槽式光熱發(fā)電反射鏡的分析選擇

李良君天津輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院

槽式光熱發(fā)電反射鏡的分析選擇

李良君
天津輕工職業(yè)技術(shù)學(xué)院

槽式光熱發(fā)電是利用拋物線的光學(xué)原理，將多個(gè)槽型拋物面聚光集熱器經(jīng)過串并聯(lián)的排列，聚集太陽輻射能，加熱工質(zhì)，產(chǎn)生高溫蒸汽，驅(qū)動汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電的一種太陽能光熱發(fā)電技術(shù)，也是技術(shù)最成熟、基本實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化的光熱發(fā)電技術(shù)。槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)反射鏡的選擇決定了槽式集熱場的綜合性能，并最終影響著光熱項(xiàng)目的運(yùn)行表現(xiàn)。

光熱發(fā)電；槽式；反射鏡

槽式拋物面反射鏡的選擇決定了槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)的綜合性能，并最終影響著光熱項(xiàng)目的運(yùn)行表現(xiàn)。從最早開始投入應(yīng)用的熱彎玻璃反射鏡起，到已趨主流的彎鋼化玻璃反射鏡，槽式光熱發(fā)電反射鏡經(jīng)歷了一次大的演變更迭。

一、兩種彎玻璃產(chǎn)品的對比

熱彎玻璃：將玻璃原片在金屬模具上加熱軟化后，靠玻璃自重或外界作用力將玻璃彎曲成型，然后自然散熱冷卻成型。這種工藝決定了熱彎玻璃是一種脆性材料，其內(nèi)部應(yīng)力不均，抗張強(qiáng)度低，球面變形嚴(yán)重，極易破碎，很不安全。

熱彎玻璃可以通過用兩片做成夾層的方法而成為安全玻璃。但反射鏡背面的保護(hù)漆和金屬反射層無法和底部玻璃很好地結(jié)合，且重量和成本都太高，所以夾層熱彎玻璃在光熱發(fā)電中并未得到廣泛使用。

彎鋼化玻璃：加熱軟化成型和熱彎玻璃相同，但冷卻過程是用專用設(shè)備均勻快速冷卻的。這種冷卻工藝使其具有良好的機(jī)械和安全性能，表面壓應(yīng)力在90Mpa以上，機(jī)械強(qiáng)度是普通玻璃的4~5倍。

鋼化玻璃的熱穩(wěn)定性表現(xiàn)良好，能承受的溫度超出普通熱彎玻璃2倍，可經(jīng)受-40~327.5℃的巨大溫差變化而不碎裂。破碎后碎片為無銳角小顆粒，避免了人身傷害。其抗彎強(qiáng)度是普通熱彎玻璃的8倍，抗沖擊強(qiáng)度高出12倍。這些優(yōu)點(diǎn)使彎鋼化玻璃在對機(jī)械強(qiáng)度和安全性能要求較高的場所得到廣泛應(yīng)用。

彎鋼化玻璃的生產(chǎn)效率比熱彎玻璃高。熱彎玻璃每小時(shí)大約生產(chǎn)50片，而彎鋼化玻璃大約180片（通過調(diào)節(jié)生產(chǎn)流程，彎鋼化玻璃的生產(chǎn)效率還有提升空間）。此外，彎鋼化玻璃的面型參數(shù)比熱彎玻璃更好調(diào)節(jié)，也就更容易調(diào)節(jié)和控制槽式聚光鏡的聚光精度。

兩種玻璃產(chǎn)品的性能對比如下表：

工藝優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)彎鋼化玻璃原片加熱至軟化溫度，使玻璃彎曲成型后，再由專用設(shè)備快速均勻冷卻而成更高機(jī)械性能鋼化風(fēng)冷卻設(shè)備價(jià)格高熱彎玻璃原片加熱至軟化溫度后，靠玻璃自重或外界作用力將玻璃彎曲成型，并經(jīng)自然冷卻而成自然冷卻抗張強(qiáng)度低，是脆性材料說明熱加工工藝一致，冷卻方式不同

破壞應(yīng)力（mpa）耐風(fēng)壓力（mpa）抗沖擊高度安全性135 3011 3291 4.5m完全66 860 940 1.3m不安全允許最大破壞應(yīng)力單片RP3內(nèi)片單片RP3外片225g鋼球

可見，熱彎玻璃是在鋼化玻璃還未出現(xiàn)時(shí)的過渡性產(chǎn)品。如果對玻璃安全性有要求，應(yīng)全部采用熱彎夾層或（彎）鋼化玻璃。

二、最優(yōu)化的槽式反射鏡選擇

熱彎玻璃（RP1）和熱彎夾層玻璃（RP2）槽式反射鏡在實(shí)際應(yīng)用中經(jīng)常破損，已退出主流市場。彎鋼化玻璃（RP3）反射鏡的抗風(fēng)載等能力相對更強(qiáng)，開口也更小，是目前市場的主流，。據(jù)國外已有項(xiàng)目報(bào)告，采用開口較大的熱彎反射鏡，破損率更高，運(yùn)行成本增大，收益明顯降低。

鋼化反射鏡廠商Rioglass的50MW帶儲熱槽式光熱電站顯示，RP3型反射鏡的更換成本和由此產(chǎn)生的人工成本分別是RP1和RP2的1%和2%；RP1和RP2型反射鏡破損時(shí)呈塊狀，極易損壞集熱管，帶來很高的集熱管材料和人工成本，而RP3型幾乎對集熱管沒有損壞。在25年的運(yùn)行周期內(nèi)，該光熱電站這部分的總運(yùn)維支出，RP3型比RP1和RP2分別節(jié)省約5,249,000和2,599,500歐元。

彎鋼化反射鏡的具體性能指標(biāo)也不盡相同。對于國內(nèi)應(yīng)用項(xiàng)目，槽式反射鏡的選擇應(yīng)重點(diǎn)考慮以下幾方面：

1.西北地區(qū)風(fēng)大溫差大，必須參考太陽能聚光器模塊和組件設(shè)計(jì)資格和類型標(biāo)準(zhǔn)（IEC62108：2007）及集中式光電模塊和組件設(shè)計(jì)資格鑒定和類型認(rèn)可標(biāo)準(zhǔn)（BSEN62108：2008）中的要求，對產(chǎn)品的抗機(jī)械荷載能力進(jìn)行測試。

保證集熱器在45m/s風(fēng)速時(shí)不會被破壞，即反射鏡在162km/h以下速度時(shí)不能破損。熱彎玻璃的強(qiáng)度較低，只能滿足最高100km/h風(fēng)速的要求，而彎鋼化玻璃的最高破壞風(fēng)速可達(dá)200km/h。

2.抗沖擊測試必須符合GB9656-2003對汽車安全玻璃（或GB15763.2-2005建筑用安全玻璃）的要求。采用227g鋼球沖擊時(shí)，彎鋼化玻璃在4.5m高度不破壞，熱彎玻璃則只能承受1.3m高，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

彎鋼化玻璃RP3反射鏡內(nèi)片（1700*1641*4.0mm）的允許耐風(fēng)壓為3011Pa，熱彎玻璃反射鏡僅為860Pa；RP3反射鏡外片（1700* 1501*4.0mm）為3291Pa，熱彎玻璃反射鏡僅為940Pa。

根據(jù)抗荷載設(shè)計(jì)要求，槽式光熱發(fā)電反射鏡最低承載雪壓為2400Pa，熱彎玻璃反射鏡根本滿足不了設(shè)計(jì)要求。