太陽能導(dǎo)熱油爐系統(tǒng)

上海太平洋能源中心 孫佳偉 林志年 徐吉浣

1 太陽能的高溫?zé)崂?/h2>

1.1 太陽能高溫?zé)崂酶拍?/h3>

太陽能熱利用分為：低溫?zé)崂茫钣脽幔?0℃～80℃）；中溫?zé)崂茫I(yè)應(yīng)用（80℃～250℃）；高溫?zé)崂茫瑹岚l(fā)電（＞250℃）。

目前，太陽能利用很大程度上停留在低溫利用，也就是太陽能低溫?zé)崴某跫?jí)階段。因?yàn)樘峁┑臒崮軠囟炔桓撸鋺?yīng)用范圍有限。太陽能高溫?zé)崂脤儆谔柲芾玫母叨祟I(lǐng)域，利用高聚光達(dá)到高集熱溫度。由于產(chǎn)生的熱能溫度很高，其應(yīng)用范圍非常廣。

太陽能中高溫技術(shù)是指利用大規(guī)模陣列鏡面收集太陽熱能，通過換熱裝置提供中高溫導(dǎo)熱油，然后結(jié)合傳統(tǒng)換熱技術(shù)，達(dá)到工業(yè)所需中高溫?zé)崂玫哪康模锰柲軄泶嫘枰懈邷刂蔚墓I(yè)熱能。

1.2 太陽能高溫?zé)崂庙?xiàng)目的設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目的高溫太陽能集熱陣列采用拋物面槽式反光與金屬真空管組成的光熱轉(zhuǎn)換單元，集熱器采光總面積為150m2，分成6個(gè)集熱單元并列分布。每個(gè)單元由16個(gè)集熱器組成，共96個(gè)槽式集熱器，槽式集熱器采用單軸光追蹤。導(dǎo)熱油為載熱工質(zhì)，輸出溫度為340℃，設(shè)計(jì)集熱器功率為100kW。

這是一個(gè)典型的太陽能高溫利用系統(tǒng)，如圖1所示，包括槽式線聚焦太陽能集熱器、導(dǎo)熱油鍋爐、混凝土儲(chǔ)能箱、高溫導(dǎo)熱油循環(huán)泵、電磁閥及控制裝置等。

2 太陽能導(dǎo)熱油爐供熱系統(tǒng)和主要設(shè)備組成

太陽能導(dǎo)熱油爐把太陽能作為導(dǎo)熱油爐的熱源，是太陽能高溫?zé)崂玫囊环N嘗試，可以提高太陽能集熱器效率，特別的是串聯(lián)式太陽能導(dǎo)熱油爐系統(tǒng)可以一年四季可靠運(yùn)行，向用戶供熱。

太陽能導(dǎo)熱油爐系統(tǒng)主要組成部分為太陽能集熱系統(tǒng)和導(dǎo)熱油爐系統(tǒng)。

太陽能集熱系統(tǒng)：在晴好天氣時(shí)作為太陽能導(dǎo)熱油爐系統(tǒng)的主要熱源；在太陽能資源不足時(shí)或陰雨天氣作為導(dǎo)熱油爐的輔助熱源。

太陽能輔助加熱的導(dǎo)熱油爐：在晴好天氣時(shí)作為太陽能集熱系統(tǒng)的輔助熱源；在太陽能資源不足時(shí)或陰雨天氣作為系統(tǒng)的主要熱源，保證導(dǎo)熱油系統(tǒng)的正常供熱。

3 太陽能導(dǎo)熱油爐系統(tǒng)流程

根據(jù)太陽能集熱環(huán)路與導(dǎo)熱油爐循環(huán)的流程，可以分為串聯(lián)、并聯(lián)、混聯(lián)(雙熱源)等三種形式。太陽能和導(dǎo)熱油爐的運(yùn)行系統(tǒng)分為獨(dú)立系統(tǒng)，串連系統(tǒng)和并聯(lián)系統(tǒng)。

3.1 獨(dú)立運(yùn)行系統(tǒng)：

1）太陽能運(yùn)行系統(tǒng)：當(dāng)太陽輻射足夠強(qiáng)時(shí)，只運(yùn)行太陽能系統(tǒng)，不需要開啟導(dǎo)熱油爐，直接利用太陽能系統(tǒng)即可滿足要求，太陽集熱器內(nèi)直接充入導(dǎo)熱油，作為直接膨脹式系統(tǒng)的應(yīng)用。見圖2

2）導(dǎo)熱油爐運(yùn)行系統(tǒng)：當(dāng)太陽輻射很弱或沒有時(shí)，只運(yùn)行導(dǎo)熱油鍋爐系統(tǒng)。（見圖3）

3.2 串連運(yùn)行系統(tǒng)：

當(dāng)太陽輻射不足時(shí)，太陽能導(dǎo)熱油系統(tǒng)不能達(dá)到工藝溫度的要求，不能夠直接供熱。此時(shí)，這部分導(dǎo)熱油被太陽能預(yù)熱到一定溫度后，串連進(jìn)入到導(dǎo)熱油爐的進(jìn)口，再通過導(dǎo)熱油爐燃料再次加熱，達(dá)到工藝溫度后供出。（見圖4）

太陽能集熱器系統(tǒng)作為導(dǎo)熱油爐的預(yù)熱源，作為一級(jí)加熱，導(dǎo)熱油爐為二級(jí)加熱，總稱為太陽能導(dǎo)熱油爐系統(tǒng)。這是最基本的太陽能導(dǎo)熱油爐的系統(tǒng)。

