印染工业中高温太阳能集热器与油汽联供系统设计
浙江嘉兴市正兴能源科技有限公司 刘永久 翟晓强
摘要：本文作为太阳能中高温热利用技术，介绍了槽式抛物面柱式聚光中高温太阳能集热器以及油汽联供系统的设计，为印染工业用热提供高于250°C中高温热源，利用在高温定型、高温涂层、高温溢流染色等工艺环节；配合导热油与鹅卵石组成的储能以及电加热，实现了太阳能中高温工业用热，起到了样板和示范作用。
关键词：印染工业 中高温太阳能 油气联供 系统设计
1 概述
在工业用热领域，尤其是利用中高温热源的行业，能耗高、成本高是这些行业比较突出的问题，情况更加严重的是一些“高龄”企业，由于产品成本高，失去了市场竞争能力，频临难以生存的边缘。消减常规能源消耗，开发包括中高温太阳能集热系统在内的新能源利用的任务已十分迫切。所以，在提高太阳能热应用技术的同时，应积极创造条件，将先进技术、创新技术在实际工程中推广应用，以积累经验，通过实践进行技术的改进、提高，起到样板和示范作用。
浙江嘉兴以及周边地区，是我国著名的纺织印染基地，嘉兴东汇纺织印染有限公司，是集高档皮革、化纤面料的深加工企业，有高温定型、高温涂层、高温经轴、高温溢流染色、高温印染等设备，载热工质为导热油和蒸汽；其特点，一是耗热量大，对热工质温度恒定要求高；二是导热油为载热非消耗工质，蒸汽为相变载热消耗工质。为尽可能降低能耗费用，降低产品成本，我们提出了中高温太阳能油气系统的供热方案，利用太阳能产生的中高温热源与电辅助热源综合利用，得到了企业的认可和采纳，现已完成初步设计。
2 槽式聚光集热器的设计
2.1 光热转换元件
光热转换元件是实现中高温热源的关键部件之一，与常用普通全玻璃真空太阳能集热管相比，具有以下几个方面的更高要求：
一是选择性吸收涂层在具备高吸收率、低发散比的同时还要具有较高的耐高温性能，以适应聚光后在高密度太阳能光辐照条件下的高温光热源；二是选择性吸收涂层在高温状态下具有较好的稳定性，吸收率不衰减，具有较长的使用寿命；三是具有较高的承压能力；四是具有较好的保温性能。
基于以上要求，选取深圳唯真太阳能生产的CSP真空金属直通管，图1为选取直通管的结构示意图，图2为选取的直通管的实物图，图3和图4分别为真空金属直通管的效率曲线以及选择性吸收涂层性能曲线。
图1 CPS真空金属直通管结构示意图
 图2 CPS真空金属直通管实物图
图3效率曲线
图4 选择性吸收涂层性能曲线
本设计选定CPS真空金属直通管，能够满足如前所述对光热转换元件的要求。单管基本结构尺寸为：总长度2200mm、玻璃管外径100mm、金属管外径50mm、金属管有效轴向吸热长度为1800mm。
2.2 槽式抛物聚光反射镜
聚光反射镜同样也是实现中高温热源的关键部件之一，本设计采用高性能透光材料，背面镀反射膜以及防护层并与工程塑料基板粘性连接，共同组成槽式聚光反射镜。对其技术要求包括：一是反射镜具有较好的光学效率；透光材料有较高的过光效率，具有较好的直线折射性能，具有较低的散光率。 二是具有较好的耐候性能，室外环境条件下具有较好的抗老化性能。三是具有一定的柔韧性，较好的刚度，能够承受一定的撞击，表面不易划痕。
基于上述要求，选取超薄PS板作为镀膜基板，PS板厚度为0.5mm，反射层为镀银层。图5为本实施例的实物图。
图5 聚光反射镜实物图
2.3聚光比
设计槽式抛物面聚光集热器，在确定光热转换元件以及反射镜后，聚光比、抛物线焦距是两个重要的设计参数。 由于所选取的CPS内管为圆柱形，经过反射后的太阳能光线都聚集在圆柱的外表面，我们称为“柱式受光”。也就是圆管直径恰为放射镜面边缘光形成的太阳能像直径，图6表示槽式抛物面的截平面型线与光路图。
