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槽式太阳能中高温技术
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槽式太阳能中高温技术 

一、研究背景

目前,随着全球能源供应问题日显突出和可持续发展战略的积极推行,国际国内对太阳能中高温技术的开发应用已掀起新一轮高潮。尽管美国等工业化先进国家早在八十年代即开始了将太阳能中高温技术应用到纺织、建筑、食品加工、木材烘干等工农业生产和日常用高温取暖、开水等方面,以获得100℃以上的热水和蒸汽,但技术和设备工艺一直未获突破,产业规模化因而是不可能的。国内对此项技术的研究起步较晚,大多研究机构的研究也尚未突破以通过转动聚光镜来实现光跟踪这一传统技术路线,技术的商业化和设备的国产化难题一直解不开。德州华园新能源应用技术研究所经过几年的不断探索和实践,成功地解决了准静态光跟踪这一问题,为技术商业化和产业规模化及设备国产化奠定了基础。使用这一技术,利用国产材料制造的设备系统,在太阳辐射07~12KW/㎡的条件下(适合我国绝大部分地区),实际产生100~300℃热水和蒸汽;反射板反射率达0.92以上,设计寿命15年;单位面积造价比普通型真空管热水器还要低,是一种热效率高、经济实用,制造、安装、操作管理方便的新型太阳能中高温集热装置,系国内首创,其技术和应用方面的先进性已领先于国际,为太阳能中高温工程化、产业规模化提供了完全可能。

太阳能取之不尽、用之不竭,属于绿色洁净能源。从长远来看,在各种可再生能源中太阳能将是最主要的可再生能源,其资源远大于人类对能源的总需求,应用前景十分广阔。

广义地讲,地球上的能源约99.8%来自太阳能。而通常说太阳能利用是指太阳能的直接转化和利用,如利用半导体光伏器件将太阳能转换为电能的太阳能光伏发电,把太阳能转换成热能的太阳能热利用和热发电等。

美国是最早把太阳能中温系统用在工业加工的国家,80年代就在加里福尼亚洲的帕萨尤纳,建造了一座 600m2 太阳能中温装置,产生 170 蒸汽供洗衣房用热,可以满足洗衣房蒸汽需要量的75%。美国德克萨斯州达拉斯北80公里处,建造一座 1070m2 中温装置,产生 173 汽漂洗布匹,可满足工厂漂洗布匹需要量的60%。美国勘萨斯AAI公司建造一座太阳能蒸汽混凝土实验厂,产生 150 汽对混凝土养护。加拿大一家罐头食品加工厂,建造了一座太阳能中温系统装置,提供150 -180 蒸汽,每年可节省全厂电力消耗的20%。澳大利亚太阳能中温把导热油加热至200 -250 ,用来熔化沥青。在日本除利用太阳能中温在工业普遍应用外,还在农业上利用太阳能中温对农药解毒,以进行有毒废物的处理。在罗马尼亚太阳能中温实际应用总量已达18000平方米,等等。

近年来,我国太阳能热利用得到快速发展。特别是近几年,太阳能热水器产业得到快速发展。2003年全行业太阳能热水器总产量在1200平方米,总保有量5000平方米;截止2003年底,全国热水器企业已经超过三千多家,年总产值达120亿元,年交税金达46亿元,太阳能热水器与燃气热水器、电热水器并列已经成为三大热水器产品之一。目前,我国已成为太阳能热水器应用的绝对大国,总保有量已超过7500万平方米,企业5000多家,年产值达300亿元。但是,这仅是太阳能的低温热利用一个方面,通常用来提供40℃—80℃的生活用热水。

 

二、应用领域

太阳能热利用更为广阔的领域是工农业生产中的中高温热利用,见表1所示。

 

1:太阳能中高温系统可应用的领域


工业利用领域

用途

热能形式

温 度

能  源 发电 蒸汽 300

食品加工

冲洗
浓缩
干燥

水蒸气
蒸汽
蒸汽(空气)

