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光热发电关键设备和组件的创新方向

发布时间：2017-10-26 来源： CSPPLAZA

本文摘要：近几年来，在应对全球气候变化的大背景下，作为多国重点支持发展的战略性新兴产业，光热发电在全球范围内迎来了又一波发展热潮，中国、南非、中东北非等新兴市场为光热发电行业发展注入了新的动力。

　　近几年来，在应对全球气候变化的大背景下，作为多国重点支持发展的战略性新兴产业，光热发电在全球范围内迎来了又一波发展热潮，中国、南非、中东北非等新兴市场为光热发电行业发展注入了新的动力。

　　为尽快降低光热发电成本，产业界正在加大光热发电领域的科研投入，旨在通过光热发电的技术革新和升级来提高光热系统效率并降低光热发电成本。从关键装备角度来看，全球范围内的制造商们也在积极探索光热发电装备的创新和升级。下文统计了反射镜，集热管，槽式集热器，塔式定日镜等光热电站关键设备和组件的一些创新方向和部分创新案例。

　　一、反射镜篇

　　目前光热发电站采用的主流反射镜产品一般为六层结构，分别为超白玻璃基层、镀银层、镀铜层、底漆涂层、中漆涂层和白色面漆涂层。超白低铁玻璃是一种高透光率玻璃产品，透光率≥91%，镀银层为反射层，镀铜层为保护层，底漆涂层、中漆涂层和白色面漆涂层为防腐保护层。

　　创新方向1：反射膜

　　反射膜技术是在铝质或不锈钢等材料制成的基板上覆上一层高性能聚合物薄膜以获得轻质反射镜。此举可显著降低反射镜系统的整体重量，降低支架等系统的投资，从而降低光场系统整体投资。

　　当前在太阳能反射膜技术上研发较多的有两家公司，分别是3M和Skyfuel旗下的ReflecTech。3M以反射膜及其附属产品如膜边缘用的密封胶、清洁剂等的研发和销售为主，但并不提供整体反射镜系统方案，而Skyfuel则提供整体的SkyTrough反射膜反射镜系统方案。

　　ReflecTech的反射膜是一种镀银高分子聚合物薄膜，已经通过NERL能效测试。该技术在2011年9月份就开始在加州SEGS1&2槽式电站上进行示范运行，整体运行状况较为稳定。

　　反射膜技术目前面临的问题主要有四个。一是还没有权威机构对其反射率进行检测认证；二是使用寿命，目前还不能完全确定反射膜在运行几年后是否会发霉、变质，反射率是否会有较大的衰减等；三是其聚光精度较难控制，反射膜需要搭配金属基板，其聚光精度由金属基板如铝板决定，如何保障铝板的弧面精度是一个问题，即便铝板的精度可以保证，把反射膜贴上去这一过程也很可能会影响弧面的精度。四是经济上来看，由于缺乏实际的大型商业化项目的验证，目前并没有实际数据支撑其成本比玻璃反射镜较低的论断。

　　创新方向2：更薄厚度

　　反射镜常用的厚度标准是4mm,但事实上，玻璃越厚，太阳光到达反射镜反射层的光损越多，反射率则越低。当前主流反射镜产品的反射率在93%~94%之间，为进一步提高反射率，其中一个可行的解决方案即设法降低玻璃的厚度，从而降低反射镜系统的重量，并最终降低集热场的整体投资。

　　目前的解决方案是在强度更好的基板如蜂窝铝板、合成树脂等上面粘贴超薄反射镜。如意大利ENEA研发的一种超薄反射镜就是将蜂窝铝板先成形为抛物弧，再把0.8mm的超薄反射镜贴上去。天津滨海光热投资有限公司采用的方案则为在合成树脂制作的基板上面粘贴1mm厚的反射镜，反射率可提升至96%以上。

　　然而，厚度降低会大幅提高超白玻璃的生产成本，1mm超白玻璃的价格要远远高于4mm超白玻璃的价格（同一厂商），同时也增加了反射镜生产工艺的难度，1mm的非钢化镜在生产过程中较易破损。另外，目前采用的附属基板方案种类较多，缺乏成熟的经过商业化项目验证的案例，在强度和耐候性方面仍存在不确定性。超薄反射镜相对通用的4mm镜在成本上要高出不少，其带来的聚光效率的提升是否足以抵消并超出其成本增加尚缺乏实际案例的证实。

　　反射镜领先制造商Rioglass于2013年推出了一种创新型的“三明治”结构反射镜，其没有大幅度缩减厚度，而是采取了较为“中和”的技术路线。它将玻璃厚度从4mm降至2mm，前层为2mm厚的镀银层和铜层的薄玻璃反射镜，中层为高密度聚氨酯泡沫，背板为镀锌钢板，总厚度为40mm，反射率提升至96%左右。这种反射镜的安装更为简便安全，降低了安装成本，强度更高，也降低了破损率。于2016年投运的南非KhiSolarOne50MW塔式光热电站就采用了这种超薄反射镜。