3.3 并聯(lián)運(yùn)行系統(tǒng)：

太陽能集熱器和導(dǎo)熱油鍋爐并聯(lián)供熱，集熱器以太陽能為熱源，導(dǎo)熱油鍋爐以燃料為熱源。

當(dāng)太陽輻射較強(qiáng)時(shí)，太陽能集熱器只能供應(yīng)部分功率，不足部分由導(dǎo)熱油鍋爐供給。兩個(gè)系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行，它們各自獨(dú)立工作，互為補(bǔ)充。兩個(gè)系統(tǒng)輸出導(dǎo)熱油溫度相同，并聯(lián)在一起供出熱量。（見圖5）

3.4 導(dǎo)熱油蓄放熱運(yùn)行系統(tǒng)

除了上述三個(gè)系統(tǒng)外，還設(shè)置了導(dǎo)熱油蓄熱器。當(dāng)太陽輻射很強(qiáng)時(shí)，或熱負(fù)荷較低時(shí)，太陽能大于負(fù)載，太陽能向蓄熱器蓄熱，反之蓄熱器向負(fù)載放熱或作為鍋爐的熱源，通過鍋爐提升導(dǎo)熱油溫度。這樣又可進(jìn)一步利用大陽能。（參看圖6。）

4 太陽能導(dǎo)熱油爐系統(tǒng)性能特點(diǎn)

太陽能系統(tǒng)與導(dǎo)熱油爐系統(tǒng)相結(jié)合的太陽能導(dǎo)熱油爐系統(tǒng)（見圖4）具有下列性能特點(diǎn)。

4.1 提高集熱效率和系統(tǒng)效率，節(jié)約一次能源

1）最大限度利用太陽能：當(dāng)太陽輻射足夠強(qiáng)時(shí)，太陽能導(dǎo)熱油爐系統(tǒng)獨(dú)立工作，實(shí)現(xiàn)了太陽能優(yōu)先。太陽能導(dǎo)熱溫度不夠時(shí)，不能單獨(dú)向負(fù)載供熱，可依靠導(dǎo)熱油爐來提升，再向負(fù)載供熱，充分利用了太陽能。

2）使集熱器效率提高：系統(tǒng)中集熱管的油溫較低，導(dǎo)熱油平均溫度與周圍環(huán)境溫差變小，對(duì)流換熱損失減少，減少集熱器向外散熱的熱損失；導(dǎo)熱油溫度低，進(jìn)出口溫差小，導(dǎo)熱油流量大，大流量能提高集熱管的導(dǎo)熱系數(shù)，使集熱效率提高。

3）導(dǎo)熱油爐制熱過程本質(zhì)上是對(duì)太陽熱能的提升利用，根據(jù)導(dǎo)熱油爐的工作特性，在整個(gè)導(dǎo)熱油系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，導(dǎo)熱油爐作為輔助熱源運(yùn)行所供應(yīng)的熱量中，只有一小部分來自燃料，所以太陽能導(dǎo)熱油爐供熱系統(tǒng)大大提高了太陽能利用率和系統(tǒng)效率，減少了對(duì)一次能源的消耗，節(jié)約了大量高品能源。

4.2 提高導(dǎo)熱油系統(tǒng)性能

兩個(gè)系統(tǒng)的結(jié)合，提高了導(dǎo)熱油系統(tǒng)性能和供熱可靠性，從而能夠全年、全天候供熱，滿足連續(xù)供熱的要求。二者取長補(bǔ)短，互為補(bǔ)充，互為備用，這種組合形式，使二者均在相對(duì)比較穩(wěn)定、高效的條件下工作，保證系統(tǒng)全年全天候的滿足工藝需求的導(dǎo)熱油供應(yīng)。

5 太陽能高溫?zé)崂眉夹g(shù)上的重大突破

本太陽能高溫利用項(xiàng)目，太陽能集熱器能提供＞300℃的高溫?zé)崮埽诟邷丶療帷⒏邷貎?chǔ)熱和總能供應(yīng)系統(tǒng)上取得技術(shù)上的較大突破，實(shí)現(xiàn)了從僅能提供熱水到提供熱能的轉(zhuǎn)變，不僅可以實(shí)現(xiàn)普通太陽能熱水的提供，還可以實(shí)現(xiàn)太陽能制冷、發(fā)電等，可以用太陽能來代替需要中高溫支撐的工業(yè)熱能，使太陽能從熱水應(yīng)用時(shí)代邁入熱能應(yīng)用領(lǐng)域，并將逐步開發(fā)民用和工業(yè)供熱系統(tǒng)結(jié)合的太陽能利用工程。太陽能利用是一種最經(jīng)濟(jì)的能源，是實(shí)現(xiàn)“低碳經(jīng)濟(jì)”的又一捷徑。

6 結(jié)論

以太陽能作為導(dǎo)熱油爐的熱源，即太陽能導(dǎo)熱油爐系統(tǒng)，上述的四種運(yùn)行工況，大大提高了太陽能的利用效率，太陽能直接或間接加熱可滿足更多的熱量需求，較常規(guī)的太陽能與導(dǎo)熱油爐系統(tǒng)更節(jié)能。

槽式太陽能集熱器能提供＞300℃的高溫?zé)崮埽诩夹g(shù)上有較大突破，進(jìn)入了高溫?zé)崮軕?yīng)用領(lǐng)域，從而可在我國部分太陽輻照良好地區(qū)的工業(yè)供熱中更廣泛應(yīng)用。