|
菲涅爾透射線聚光中高溫太陽能集熱系統(tǒng)
一、 傳統(tǒng)槽式拋物面聚光器的缺陷
在太陽能聚光集熱技術(shù)中，傳統(tǒng)的槽式拋物面聚光器是應(yīng)用最廣泛、最成熟的技術(shù)之一，它在許多大型的太陽能熱電廠中都得到了成功的利用。在太陽能跟蹤系統(tǒng)的精確控制下，它能收集到大于400℃以上的高溫。
至上世紀(jì)90年代初，LUZ太陽能熱發(fā)電國際有限公司就在美國加州沙漠相繼建成了9座槽式太陽能熱發(fā)電站，總裝機(jī)容量353.8MW，并投入并網(wǎng)營運(yùn)。經(jīng)過努力，電站的初次投資由1號電站的4490美元/kW降到8號電站的2650美元/kW，發(fā)電成本從24美分/kWh降到8美分/kWh?？梢姴凼教柲軣岚l(fā)電站是很有開發(fā)前景的，也是目前國際國內(nèi)普遍看好的發(fā)展方向，其技術(shù)相對成熟。目前國際上，槽式太陽能集熱器的制造商主要有Flagsol公司、Solel公司、Sener公司、Solucar公司和IST公司等。但LUZ公司最后宣布倒閉，原因是電站的管理維護(hù)花費(fèi)巨大資金，以致太陽能電站入不敷出，最后不得不倒閉。分析原因是拋物面槽式聚光器具有重大的工程缺陷，分析如下（理論上是非常完美的）：
（1）為了獲得太陽光的能量，它的開口一般都做得很大，一般可達(dá)到6~8米，為了將上面的玻璃反射鏡支撐住，并能抗擊風(fēng)的吹擊，特別不能因風(fēng)而產(chǎn)生扭曲變形，否則光線不能反射到接收器上，需要堅固而沉重的支撐架子，這個要求是苛刻的，當(dāng)跟蹤機(jī)構(gòu)驅(qū)動整體系統(tǒng)跟蹤太陽運(yùn)轉(zhuǎn)時，就需要巨大的電力（消耗了自身電力的25%），從而降低了它自身的效率。
（2）它的聚光面朝上，特別容易積聚塵土，降低了系統(tǒng)的聚光率，而且不易清掃。對暴雨和暴雪的沖擊也難以應(yīng)付，必須旋轉(zhuǎn)至凸面朝上才能安全，這又消耗了系統(tǒng)本身的電力，減少了系統(tǒng)的電力輸出。
（3）其接收器采用真空集熱管，它的反射光線主要來自下方，所以接收管的上下表面受熱不均，容易產(chǎn)生熱彎現(xiàn)象，甚至使真空管破裂。
（4）它的真空管接收器置于空中，當(dāng)真空管高溫運(yùn)行時，它與天空進(jìn)行輻射換熱，輻射損失嚴(yán)重。
（5）要求高精度的跟蹤。對于大型的槽式拋物面聚光器，需要的最小跟蹤精度為0.1°，如果光線傾斜入射，要求的精度更高。一般需要液壓跟蹤，大大增加了系統(tǒng)成本。
這些缺陷的存在，限制了槽式拋物面聚光系統(tǒng)的應(yīng)用。也使太陽能熱動力技術(shù)由于成本高昂而難于為用戶接受。因此，尋找新的聚光技術(shù)成為我國發(fā)展太陽能熱電的關(guān)鍵。本項(xiàng)發(fā)明專利技術(shù)將透射與反射以及二次再聚光技術(shù)融為一體，取之最有效的部分，并將系統(tǒng)整體設(shè)計為轉(zhuǎn)輪式，大大節(jié)省了驅(qū)動系統(tǒng)所需要的電力，具有重大的工程優(yōu)勢。
二、菲涅爾透射聚光高溫集熱系統(tǒng)的工作原理
菲涅爾透射聚光的原理是利用光線在不同厚度的材料中折射方向不同來實(shí)現(xiàn)的。如下圖所示。光線通過它時，由于曲面是彎曲的，所以上下表面的折射方向不同，通過設(shè)計，可以將不同地點(diǎn)入射的光線都折射到同一個地方。這就是菲涅爾透射聚光的工作原理。菲涅爾透鏡只取圓柱面上的一部分。并將光折射到圓柱面的下表面上，使得裝置的重心正好在圓柱的圓心上，使系統(tǒng)運(yùn)行輕便。
除了透射聚光器外，其他的部件與傳統(tǒng)的槽式拋物面聚光系統(tǒng)基本相同，但由于它的真空管接收器放在了聚光器的下方，所以它可以設(shè)置二次聚光器，可以把沒有直接打到真空管的光被再次反射到真空管上。
聚光器由有機(jī)透明材料根據(jù)光學(xué)原理設(shè)計、并采用精確模具注塑成型，組成材料采用抗紫外的PC制造，PC材料就是制造汽車大燈的材料，可以在太陽光下工作近十年。聚光器的外觀如圖所示：