　　创新方向3：减少防护漆

　　反射镜一般要镀上三层防护漆，常见的第一层保护漆是丙烯酸树脂层，第二层是醇酸树脂层，第三层是聚氨酯树脂层。如若能减少防护漆的层数同时不影响对反射镜的防护，可相对降低反射镜的成本。但目前尚无厂商公开发布在此领域的相关研发成果。

　　创新方向4：微弧平面镜

　　在实际应用中，为获得较好的聚光效果，平面镜也经常通过支架固定等方式形成一定的微弧。除了机械方式外，部分厂商已生产或正在开发“天然”的微弧反射镜，即生产出的成品即为微弧镜，而非后期安装时通过机械作用力产生。

　　“天然”微弧镜的生产技术和工艺难度并不太高，也可以减少镜场安装时的工作量。但其产品生产流程较为复杂，成本一般要远高于普通平面镜。如果可以生产出低成本的微弧平面镜，将大大降低镜场的安装成本，提升聚焦精度。

　　世界领先的玻璃生产商Guardian公司声称拥有微弧平面镜的生产技术和能力，但该公司内部人士也承认这种镜子的造价要高出一般的平面镜，具体价格可能要根据每个项目的具体要求来测算。

　　国内厂商浙江大明玻璃有限公司也能够生产这种微弧镜，并在CSPPLAZA年会上多次展出该款反射镜。其宣称该款反射镜实际反射率可达95.5%以上，同时，复合式设计大大减轻了反射镜自重，相较传统反射镜自重减轻50%以上。

　　创新方向5：减反射膜层

　　减反射膜，又称增透膜，它的主要功能是减少或消除透镜、棱镜、平面镜等光学表面的反射光，从而增加这些元件的透光量，减少或消除系统的杂散光。因此，在玻璃反射镜前表面镀减反射膜层，则可降低前表面的反射率，增加透光率，使更多光到达反射层，从而增加反射率。

　　这种技术面临的主要障碍仍是成本，增加膜层不应过多增加反射镜的成本，否则则不具推广价值。

　　创新方向6：自洁净

　　光热电站开发的自然环境一般较为恶劣，特别是在中国西部沙尘较大的地区，反射镜极易附着大量灰尘从而降低其反射率。但由于对镜面的的清洗耗时耗资，开发拥有自洁净功能的反射镜成为一大发展方向。Rioglass表示其一直在开展减轻镜面染污率的研究，Rioglass方面介绍称其开发的一种新的玻璃反射镜的抗污涂层（自清洁）已经被成功的集成在玻璃热弯钢化工艺中，即将推向市场。

　　二、集热管篇

　　集热管是太阳能热发电系统的核心组件之一。典型的集热管由带选择性吸收涂层的金属内管（不锈钢内管）、同心玻璃外管、波纹管等部件组成。槽式抛面镜或菲涅尔平面镜将太阳光反射聚焦至集热管上，加热其内部流动的工作介质，为蒸汽发生提供热源。

　　目前使用最广泛的导热介质是导热油，但由于其使用温度的限制，该技术运行温度较低（最高400℃），发电效率相比塔式及碟式系统要低。随着熔盐槽式光热发电技术的发展和大开口槽式集热器的出现，对集热管的耐高温等性能也提出了更高要求。

　　创新方向1：槽式熔盐集热管

　　熔盐作为另一种广泛使用的工作介质，相比导热油，它的使用温度可达到550℃以上，可以直接进行储热，而且价格低，安全可靠，从而显著提高电站效率。

　　2010年，意大利国家电力公司ENEL在西西里岛建成了全球第一个熔盐槽示范项目，2013年日本Chiyoda和阿基米德太阳能公司又在意大利合作建成了一个600米长的试验回路。去年10月正式投运的滨海光热阿克塞800米试验回路则是我国首个熔盐槽式试验项目。

　　熔盐集热管面临的技术难点有两个，一是需要耐高温涂层：目前的选择性吸收涂层在高温下运行易分解或脱落，稳定工作温度不超过400℃，这是槽式技术采用熔盐做传热介质的障碍之一，研发耐550℃高温的选择性吸收涂层为集热管技术的一个发展方向；二要增加耐腐蚀性，若采用熔盐做传热介质，其所含的氯离子等杂质将对金属内管造成腐蚀，需采用抗腐蚀的金属材料内管，或改进熔盐的成分，降低其腐蚀性。

