槽式集熱器

槽式集熱器是一種利用的是光熱轉化方式，通過聚焦、反射和吸收等過程實現光能到熱能的轉化，使換熱介質達到一定溫度，以滿足不同負載的需求的集熱裝置。槽式集熱器屬於中高溫集熱器的範疇，可以使換熱工質得到比較高的溫度，可被用到熱發電、海水淡化處理、供暖工程、吸收式製冷等生活和生產領域。

由於太陽能廣闊的套用前景，太陽能是槽式集熱器的主要能量來源。太陽能槽式集熱器在太陽能利用系統中占據主導地位，它為系統提供熱源，其效率和投資成本會影響到整個集熱系統的效率和經濟性。槽式太陽能集熱裝置採用真空玻璃管結構，即內管採用鍍有高吸收率選擇性吸收圖層的金屬管，管內走加熱介質，在外面為玻璃管，玻璃管與金屬管間抽真空以抑制對流和傳導熱損失。

基本介紹

• 中文名：槽式集熱器
• 外文名：trough collector
• 類型：集熱裝置
• 主要能源：太陽能
• 目的：光熱轉換

工作原理

槽式集熱系統是利用槽式拋物面聚光反射器聚集得到高熱流密度的太陽輻射能來實現系統的光熱轉換過程。

太陽能槽式集熱器結構系統圖

太陽光透過大氣層入射到地球表面，會產生較低熱流密度的輻射能，直接利用會影響其經濟性，只有將低熱流密度的輻射能通過聚集，才會轉化為高熱流密度的輻射能。從光學理論分析可知，拋物線聚光是唯一一種可以把一束平行光匯聚到一點的線型。因此，拋物面聚光成為一種十分常見的聚光形式，太陽能槽式集熱器就是其中的一種。

太陽光入射到地球表面照射到加裝太陽跟蹤裝置的拋物面反光鏡上，此時太陽光線便可以保持大致與拋物面垂直的角度入射到槽式拋物面反光鏡上，反光鏡將接收到的太陽光聚集到集熱管表面，這樣集熱管便接收到了高熱流密度的太陽輻射能，通過與管內介質的熱傳遞，將管內流動介質加熱，從而為生產生活提供動力。

系統組成

整個系統由槽式拋物面聚光集熱器陣列、跟蹤裝置以及相應的控制系統組成，其中槽式拋物面聚光集熱器是該系統的核心部件，主要由槽式聚光反射器和接收器組成。槽式集熱器主要由三部分組成：集熱子系統、導熱油子系統、能量交換子系統。

集熱子系統

集熱子系統主要包括支架、反射鏡面和真空集熱管。太陽能真空集熱管是槽式太陽能集熱器的核心設備。包括不鏽鋼內管，外面包裹的玻璃套管、除氣環、波紋管。為了獲得更好的光學性能，金屬管表面外鍍有選擇性塗層，該塗層對於太陽光譜具有很高的吸收率和低的發射率，從而減少了金屬吸熱管對外的輻射熱損失。玻璃套管通常由耐熱玻璃製成，在高溫下具有優良的強度和光透過率。在玻璃套管與金屬吸熱管之間抽成真空以抑制對流散熱。在玻璃套管與金屬管封接處，使用波紋管連線，這樣可以匹配金屬吸熱管與玻璃套管的熱膨脹。

導熱油子系統

循環工質採用導熱油,儲存於儲油罐中,首先經高溫離心泵泵送到電加熱器中預熱,使其達到進口溫度要求,進入太陽能集熱系統,吸收太陽熱能後,被輸送至冷卻器,在冷卻器內冷卻至太陽能集熱器進口溫度,最後回到儲油罐中,完成一個循環。

能量交換子系統

經槽式太陽能吸收器加熱後的高溫導熱油,先後經過個管殼式換熱器,換熱器另一側為冷卻水,導熱油被冷卻至一定溫度。這樣,導熱油介質吸收的太陽熱能從太陽能島側被交換到動力側，冷卻後的導熱油進入儲油罐。

發展背景

當今社會，隨著世界各國對化石燃料的大規模使用，促進了經濟的快速發展，為人們的生產生活帶來了極大的便利。但與此同時，人類賴以生存的生態環境也遭到了嚴重的破壞，尤其近些年，全球範圍內自然災害頻發，霧霾等環境污染十分嚴重，許多地區常年處於環境污染的重災區，空氣品質極差，能源開採和保護環境這兩個相互矛盾的個體已經成為制約經濟發展的核心問題，及時調整能源結構，使用安全、清潔的能源迫在眉睫。因此，在這樣的背景下，新能源和可再生能源的開發應運而生，逐漸成為當今社會的主流研究方向，以節約能源、保護環境及可持續發展為理念的新能源革命已在全球興起。

未來幾十年世界能源利用的情況預測中，太陽能及地熱能等可再生能源將成為世界範圍內的主要能源，其中太陽能將成為最具利用價值的能源。究其原因，從廣義上講，地球上存在的所有自然能源，幾乎全部來自於太陽能。並且相比於其他幾種綠色能源，太陽能具有資源豐富，能量巨大，清潔無污染這幾個突出的特點，因而必將成為未來研究的核心能源。

