太阳能导热油炉系统

上海太平洋能源中心 孙佳伟 林志年 徐吉浣

1 太阳能的高温热利用

1.1 太阳能高温热利用概念

太阳能热利用分为：低温热利用，生活用热（40℃～80℃）；中温热利用，工业应用（80℃～250℃）；高温热利用，热发电（＞250℃）。

目前，太阳能利用很大程度上停留在低温利用，也就是太阳能低温热水的初级阶段。因为提供的热能温度不高，其应用范围有限。太阳能高温热利用属于太阳能利用的高端领域，利用高聚光达到高集热温度。由于产生的热能温度很高，其应用范围非常广。

太阳能中高温技术是指利用大规模阵列镜面收集太阳热能，通过换热装置提供中高温导热油，然后结合传统换热技术，达到工业所需中高温热利用的目的，用太阳能来代替需要中高温支撑的工业热能。

1.2 太阳能高温热利用项目的设计

本项目的高温太阳能集热阵列采用抛物面槽式反光与金属真空管组成的光热转换单元，集热器采光总面积为150m2，分成6个集热单元并列分布。每个单元由16个集热器组成，共96个槽式集热器，槽式集热器采用单轴光追踪。导热油为载热工质，输出温度为340℃，设计集热器功率为100kW。

这是一个典型的太阳能高温利用系统，如图1所示，包括槽式线聚焦太阳能集热器、导热油锅炉、混凝土储能箱、高温导热油循环泵、电磁阀及控制装置等。

2 太阳能导热油炉供热系统和主要设备组成

太阳能导热油炉把太阳能作为导热油炉的热源，是太阳能高温热利用的一种尝试，可以提高太阳能集热器效率，特别的是串联式太阳能导热油炉系统可以一年四季可靠运行，向用户供热。

太阳能导热油炉系统主要组成部分为太阳能集热系统和导热油炉系统。

太阳能集热系统：在晴好天气时作为太阳能导热油炉系统的主要热源；在太阳能资源不足时或阴雨天气作为导热油炉的辅助热源。

太阳能辅助加热的导热油炉：在晴好天气时作为太阳能集热系统的辅助热源；在太阳能资源不足时或阴雨天气作为系统的主要热源，保证导热油系统的正常供热。

3 太阳能导热油炉系统流程

根据太阳能集热环路与导热油炉循环的流程，可以分为串联、并联、混联(双热源)等三种形式。太阳能和导热油炉的运行系统分为独立系统，串连系统和并联系统。

3.1 独立运行系统：

1）太阳能运行系统：当太阳辐射足够强时，只运行太阳能系统，不需要开启导热油炉，直接利用太阳能系统即可满足要求，太阳集热器内直接充入导热油，作为直接膨胀式系统的应用。见图2

2）导热油炉运行系统：当太阳辐射很弱或没有时，只运行导热油锅炉系统。（见图3）

3.2 串连运行系统：

当太阳辐射不足时，太阳能导热油系统不能达到工艺温度的要求，不能夠直接供热。此时，这部分导热油被太阳能预热到一定温度后，串连进入到导热油炉的进口，再通过导热油炉燃料再次加热，达到工艺温度后供出。（见图4）

太阳能集热器系统作为导热油炉的预热源，作为一级加热，导热油炉为二级加热，总称为太阳能导热油炉系统。这是最基本的太阳能导热油炉的系统。

3.3 并联运行系统：

太阳能集热器和导热油锅炉并联供热，集热器以太阳能为热源，导热油锅炉以燃料为热源。

当太阳辐射较强时，太阳能集热器只能供应部分功率，不足部分由导热油锅炉供给。两个系统同时运行，它们各自独立工作，互为补充。两个系统输出导热油温度相同，并联在一起供出热量。（见图5）

3.4 导热油蓄放热运行系统

除了上述三个系统外，还设置了导热油蓄热器。当太阳辐射很强时，或热负荷较低时，太阳能大于负载，太阳能向蓄热器蓄热，反之蓄热器向负载放热或作为锅炉的热源，通过锅炉提升导热油温度。这样又可进一步利用大阳能。（参看图6。）

4 太阳能导热油炉系统性能特点

太阳能系统与导热油炉系统相结合的太阳能导热油炉系统（见图4）具有下列性能特点。

4.1 提高集热效率和系统效率，节约一次能源

1）最大限度利用太阳能：当太阳辐射足够强时，太阳能导热油炉系统独立工作，实现了太阳能优先。太阳能导热温度不够时，不能单独向负载供热，可依靠导热油炉来提升，再向负载供热，充分利用了太阳能。

2）使集热器效率提高：系统中集热管的油温较低，导热油平均温度与周围环境温差变小，对流换热损失减少，减少集热器向外散热的热损失；导热油温度低，进出口温差小，导热油流量大，大流量能提高集热管的导热系数，使集热效率提高。

3）导热油炉制热过程本质上是对太阳热能的提升利用，根据导热油炉的工作特性，在整个导热油系统的运行过程中，导热油炉作为辅助热源运行所供应的热量中，只有一小部分来自燃料，所以太阳能导热油炉供热系统大大提高了太阳能利用率和系统效率，减少了对一次能源的消耗，节约了大量高品能源。

4.2 提高导热油系统性能

两个系统的结合，提高了导热油系统性能和供热可靠性，从而能够全年、全天候供热，满足连续供热的要求。二者取长补短，互为补充，互为备用，这种组合形式，使二者均在相对比较稳定、高效的条件下工作，保证系统全年全天候的满足工艺需求的导热油供应。

5 太阳能高温热利用技术上的重大突破

本太阳能高温利用项目，太阳能集热器能提供＞300℃的高温热能，在高温集热、高温储热和总能供应系统上取得技术上的较大突破，实现了从仅能提供热水到提供热能的转变，不仅可以实现普通太阳能热水的提供，还可以实现太阳能制冷、发电等，可以用太阳能来代替需要中高温支撑的工业热能，使太阳能从热水应用时代迈入热能应用领域，并将逐步开发民用和工业供热系统结合的太阳能利用工程。太阳能利用是一种最经济的能源，是实现“低碳经济”的又一捷径。

6 结论

以太阳能作为导热油炉的热源，即太阳能导热油炉系统，上述的四种运行工况，大大提高了太阳能的利用效率，太阳能直接或间接加热可满足更多的热量需求，较常规的太阳能与导热油炉系统更节能。

槽式太阳能集热器能提供＞300℃的高温热能，在技术上有较大突破，进入了高温热能应用领域，从而可在我国部分太阳辐照良好地区的工业供热中更广泛应用。