三、聚光實(shí)驗(yàn) （1）菲涅爾透射聚光效果 菲涅爾聚光器由PC材料制造，PC材料具有很高的透射率，本聚光器的平均厚度為6mm，因此我們的聚光器的平均透射率達(dá)到88%~90%。由于是模具制造，尺寸大小比較規(guī)范，所以聚光效果非常良好，下圖是單片聚光器的聚光光斑照片，光斑寬度在3.5厘米左右，如果二次聚光器的寬度在15厘米的話，可以8分鐘跟蹤一次。大大節(jié)省了跟蹤電機(jī)的電耗和跟蹤精度的要求。
（2）菲涅爾透射聚光太陽能中溫系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)
四、系統(tǒng)的重要優(yōu)勢 本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，圍繞重心選擇，相比槽式拋物面系統(tǒng)，具有如下重要的工程優(yōu)勢： （1）系統(tǒng)的抗風(fēng)能力強(qiáng)，因?yàn)樗巧舷露一境蕡A柱形結(jié)構(gòu)，可以放得很低，甚至它的下半部分可以置于地平線之下； （2）因?yàn)樗卸尉酃馄鳎虼诵枰母櫨纫蠛艿?，不像槽式拋物面聚光那樣，只有單?dú)的真空管接收器，它的跟蹤精度要求大約在1.5°，比傳統(tǒng)拋物面放大了7倍，如此低的跟蹤精度可以用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動，避免了液壓傳動跟蹤系統(tǒng)的大投資，大大減低了跟蹤成本，也降低了跟蹤系統(tǒng)的電力消耗（系統(tǒng)圍繞軸心轉(zhuǎn)本身也最省功）。 （3）裝置中，菲涅耳透射鏡的凸面朝上，真空管和二次聚光器又都置于菲涅爾聚光器的下方，大大減輕了受風(fēng)雨和塵土的侵蝕，不會因環(huán)境因素降低其光學(xué)性能。即使是暴雨和暴雪也對系統(tǒng)的損害不大，無需臨時旋轉(zhuǎn)到朝上位置。因此它的抗雨雪和塵土的能力大大加強(qiáng)； （4）此類系統(tǒng)由于設(shè)計了二次反射器，也使真空管處于一個相對的溫室系統(tǒng)中，大大較少了熱損失，同時接收器上下得到加熱，提高了接收器的效率，也避免了熱彎現(xiàn)象的產(chǎn)生。 （5）聚光器采用傳統(tǒng)有機(jī)透明材料制造，可以流水線生產(chǎn)，大大降低了系統(tǒng)的制造、安裝和維護(hù)成本 五、產(chǎn)品前景 在環(huán)境污染日益嚴(yán)重，人們普遍期待綠色用能的今天，利用太陽能發(fā)電正在成為人們首選的課題。然而，塔式太陽能發(fā)電成本太高，拋物盤式分體發(fā)電不利于規(guī)?；?，而槽式太陽能聚光發(fā)電又有諸多缺陷，本太陽能聚光系統(tǒng)也許是最可行的方法。如果本項(xiàng)目研究成功，將為太陽能聚光發(fā)電提供最有價值的聚光系統(tǒng)，也為中國的太陽能產(chǎn)業(yè)派生了一個新的增長點(diǎn)，對提升我國的太陽能產(chǎn)業(yè)規(guī)模和科技含量無疑具有重大意義。另外，新型高溫集熱系統(tǒng)在許多其它領(lǐng)域也有重要的應(yīng)用價值。如在太陽能海水淡化技術(shù)、太陽能空調(diào)技術(shù)領(lǐng)域等。由于目前沒有低成本耐候性強(qiáng)的中溫（約150℃）太陽能集熱器，致使太陽能海水淡化系統(tǒng)的整體效率不高，制約了太陽能海水淡化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展?，F(xiàn)有的太陽能制冷技術(shù)，包括吸收式和吸附式制冷，都因太陽能集熱器工作溫度太低（小于90℃）而使系統(tǒng)效率太低，限制了太陽能空調(diào)系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。尚迪福線聚光太陽能集熱系統(tǒng)將使太陽能空調(diào)的工作溫度從現(xiàn)有的80至90℃提高到120至150℃，COP值從0.4 提高到1.0以上。將極大地推動太陽能空調(diào)的發(fā)展。 |
|
|