　　创新方向2：DSG集热管

　　DSG直接蒸汽发生技术采用水直接产生蒸汽，可省去多级换热流程，其运行温度可以提高到450℃以上，系统效率和成本效益提升明显。DSG集热管面临的技术难题是需要承受更高的运行压力，选用导热油做传热介质对集热管造成的压力不高于4Mpa，但如果采用水做工质，则需要耐压在10Mpa以上，这对真空集热管的耐高温性能、承压能力及可靠性都提出了更高的要求。国内的兆阳光热采用的类菲涅尔DSG技术路线即对集热管提出了更高要求，为适用于其高温高压工况，为其生产的集热管用钢量极大，单根管重量高达70kg以上。

　　创新方向3：更大尺寸的集热管

　　光热发电系统的聚光比是指采光面积与吸收体面积的比值，聚光比越高，电站运行温度就越高，从而提高发电效率。因此，更大尺寸的不锈钢内管外径在单位长度内可传输更多热量，有效降低广场系统的整体投资。但仅仅只增大集热管的尺寸，其聚光比将相对减小，不易达到高温。因此，如果要增加集热管尺寸，反射镜系统的尺寸也需随之增大。

　　目前国内外多家集热管厂商都推出了内径90MM等不同规格的大口径集热管，以满足创新型大开口集热器的配套需求。

　　三、槽式集热器篇

　　槽式集热器是利用槽式抛物面聚光反射镜聚集得到高热流密度的太阳辐射能来实现系统的光热转换过程，该组件在光热发电系统中占据主导地位，它为系统提供热源，其效率和投资成本会影响到整个集热系统的效率和经济性。

　　创新方向1：大开口

　　在光热系统的关键设备中，集热器的设计与集热管和反射镜紧密相关，目前主要的设计包括：欧洲槽ET150，SENER槽，SENER?-2槽，FlagsoLHelioTrough槽，UltimateTrough终极槽。这些设计最大的特点就是其开口面积越来越大，因此集热器的发展方向开始倾向于大型化，以提高聚光比。

　　UT槽是目前商业化应用的开口最大的集热器设计。2013年，全球首个UT槽示范回路被成功安装在SEGSVIII槽式光热电站，三年的运行数据证明UT的热效率高于设计预期。2016年初，Flabeg又与沙特Duba1和WaadAlShamal两个ISCC联合循环电站的项目方达成合作，将首次在商业化项目上使用UT槽。

　　美国天源光热（SkyFuel）也于今年推出了新一代SkyTrough?DSP槽式集热器，此款集热器集合了具有革命性设计的可滑动安装的ReflecTech?反射镜、7米宽的大采光口和更新后的立体框架，从而降低了整款集热器产品的总成本。但目前该设计还未有实际商业化应用案例。

　　创新方向2：轻质化

　　多年来，槽式集热器的各方面虽然一直都在不断创新，但基本没有突破“钢结构+玻璃反射镜”的传统结构。为提升槽式光热电站的经济性，光热行业一直以来在尝试改变这种传统的较为笨重的集热器设计，奥地利的HELIOVISAG另辟蹊径，以可回收的塑料薄膜作为原材料，研发出了全新的充气型薄膜槽式集热器HELIOtube，其可通过简单的卷装方式批量生产运输，抗风性能佳。最关键的是，集热器原材料的彻底转变，可大幅降低电站的集热成本（约55%）。

　　为推广该项创新技术，Heliovis去年为一家西班牙农产品企业建设了一套9米宽220米长的太阳能光热装置，仅用于工业供热，目前该项目已经运行三个月，使用输出达88%。此外，公司还计划在中东建设第一套15MW商用混合型太阳能光热发电系统，储热时长为8小时。更多具体信息可参考CSPPLAZA此前报道：HELIOVIS携充气薄膜槽式集热器技术拓中国市场

　　来自奥地利SOLABOLIC公司的设计也非常独特，该公司于2014年推出了一款新型槽式反射镜集热技术，利用一种类似电缆架设的支撑技术，可以节约20%-30%的材料使用量。据悉，依据吊桥原理建设的新型抛物线槽式系统可以使用平面铝镜模块组合来代替昂贵的曲面玻璃模块组合，这项技术可以大大提高发展中国家光热电站建设的国产化率，使这些电站在不使用高科技制造工艺的条件下建成完美的抛物线槽式集热系统，同时还可以节省大批投资。

　　虽然采用该项专利建设电站的技术成本仅仅比常规槽式光热发电低16%左右，但采用该技术后预计可以节约光场基础投资费用的35%左右，同时可以使LCOE（均化电力成本）下降15%左右，这就意味着电站开发商能够通过此项技术获取采用常规槽式光热发电电站2倍以上的利润。

