭矩框设计方法使单个驱动系统和转接管(旋转接头或金属软管)的数量减小,达到了降低聚光器成本和聚光损失的目的。

同时由于改进了聚光器支撑架的设计,聚光器可以以3%的坡度进行安装,大大减少了现场地面处理成本。通过预加工和现场固定架安装相结合的方式保证了聚光器的准确度。

该设计目的之一是减小聚光器的重量,其总重量相比LS—3的设计方案减小了14%,减少部件的多样性,减轻聚光器结构的重量,使用紧凑的运输方式,这些改进使其成本又降低了10%。同时,热性能和光学性能的试验结果表明,EuroTrough聚光器在性能上比LS—3聚光器提高了3%。因此,许多开发商和团体选择了Euro-Trough聚光器技术。

3.Solargenix聚光器技术

Solargenix DS-1聚光器采用全铝空间框架,它模仿了LS—2聚光器实际的尺寸和操作特点,但在结构特性、重量、加工复杂程度、抗腐蚀性、生产成本及安装上都优于LS—2聚光器。风洞试验表明,这种设计方式的抗扭刚度和梁刚度与LS—2聚光器几乎相等,而且提高了聚光器在运行过程中的风载荷抵抗能力(如较高的抗弯曲和扭转刚度等),简化了加工过程,减少了部件的数目。结构中所使用支撑杆都是2in[1]规格的矩形压制铝管,每个空间框架由137个支撑杆组成如桁架一样的三维形式,在施工现场通过套节连接在一起。每个支撑杆的两端各有一个螺孔,用于和套节连接。Solargenix DS-1在重量上是LS—2结构重量的一半,便于生产加工、运输及现场安装,并且具有较好的抗腐蚀性。尽管DS-1聚光器的安装成本比LS—2聚光器低,但光学性能相当。

2005年,Solargenix公司推出了新型的SGX-1聚光器。该类聚光器采用有机蛛丝网状套节结构,其结构的零件数比DS-1聚光器减少了一半,重量上减轻了30%,聚光器的安装耗时减少了1/3,并且使用低成本的挤压部件,反光镜无需排列校正,单一钻模提供了较大的耐性。目前,SGX-1聚光器技术应用于Nevada Solar One槽式聚光太阳能热发电站中。

4.IST聚光器技术

IST(Industrial Solar Technology)聚光器起初用于低温工业过程加热。在NREL的USA Trough计划的支持下,IST聚光器在效率上提高了很多,能应用于高温太阳能热发电,同时降低了成本。最初的IST聚光器是由铝制成,后来用电镀钢结构代替了铝制结构,用薄的镀银玻璃反光镜取代了镀铝聚合体反光镜,提高了高温条件下集热管选择性涂层的热性能和耐久性。聚光器钢结构和薄玻璃反光镜的改进使系统成本降低了15%,系统性能提高了12%,所获能量的成本降低了25%。表4-1列出了各种聚光器技术的特点。

表4-1 各种聚光器技术的特点汇总

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