在對太陽能資源的利用方面，國內外學者結合現代科技手段，研究出了太陽能光伏轉換技術、太陽能光化學轉換技術以及太陽能光熱轉換技術這三種主要利用方式。相比於前兩種，太陽能光熱轉換技術由於在使用過程中可以產生大量的熱能，因而具有十分廣泛的用途。其中聚光型太陽能熱利用技術由於具有高儲熱量，間接降低用電成本的突出特點，因而自20世紀以來，引起了國內外各學者的廣泛關注。

聚光型太陽能集熱器按照接收器的形狀不同，主要分為槽式、塔式、碟式以及複合拋物面式幾種類型，其中槽式聚光系統是國內外開發利用最多的一種集熱器類型，主要是因為其具有安裝方便，結構簡單，安全且可靠性高等優點。太陽能槽式集熱器在太陽能利用系統中占據主導地位，它為系統提供熱源，其效率和投資成本會影響到整個集熱系統的效率和經濟性。

套用現狀

太陽能集熱器作為太陽能熱利用的主要元件，具有十分廣泛的套用價值，但相比之下，太陽能槽式集熱器比傳統的太陽能集熱器具有更高的熱效率，尤其在熱發電領域具有相當成熟的套用技術，其中美國作為太陽能熱發電技術的佼佼者，取得了十分突出的研究成果。

從1945年起，美國LUZ公司陸續在加州沙漠地區建立了9座太陽能槽式發電站，年發電量達到1.1GW·h，總裝機容量在353.8MW，整個系統的效率在13%左右。2007年，美國的槽式發電系統已經在內達華州實現併網發電，與此同時又新增12座槽式發電站，截止到2012年，美國已約有3100MW發電系統實現併網。隨著研究的深入，歐洲各國也相繼展開對該項技術的探索，2006年，西班牙政府在牙格拉納達開展Andasol1號和Andasol2號項目，並於2008年和2009年實現併網運行。美國、西班牙、埃及等歐美國家對太陽能槽式發電系統的研究處於領先地位。

太陽能槽式發電站

此外，太陽能槽式集熱器在工業生產中的價值也越來越明顯，尤其在食品加工業、化工、水處理、製冷等方向具有突出優勢。2009年，AbengoaSolar公司在美國能源局的許可下，建立了一套污水處理系統，採用槽式聚光集熱裝置，將管內的乙二醇溶液加熱到77℃後，蒸餾處理地下污水，該系統每年可提供175MW的能量，減少二氧化碳排放量達到75t，大大實現了節能降耗。2006年，Cochise社區大學設計並研發了一套用於加熱、通風和空調系統的槽式聚光裝置，管內流體介質為乙二醇溶液，該系統主要將加熱後的溶液輸送到蓄熱管，實現對整個學校的製冷及供熱，通過對該設備實際運行時的成本進行估算發現，該校每年可節約電費約3萬美元。

我國在太陽能槽式集熱器的套用方面儘管起步較晚，但隨著科技的進步和國內專家學者的不斷研究，近年來也取得了較大的突破。在“十五”和“十一五”期間，中國科學院電工研究所聯合中國科學院長春光機研究所、東南大學等多家機構，對太陽能熱發電技術進行全面研究，主要針對反射器、吸熱管、控制系統以及關鍵材料的研究，取得了顯著成果。2011年6月，新疆吐魯番地區成功併網運行一個180KW的槽式發電站。南京春輝科技聯合河海大學組成攻關隊伍，通過對太陽能槽式集熱器的方位感測器、跟蹤裝置、吸熱管與反射器這幾個主要結構進行研究，針對如何提高集熱器效率方面取得了突破性進展。2011年8月，內蒙古鄂爾多斯興建了一座的50MW槽式太陽能熱發電項目，經國家能源局審批通過，開始正式施工建設，預計於2019年完成全部工程，是迄今為止世界上最大可供人類使用太陽能項目，同年12月，大唐天威集團在甘薯礦區建成了一座10MW的槽式聚光熱發電示範工程。

與此同時，隨著世界各國對節能降耗實施力度的加大，石油、天然氣資源的開發成本逐漸降低。而油田系統則同時兼具產能和耗能雙重身份，特別是在原油集輸、開採等流程中需要消耗大量的能量，因而太陽能熱利用在石油生產方面也越發受到重視。委內瑞納的一條長32km的稠油管道，通過採用太陽能加熱集輸後，輸油溫度從28℃提高到60℃，輸油能力提高了17%。2008年，新疆塔克拉瑪某油田通過採用太陽能光伏發電技術，實現了對油井抽油機系統供電。2009年，中國淮建油田採用太陽能加熱集輸工藝實現對儲油罐的保溫，同時研發出一套光熱系統，將太陽能加熱產生的蒸汽注入地下，從而提高油田的採收率。

特點優勢

槽式集熱器可以實現光能到熱能的轉化，是利用太陽能的一種有效方法。槽式集熱器進行熱發電技術是將低密度太陽能聚集起來，通過換熱設備將熱量傳給傳熱介質產生高溫蒸汽，然後驅動傳統發電設備產生電能的新技術。太陽能熱發電技術與其他發電技術相比經濟性好、投資少、電價低，而發電方式與傳統發電方式相同，對電網影響小，無需專用技術改造即可入網;原料無高污染、高能耗工序，在環保和節能方面有大優勢。太陽能熱發電技術特別適用於大規模發電，不僅可以改變我國以煤為主的常規發電結構，也是未來我國電力行業可持續發展的重要一部分。