　　四、塔式定日镜篇

　　定日镜是塔式光热电站必不可少的关键设备，其制造成本和安装成本约占电站总体投资的50%以上，同时其聚光性能也直接影响着电站的发电效率及经济收益。因此，众多国内外厂商多年来不断从材料、整体设计及安装施工方式等多方面进行创新，以实现定日镜的进一步优化和升级。

　　创新方向1：独特的镜面设计

　　塔式定日镜由跟踪控制器、机械支撑结构和反射镜三大组件构成，与槽式集热系统大规模应用最成熟的RP3反射镜不同，其规格因设计方的不同而不同，不同的设计方有不同的尺寸设计。因此可以说，塔式定日镜不是标准化产品，而是定制化产品。但是，虽然尺寸设计各有不同，但大多数定日镜的形状一般呈方形或矩形，其它多边形状的较少。

　　2013年，Schlaichbergermannpartner（SBP）领导的联合小组开发出了创新型的Stellio定日镜，其采用独特的五边形设计，呈中心对称结构，用料少，材质坚固，且聚光均匀，抗风性能佳，净采光面积47.5平方米。该定日镜曾在SolarPaces2015大会上获得了技术创新大奖，并在西班牙PSA进行了相关测试，在距离集热塔400米外验证了其聚光精度。中电工程哈密50MW熔盐塔式电站将采用此款定日镜，开启该定日镜的首次商业化应用。

　　创新方向2：更大的定日镜设计

　　单块定日镜的面积从1.2平方米至120平方米不等，业内对定日镜的大小问题一直以来存在不少争论，但直到今天，仍没有人能百分百地确定大定日镜更好还是小定日镜更优。一般来讲，镜子越大，集热效率就会越高，但同时要做到毫弧度级别的精度就越困难。

　　在建中的摩洛哥NOORIII塔式光热电站采用的单台定日镜面积达178㎡，是Sener设计的最新一款定日镜，是目前已商业化应用的定日镜的最大尺寸。

　　创新方向3：定日镜支架结构创新

　　传统的定日镜装置多是“蘑菇型”，仅由一根独立的立柱撑起镜面，这种设计虽然广泛应用于全球大多数塔式光热电站中，但具体到某个国家，却常常需要针对不同的地理气候条件做出创新以适应当地的独特情况。深圳市智康新能科技有限公司（简称深圳智康）推出了一种中国特色的“中式树型定日镜”，该公司称，与蘑菇型镜架相比，其镜架结构非常稳，抗风性能强，安装维护方便，精度可与机床媲美。今年4月份，第二代树型定日镜已经通过了中科院延庆太阳能基地的测试，测试结果显示，在11m/s风速下其跟踪准确度达到3.5mrad的概率为93.7%。但目前该技术还没有实际应用案例。

　　美国创业公司Skysun最新研发的“联动定日镜”则突破了这一传统设计结构，其将多个定日镜集中固定在同一个支架上，利用共享的驱动电机和支架。据悉，采用该设计电站的总体安装成本有望降低一半左右，该项目目前正在美国能源部SunShot计划的基金支持下进行模拟优化，进一步走向市场仍需时日。

　　创新方向4：定日镜无线控制系统

　　定日镜要充分发挥自身作用离不开一个关键设备——定日镜控制系统，它对定日镜的精度和聚光效率起着至关重要的作用。随着新技术的发展，控制系统的创新也是降低成本的主要环节。

　　据悉，今年年初，BrightSource位于以色列的装机121MW的Ashalim1塔式光热电站使用了一种无线太阳岛传输与控制系统。这种新型控制系统的应用在太阳能光热发电行业中尚属首次。以色列TadiranBatteries（塔迪兰电池公司，法国SaftGroup下属公司）将为该项目供应50000组电池，用以驱动定日镜。Tadiran为此设计的这批电池环境适应性强，寿命为期25年。

　　BrightSource企业通讯高级总监JenniferRigney曾表示：“我们的太阳能集成控制系统主要是通过运用实时定日镜追踪数据来控制集热器上的太阳能分布。Ashalim电站太阳岛上的50600套定日镜均采用该套太阳能集成控制系统与集热器实现无线传输。该无线控制系统减少了整个太阳岛85%的电缆使用量，大大降低了太阳岛的建设成本。”

　　创新在任何产业的发展历程中都扮演着不可或缺的角色，光热产业也不例外。无论是技术创新还是关键设备的创新都在不断推动着整个行业的良性发展。我们上文总结的关键设备创新方向大多是以提高设备的精度和效率为目标，但与此相对应的成本控制不可忽略，否则就很难拥有市场竞争力。实现成本和性能的最佳平衡才具有发展的可持续性。

关键词：光热　组件　创新　

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