条式太阳能热动力发电讲解

1、条式太阳能热动力发电 条式太阳能热动力发电简称条式发电。条 形线性菲涅耳反射式聚光装置的聚光比为 35100，聚光温度在300度左右，因此条式发 电属于中温太阳能热动力发电。 条式太阳能发电站的系统组成与工作原理 1.电站系统组成 条式太阳能热动力发电站由五部分组成：条形菲涅耳反射 式聚光装置，塔杆顶接收器，储热装置，热动力发电机组， 监控系统。 条式太阳能热动力发电站系统除去条形菲涅耳反射式聚光 装置和塔杆顶接收器外，其他的储热装置和热动力发电机 组与槽式发电或塔式发电相同或相近。 2.电站工作原理 条式太阳能热动力发电的基本工作原理是，应用条形线 性菲涅耳反射式聚光装置，将太阳直射辐射聚焦

2、到塔杆 顶接收器上，加热工质，产生湿蒸汽，再经过热，推动 汽轮发电机组发电，从而将太阳能转换成电能。提出条 式发电的原因，在于和槽式发电相比，可以有效的降低 太阳能热动力发电站的比投资。 条形线性菲涅尔反射式聚光装置 1.线性菲涅尔反射聚光原理 传统的菲涅尔透镜是菲涅耳光学系统的第一聚光形式，它 的依据是光通过不同界面时产生折射，从而达到聚光的目 的。其工作原理十分简单：假设一个透镜的折射能量仅仅 发生在光学表面（如：透镜表面），拿掉尽可能多的光学 材料，而保留表面的弯曲度。 另外一种理解就是，透镜连续表面部分“坍陷”到一个平 面上。如下图： 从剖面看，其表面由一系列锯齿型凹槽组成，中心部分是

3、 椭圆型弧线。每个凹槽都与相邻凹槽之间角度不同，但都 将光线集中一处，形成中心焦点，也就是透镜的焦点。每 个凹槽都可以看做一个独立的小透镜，把光线调整成平行 光或聚光。这种透镜还能够消除部分球形像差。 设想将众多的条形平面镜中心轴按设定的型线排列，例如 圆、抛物线或直线，采用跟踪装置使各条形平面镜的镜面 跟踪太阳视位置，共同瞄准目标，同样可以达到聚光的目 的。若其中心轴按圆排列，具有圆面反射聚光特性，若按 抛物线排列，则具有抛物面发射聚光特性，若按直线排列， 则具有线性菲涅尔反射聚光特性。只是这种聚光不像抛物 面镜那样，聚为一焦点或一焦线，而是汇聚在与条形平面 镜宽度相关的焦面上。 2.条形反

4、射镜的方位和镜面布置 条形镜的方位可以有两种布置方法，即水平东西向布置和 倾斜南北向布置。这一点和槽型抛物面聚光器的布置具有 相同或相似之处。 （1）水平东西向布置 如图所示为条形聚光装置反射镜阵 列的水平东西向布置设计。若接收 器塔杆高度10米，相邻接收器塔杆 之间的间距为50米，中间布置48面 条形反射镜，镜面宽度为1米，这种 镜面布置方式，就等价于焦距为10 米的槽型抛物面聚光器。 （2）倾斜南北向布置 如图所示为条形聚光装置反射镜阵 列的倾斜南北向布置，倾角为当地 地理纬度。通常将条形镜装设在倾 斜支架上，也可顺地势坡度，利用 自然条件的便利架设条形镜阵列。 镜面做单轴跟踪。这种布置，

5、可以 增大条形镜阵列冬季和全年对太阳 辐射的采集能量。阵列背端的固定 反射镜，主要用于降低条形镜的安 装倾角，以及在特定情况下将来自 条形镜的反射太阳辐射做二次反射 到接收器。 镜位布置设计 在条形聚光装置反射镜阵列中，每面条形镜的镜面相对于 塔杆接收器，其镜面朝向位置称为镜位。理论上，条形镜 的镜位存在两个可能的布置选择。这就是说，若阵列为水 平东西向布置，则阵列中的每面条形镜，可以朝向南塔杆 顶接收器反射，也可朝向北塔杆顶接收器反射。同理，若 阵列为倾斜南北向布置，则阵列中的每面条形镜，可以朝 向东塔杆顶接收器反射，也可朝向西塔杆顶接收器反射。 镜位布置设计的基本概念是，选定相邻塔杆中间部

