太陽能導熱油爐系統

上海太平洋能源中心 孫佳偉 林志年 徐吉浣

1 太陽能的高溫熱利用

1.1 太陽能高溫熱利用概念

太陽能熱利用分為：低溫熱利用，生活用熱（40℃～80℃）；中溫熱利用，工業應用（80℃～250℃）；高溫熱利用，熱發電（＞250℃）。

目前，太陽能利用很大程度上停留在低溫利用，也就是太陽能低溫熱水的初級階段。因為提供的熱能溫度不高，其應用范圍有限。太陽能高溫熱利用屬于太陽能利用的高端領域，利用高聚光達到高集熱溫度。由于產生的熱能溫度很高，其應用范圍非常廣。

太陽能中高溫技術是指利用大規模陣列鏡面收集太陽熱能，通過換熱裝置提供中高溫導熱油，然后結合傳統換熱技術，達到工業所需中高溫熱利用的目的，用太陽能來代替需要中高溫支撐的工業熱能。

1.2 太陽能高溫熱利用項目的設計

本項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換單元，集熱器采光總面積為150m2，分成6個集熱單元并列分布。每個單元由16個集熱器組成，共96個槽式集熱器，槽式集熱器采用單軸光追蹤。導熱油為載熱工質，輸出溫度為340℃，設計集熱器功率為100kW。

這是一個典型的太陽能高溫利用系統，如圖1所示，包括槽式線聚焦太陽能集熱器、導熱油鍋爐、混凝土儲能箱、高溫導熱油循環泵、電磁閥及控制裝置等。

2 太陽能導熱油爐供熱系統和主要設備組成

太陽能導熱油爐把太陽能作為導熱油爐的熱源，是太陽能高溫熱利用的一種嘗試，可以提高太陽能集熱器效率，特別的是串聯式太陽能導熱油爐系統可以一年四季可靠運行，向用戶供熱。

太陽能導熱油爐系統主要組成部分為太陽能集熱系統和導熱油爐系統。

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

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

3 太陽能導熱油爐系統流程

根據太陽能集熱環路與導熱油爐循環的流程，可以分為串聯、并聯、混聯(雙熱源)等三種形式。太陽能和導熱油爐的運行系統分為獨立系統，串連系統和并聯系統。

3.1 獨立運行系統：

1）太陽能運行系統：當太陽輻射足夠強時，只運行太陽能系統，不需要開啟導熱油爐，直接利用太陽能系統即可滿足要求，太陽集熱器內直接充入導熱油，作為直接膨脹式系統的應用。見圖2

2）導熱油爐運行系統：當太陽輻射很弱或沒有時，只運行導熱油鍋爐系統。（見圖3）

3.2 串連運行系統：

當太陽輻射不足時，太陽能導熱油系統不能達到工藝溫度的要求，不能夠直接供熱。此時，這部分導熱油被太陽能預熱到一定溫度后，串連進入到導熱油爐的進口，再通過導熱油爐燃料再次加熱，達到工藝溫度后供出。（見圖4）

太陽能集熱器系統作為導熱油爐的預熱源，作為一級加熱，導熱油爐為二級加熱，總稱為太陽能導熱油爐系統。這是最基本的太陽能導熱油爐的系統。

3.3 并聯運行系統：

太陽能集熱器和導熱油鍋爐并聯供熱，集熱器以太陽能為熱源，導熱油鍋爐以燃料為熱源。

當太陽輻射較強時，太陽能集熱器只能供應部分功率，不足部分由導熱油鍋爐供給。兩個系統同時運行，它們各自獨立工作，互為補充。兩個系統輸出導熱油溫度相同，并聯在一起供出熱量。（見圖5）

3.4 導熱油蓄放熱運行系統

除了上述三個系統外，還設置了導熱油蓄熱器。當太陽輻射很強時，或熱負荷較低時，太陽能大于負載，太陽能向蓄熱器蓄熱，反之蓄熱器向負載放熱或作為鍋爐的熱源，通過鍋爐提升導熱油溫度。這樣又可進一步利用大陽能。（參看圖6。）

4 太陽能導熱油爐系統性能特點

太陽能系統與導熱油爐系統相結合的太陽能導熱油爐系統（見圖4）具有下列性能特點。

4.1 提高集熱效率和系統效率，節約一次能源

1）最大限度利用太陽能：當太陽輻射足夠強時，太陽能導熱油爐系統獨立工作，實現了太陽能優先。太陽能導熱溫度不夠時，不能單獨向負載供熱，可依靠導熱油爐來提升，再向負載供熱，充分利用了太陽能。

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

3）導熱油爐制熱過程本質上是對太陽熱能的提升利用，根據導熱油爐的工作特性，在整個導熱油系統的運行過程中，導熱油爐作為輔助熱源運行所供應的熱量中，只有一小部分來自燃料，所以太陽能導熱油爐供熱系統大大提高了太陽能利用率和系統效率，減少了對一次能源的消耗，節約了大量高品能源。

4.2 提高導熱油系統性能

兩個系統的結合，提高了導熱油系統性能和供熱可靠性，從而能夠全年、全天候供熱，滿足連續供熱的要求。二者取長補短，互為補充，互為備用，這種組合形式，使二者均在相對比較穩定、高效的條件下工作，保證系統全年全天候的滿足工藝需求的導熱油供應。

5 太陽能高溫熱利用技術上的重大突破

本太陽能高溫利用項目，太陽能集熱器能提供＞300℃的高溫熱能，在高溫集熱、高溫儲熱和總能供應系統上取得技術上的較大突破，實現了從僅能提供熱水到提供熱能的轉變，不僅可以實現普通太陽能熱水的提供，還可以實現太陽能制冷、發電等，可以用太陽能來代替需要中高溫支撐的工業熱能，使太陽能從熱水應用時代邁入熱能應用領域，并將逐步開發民用和工業供熱系統結合的太陽能利用工程。太陽能利用是一種最經濟的能源，是實現“低碳經濟”的又一捷徑。

6 結論

以太陽能作為導熱油爐的熱源，即太陽能導熱油爐系統，上述的四種運行工況，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，較常規的太陽能與導熱油爐系統更節能。

槽式太陽能集熱器能提供＞300℃的高溫熱能，在技術上有較大突破，進入了高溫熱能應用領域，從而可在我國部分太陽輻照良好地區的工業供熱中更廣泛應用。