80-150℃
130-190℃
130-240℃

塑料加工

引发
快速分离
挤压
干燥
混合

蒸汽
蒸汽
蒸汽
蒸汽(空气)
蒸汽

130-150℃
150℃
150℃
180℃
150℃

玻璃加工

压平
干燥纤维

空气
空气

110-150℃
130-180℃

化学工业

加热浸折
烘干

蒸汽(空气)
蒸汽(空气)

150-180℃
150-180℃

造纸工业

牛皮纸漂白
干燥

蒸汽
蒸汽

150-180℃
150℃

木材加工

窖内烘干
胶合板制备
热压纤维板

空气
蒸汽
蒸汽

80-120℃
120-180℃
200℃

合成橡胶

引发
单体回收
干燥

蒸汽
蒸汽
蒸汽(空气)

130℃
130℃
130℃

纺织工业

漂洗
处理
干燥


蒸汽
蒸汽(空气)

80-100℃
80-130℃
80-140℃

公路建设

融化沥青

蒸汽

120-180℃

烟草行业

制丝

蒸汽

150-200℃

  从表中可看到,太阳能中高温热利用在工农业生产中具有很大市场,应用的关键在于要有先进、实用、可靠,且价格合理的太阳能中高温集热器。

 三、技术特点

普通的太阳能集热器采用平板型吸热面,这种集热器由于吸热面与外界存在热对流等损失,难以满足150℃以上中高温范围热利用要求。华园新能源应用技术研究所研制成功一种聚光真空管型新型太阳能集热器,该集热器采用非成像低倍率聚光镜、高反射比反光材料和高效集热管,构成一个中高温集热系统。该系统集热效率高,工质温度可达150~200℃,而且制造、安装和运行管理都很方便,造价低于其他集热器,属国内首创。这一研究成果在工农业领域具有广阔的应用前景。

该项槽式太阳能技术采用一种全新的聚光跟踪原理,实现了两项革命性的突破:

首先,突破了以往通过转动反射镜来跟踪太阳的传统技术路线。将庞大而笨重的反射聚光镜固定在地上,一年四季保持不动,而跟踪移动部件不仅重量轻,结构简单、而且安装方便,使用寿命长。由于反射镜是固定在地上的,所以不仅能更有效地抵御风雨的侵蚀破坏,而且还大大降低了反射镜支架的造价。

其次,更为重要的是,该设备技术突破了以往一套控制装置只能控制一面反射镜的限制。华园新能源采用菲涅尔凸透镜技术可以对数百面反射镜进行同时跟踪,将数百或数千平方米的阳光聚焦到光能转换部件上(聚光度约50倍,可以产生三、四百度的高温),采用菲涅尔线焦透镜系统,改变了以往整个工程造价大部分为跟踪控制系统成本的局面,使其在整个工程造价中只占很小的一部分。同时对集热核心部件镜面反射材料,以及太阳能中高温直通管采取国产化市场化生产,降低了成本,并且在运输安装费用上降低大量费用。

这两项突破彻底克服了长期制约太阳能在中高温领域内大规模应用的技术障碍,为实现太阳能中高温设备制造标准化和产业化规模化运作开辟了广阔的道路。华园新能源利用该项技术生产一套200平方米的太阳能热水系统约二十万元左右,一年四季都可以产生100度以上的热水(温度还可以更高,如二、三百度的工业用热),且适用于我国绝大部分地区。

 

四、市场瞻望

太阳能的中高温应用在工业领域具有无限广阔商业前景,在我国还是一个空白,该技术大幅度地降低了太阳能中高温应用的成本,使其具有了明显的商业竞争优势,为其通向商业运行扫清了障碍。该项技术可以广泛地应用于:太阳能热发电、日常饮水、采暖、空调、发电、纺织、印染、造纸、橡胶、海水淡化等各种需要热水和热蒸汽的生产和生活领域。可以预期该技术必将为二十世纪太阳能的广泛应用起到积极的促进作用。


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