6、位的条 形镜，令其镜面的朝向依次做相反布置，形成交叉反射， 最后依据太阳入射角，由光迹追踪法确立全场条形镜阵列 的最佳位置。由分析可知，当相邻条形镜之间的分割间距 为镜面宽度时，相邻镜面之间不产生屏遮，从而可以收集 更多的太阳辐射能。这就是说镜面交叉反射允许反射镜布 置的更为紧凑，而塔杆的高度也就可以降低。这种设计概 念，将大为减少镜面占地面积，节省投资。 3.条形聚光装置的主要性能特点 条形聚光装置的外形特征介于槽型抛物面聚器和定日镜阵 列之间，而更接近前者，与前者相比有如下特点： A.平面或微凹的条形反射镜面紧贴地面安置，镜架结构设 计简易，造价低。B.镜面跟踪设计简易。C.条形聚光装置

7、的聚光比为35100，与槽型抛物面聚光器的聚光比相当。 D.条形聚光装置的接收器为固定安装在塔杆顶，它与槽型 抛物面聚光集热器相比，接收器之间无需采用挠性链接。 此外条形镜面的反射太阳辐射，主要从下而上投射到塔杆 顶接收器，更有利于在接收器中直接产生蒸汽。E.聚光装 置的运行维修费用低。 塔杆顶接收器 1.接收器的结构组成 塔杆顶接收器由多根玻璃真空集热管通过汇联管组成，可 以说是专门设计的玻璃真空管集热器。若集热管采用单排 列方式，即使紧密组排，由于玻璃真空集热管的玻璃管直 径总是大于内吸收管直径，所以相邻集热管之间总留有可 以透光的间隙，从而造成漏光损失。根据不同的设计，这 种漏光损失大约

8、18%左右。为了减少漏光损失，可以采用 交叉相错的排列方法，虽然交叉相错的排列方法增加了集 热管用量，加大了投资，但由于减少了占地面积，最终经 济上还是有利的。 2.玻璃真空集热管 这里专门设计的玻璃真空集热管，由两个主要部件组成， 即加肋承压不锈钢管和双层真空玻璃管。加肋不锈钢管为 吸收管，外层双层真空玻璃管，以便有效降低集热管的热 损失。吸收管的设计可以是单端结构，也可以是U形管， 目前的设计多采用单端结构，取其热性能更佳。双层真空 玻璃管内、管外表面为选择性吸收面，吸收的太阳辐射能 通过间隙传给吸收管。 工作原理 给水由汇流联管供给吸收管，经加热变成蒸汽，从同一个 开口返回流出。为了使给

9、水和产生的蒸汽更好的分离，并 在同一出口处能够顺利完成汽水的循环流动，若接收器为 水平布置，则吸收管必须保持有一定的倾斜度。为了强化 传热，在吸收管上加肋片，从而有效降低玻璃内管与吸收 管之间的导热热阻，提高换热效率。此外为了强化吸收管 内工质的对流换热，在吸收管的开口处加装导流子，可以 更好的集热。 真空集热管的热性能分析 （1）集热管的传热热阻 集热管的玻璃内管外表面吸收的太阳辐射能，通过4个 串联热阻传递给集热管内的集热工质。 A.玻璃内管壁导热热阻 为硼硅玻璃的热导率。外直径、长度； 直径、分别为玻璃管内管的内式中， g g k Ldd d d Lk R , ln 2 1 21 2 1

10、 1 B.玻璃内管与吸收管之间间隙的换热热阻 玻璃内管与吸收管之间的换热，由肋片导热、通过间隙的 对流和辐射组成。肋片导热包括圆周肋和径向肋片导热两 部分，设圆周肋片厚度为0.5毫米，径向肋片厚度为0.2毫 米，肋片长为4.5毫米，由分析可知，它相当于厚度0.2毫 米，长7.5毫米的单一肋片导热。此外，由于玻璃内管与 吸收管之间的间隙很小，而且之间的温差也小，因此对流 和辐射换热相对较小，可以忽略。这样间隙换热只是肋片 导热热阻为 。为沿圆周分布的肋片数为肋片导热率， 厚度和长度，分别为吸收管肋片等值式中 nk l Lkn l R f ff ff f , 2 C.吸收管壁的导热热阻 为吸收管壁

11、的热导率。 直径、外直径分别为吸收管肋片的内式中， w w k dd d d Lk R 43 3 4 3 , ln 2 1 D.吸收管内壁与工质之间的对流换热热阻 由沸腾换热可知，当吸收管内为容器沸腾时，其 对流换热系数很大，因此换热热阻很小，可以忽 略 （2）集热管的传热温降 根据已有的实验研究可知，对太阳辐射强 度为900W/m2以及条形装置的聚光比C=20 的情况，集热管的总传热温度降为20度左 右。 接收器的热损失 接收器是一组密排或疏排的集热管，等价 于平板型太阳能集热器。其热损失大致有 下面四部分组成：汇流联管隔热层的导热 损失，吸收管开口处玻璃外管的导热损失， 靠近吸收管封头处金

