終極槽太陽能集熱器性能成本分析

謝 寧 中國葛洲壩集團(tuán)裝備工業(yè)有限公司

1 引言

太陽能光熱技術(shù)主要分為塔式、槽式、碟式和線性菲涅爾式四種類型。其中，槽式光熱發(fā)電技術(shù)作為首個商業(yè)化的發(fā)電方式，其技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、運(yùn)營經(jīng)驗都是比較成熟的，也是目前實現(xiàn)可靠商業(yè)化運(yùn)行的太陽能熱發(fā)電技術(shù)。槽式太陽能集熱槽是槽式太陽能光熱發(fā)電系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。

目前市場上主流的集熱槽型代表為西班牙SENER公司的Sener Trough II，歐洲槽（Euro Trough）、終極槽（Ultimate Trough）、西班牙Abengoa 公司的ST8。終極槽技術(shù)是德國FlabegFE 公司研發(fā)的最新一代集熱槽型。該槽型是在歐洲槽技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的槽式光熱發(fā)電新技術(shù)，在目前所有槽式技術(shù)中，終極槽經(jīng)濟(jì)性最好，且具有較大的聚光比，能夠較好的應(yīng)用于熔鹽介質(zhì)。

2 終極槽與ST8槽型技術(shù)對比

終極槽是歐洲槽的一次技術(shù)升級，采用的是框架抗扭箱結(jié)構(gòu)。ST8槽型則采用的是空間框架結(jié)構(gòu)。相同情況下，與框架抗扭箱結(jié)構(gòu)相比，空間框架結(jié)構(gòu)鋼架重量更輕，但現(xiàn)場安裝成本控制較高，由于在風(fēng)載下其很容易變形導(dǎo)致了光學(xué)性能及抗風(fēng)性能較差。反之，框架抗扭箱結(jié)構(gòu)利用懸臂可為反射鏡提供更為有力的支撐，不易形變，導(dǎo)致其在光學(xué)性能、抗風(fēng)性能具有更優(yōu)異的性能，且現(xiàn)場安裝成本較低，但是重量要比空間框架結(jié)構(gòu)重的多。終極槽能抵抗42m/s的強(qiáng)風(fēng)，而ST8只能抵抗38m/s的風(fēng)速。

表1 終極槽與ST8槽技術(shù)參數(shù)對比

綜合比較來看，ST8 具有更高的聚光比，但由于結(jié)構(gòu)相對脆弱，聚焦能力反而較差，光熱轉(zhuǎn)換關(guān)鍵參數(shù)攔截因子比終極槽相差3.7 個百分點。同時，ST8 的SCA 集熱面積比終極槽小23.7%，整個光場建設(shè)中需要更多的回路組件，系統(tǒng)會更復(fù)雜。

表2 某光熱電站為例終極槽與ST8槽參數(shù)對比

由上表看出，相同容量的光熱電站，由于發(fā)電效率只有15.1%，ST8 集熱面積比Ultimate Trough高5.7%。

從整個集熱場投資看，使用終極槽技術(shù)的集熱場總投資可比ST8降低了10%左右。主要原因是，ST8需要更多的回路組件和輔助系統(tǒng)，這部分成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鋼結(jié)構(gòu)節(jié)省下來的成本，同時由于ST8 槽鋼結(jié)構(gòu)的輕量化，使得其光熱轉(zhuǎn)化效率沒有實質(zhì)性提高。

3 集熱槽開口寬度分析

集熱槽大型化是目前槽式集熱器的發(fā)展趨勢，可以進(jìn)一步降低太陽能聚光場的投資成本，同時提高光熱轉(zhuǎn)化效率。集熱槽的開口寬度是衡量集熱槽性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一。當(dāng)前市場主流的集熱槽型中，Abengoa 公司的ST8 開口寬度是最大的，達(dá)到8.1m；終極槽（Ultimate Trough）開口寬度為7.5m，Sener Trough II 開口寬度為6.87m，歐洲槽（Euro Trough）開口寬度為5.77m。

但通過ST8 槽與終極槽對比，開口寬度并不是越大，聚光效率就會越好，開口越大，系統(tǒng)因自重、不穩(wěn)定載荷等因素產(chǎn)生的變形就會越大，直接會導(dǎo)致聚光效率的下降。同時在極端惡劣的環(huán)境（強(qiáng)風(fēng)、溫差）中，系統(tǒng)需要保持穩(wěn)定運(yùn)行所要配置的組件成本也會大幅增加。目前，終極槽在所有槽型中體現(xiàn)了最好的技術(shù)優(yōu)勢和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢，有利于應(yīng)用于實際項目。因此在今后的研發(fā)中，是否要繼續(xù)擴(kuò)大集熱槽本身的開口寬度來換取更高效的光熱轉(zhuǎn)化效率，需要在后續(xù)的更多的研發(fā)工作和實驗驗證。

4 終極槽與歐洲槽、Sener Trough II技術(shù)對比

從表3 可看出，終極槽是重量最重的集熱器，集熱器質(zhì)量密度達(dá)到29.7kg/m2,但是在集熱面積比歐洲槽減少了9%，回路數(shù)量上減少了56.6%，比Sener Trough II 減少了42%。因此終極槽整體性能相對優(yōu)異。

表3 某光熱電站太陽島各槽型參數(shù)對比

表4 某光熱電站太陽島各槽型投資對比

通過表4數(shù)據(jù)所示，終極槽在主要部件投資上與歐洲槽相比高出7%，與Sener Trough II 相比高出6%，但是從總投資上看終極槽總投資最低，與歐洲槽相比低15%，與Sener Trough II相比低10%。

5 結(jié)束語

太陽能集熱槽是槽式太陽能光熱電站熱量來源的核心部件之一。太陽能集熱槽性能的優(yōu)劣直接影響著光熱電站的發(fā)電效率。終極槽是當(dāng)前市場中主流槽型，具有較大的開口尺寸及較高的光學(xué)性能，與其他類型的槽型相比，其鋼結(jié)構(gòu)的花費(fèi)較高，但通過技術(shù)優(yōu)化，利用終極槽技術(shù)的集熱場的總投資是最低的。成本節(jié)約主要體現(xiàn)在基礎(chǔ)、回路組件（旋轉(zhuǎn)接頭、傳感控制、驅(qū)動、閥門等）、管路系統(tǒng)、儲熱系統(tǒng)以及更小的集熱面積上，是目前市場上效率最高、投資成本最低的槽式集熱器技術(shù)。