12、属支撑的导热损失以 及吸收管的表面辐射热损失。 3.接收器的塔杆顶布置方式 垂直布置 将接收器垂直安装在塔杆顶 上，称为垂直布置。这种情 况，条形反射镜反射的太阳 辐射从两侧投射到接收器上。 其半球向吸收率与平板相近， 通常接收器采用紧密叉排设 计。 水平布置 将接收器水平安装在塔杆顶上，称为水平布置。在这种情 况下，条形镜反射的太阳辐射从下面投射到接收器上，接 收器为单面接受太阳辐射。这种布置方式，接收器也可以 选用紧密叉排设计，可以得到相同的半球向吸收率。但由 于是单面接受太阳能辐射，将增大投资。通常接收器采用 单排设计，上层加反射板，也能达到较好的聚光集热效果。 4.塔杆顶接收器二次反射

13、系统的布置设计 所谓二次反射，就是利用二次反射镜面，将条形反射镜阵 列未能直接投射到塔杆顶接收器上的太阳辐射，通过二次 反射再投射到接收器上。换句话说就是收集漏失的太阳辐 射能，采用二次反射系统的主要缺点是，反射装置巨大， 耗费投资。其次太阳辐射经二次反射存在光学效率下降。 （1）接收器垂直布置 如图所示为接收器垂直布置的二次反 射光路图。在接收器顶端设置镜面向 下的圆形反射镜面。从条形镜阵列反 射的太阳辐射，大部分直接投射到塔 杆顶接收器上，不能直接投射到接收 器上的反射太阳辐射，通过二次反射 镜面再次反射到接收器上。 （2）接收器水平布置 如图所示为接收器水平布置 的二次反射光路图。靠近塔

14、 杆的近程投射辐射，通过设 置在接收器上部的圆面二次 反射镜面反射到接收器的上 表面，距塔杆较远的远程投 射辐射，通过设置在接收器下部的双叉二次反射镜 面反射到接收器的下表面。这种设计和不设置二次 反射的情况相比，可以使接收器的长度降低一半， 接收器的热损失相差不多，综合看，由于接收器长 度减小，相应的降低投资。 条形聚光集热装置的优化设计 1.最佳集热管长度 在具体设计条形聚光装置时，一个重要的问题是如何人根 据条形镜阵列，确定集热管长度。其实质就是接收器的光 收集率和热损之间的权衡选择。增大接收器的采光面积， 将提高光收集率，但同时增大热损。这里的比较研究，以 接收器的年输出最大有用能量收

15、益为目标。基于以上设定 条件，接收器为水平和垂直两种不同的布置方式，运行温 度均为320度，对不同的集热管计算的年输出最大有用能 量表明，塔杆间距50米、36行条形镜阵列，对水平布置而 言，集热管长1.2米最好，而对垂直布置，集热管长1米最 好。 2.装置性能优化设计 （1）优化设计计算 A.情况1 设置顶部二次反射镜，可以是圆面镜或抛物面 镜，接收器垂直布置，条形镜阵列水平南北向布置，跟踪 太阳视位置。 B.情况2 设置顶部二次反射镜，接收器垂直布置，条形 镜阵列南北向布置，按当地维度倾斜，极轴跟踪太阳视位 置，这种设计目的是改善系统的冬季性能。 C.情况3 设置下部二次反射镜，接收器水平布

16、置，条形 镜阵列水平南北向布置，跟踪太阳视位置。 D.情况4 设置下部二次反射镜，接收器水平布置，条形 镜阵列南北向布置，极轴跟踪太阳视位置。 比较分析 A.情况4性能最佳。这是因为条形镜阵列为南北向布置， 极轴跟踪太阳视位置，因此一天中聚光集热装置能收集到 最多太阳辐射能，加之接收器水平布置，光孔面积大，漏 光损失小，综合结果性能最佳。 B.在相同条件下，随塔杆高度增加即相邻塔杆间条形镜行 数的减少，镜面单位面积的有用能量收益增大，总趋势是 改善条形聚光器集热装置的性能。其原因是这种塔杆高度 增加即相邻塔杆间条形镜行数的减少，都将改善屏遮。 C.情况3的性能也远高于情况1，说明情况3也有可取之处。 综合分析，推荐接收器水平布置，配置顶部圆形二次反射 镜，条形镜南北向布置，单轴跟踪太阳视位置。相邻塔杆 间条形镜数目适中。 条