图6 槽式抛物面的截平面型线与光路图
根据几何光学原理，相关资料对上图所示聚光比描述为： C = 2Xn / πd 。设计选取2Xn = 3800mm，即抛物槽的开口宽为3800mm； 同时选取f = 2000mm。选取CPS真空金属直通管的内管直径，d = 50mm。经计算，聚光比为：C = 24.2038。另外，根据边缘光原理，计算L = 2405mm。
3. 聚光阵列与联动光跟踪机构
3.1 单槽光跟踪方式
设计采用CPS管南北轴倾斜放置，聚光器绕垂直固定轴东西向回转。结构原理如图7所示。单槽光跟踪采用东西向方位180度范围自动跟踪、南北向间性手动调整光跟踪。其特点是具有较高的太阳能单位面积收益量。
图7 光跟踪结构原理示意图
3.2 阵列布排方式与联动光跟踪
大面积使用聚光型中高温集热器，扩大太阳能集热系统的收益量，尽量满足热负荷的需求，是本方案解决的重点。在选取单槽光跟踪方式后，设计采用如图8所示的联动式阵列。它由多个独立的聚光槽通过列连杆、铰链组成一列；多个列通过行连杆、铰链联动后，组成阵列。其特点是使用一套光跟踪动力装置，可以带动多个聚光槽同时、同程、同向跟踪太阳光。图9 为本实施例的实际试验阵列。
图8 联动式光跟踪阵列原理示意图下图为本实施例的实际试验阵列。
图9 实际试验阵列
4 系统设计
如前所述，本系统是向末端用户提供高温导热油和蒸汽，属于油汽联供；导热油为非消耗工质，蒸汽为消耗工质。技术难点是作为聚光式高温集热器CPS真空金属直通管，不可能同时供出两种热工质。因此，只能借助油—汽换热器来实现。另外，考虑到太阳能热源的不稳性以及用户末端用热的间歇性，系统必须设计：能量储存缓冲以及辅助热源。基于上述要求，该系统设计结构原理如下图10所示。
图10 系统原理 4.1 太阳能集热供出系统
如图中所示，集热器温度T1大于储能器温度T2，且温差为15°C时循环泵B1启动；电磁阀D1打开，对储能器实施加热。当太阳能集热供出温度大于270°C时，这时有可能储能器温度高于270°C，或者低于270°C，但温差小于15°C；如果末端用热，电磁阀D1关闭，太阳能直接向负荷供热。
4.2 导热油直接供热系统
由热源油管路、循环泵B2、高频管道加热器、末端换热器、电动比例分配阀D2等组成导热油直接供热系统。末端用热温度T4要求在268°C—272°C之间，温度低于要求时，高频加热器分级投入，实施增温；如果供热油温高于要求值时，电磁阀调整开度，使的低温回油混入进循环泵的吸油侧，实施降温。
4.3 油气换热系统
由于用户的高温溢流染色、高温印染等采用蒸汽热源，而太阳能只能提供高温导热油，所以加入了油汽换热系统，产生不低于0.5Mpa的蒸汽，以满足用热要求。 该分系统由循环泵、汽包、油气换热器、电加热器等组成。系统的正常供油温度大于240°C，供气压力低于设定值时，电加热投入。
4.5 储能器
储能器内置导热油与鹅卵石，导热油主要用做载热工质，鹅卵石用做储能工质。鹅卵石虽然热容较小，但是具有低廉的成本，无污染，运行安全。鹅卵石的大小选取平均直径在30mm—60mm之间。并且储能器内部设计有床体通道，便于导热。
5.结论
太阳能在工业加热领域具有广阔的应用范围，是太阳能热利用的深层发展，尤其是将太阳能中高温热利用技术应用在工业领域，在国际国内实施案例并不多，还处于尝试性的初级阶段。该文针对印染工业用热的特点，着重于中高温太阳能集热器以及系统的设计选型，进行了较为详细的描述；为进一步完善中高温太阳能的利用，提出了宝贵的经验；具有样板和示范作用。
参考文献：
【1】王如竹，代彦军̣• 太阳能制冷• 北京：化学工业出版社， 2006.8
【2】郭茶秀，魏新利• 热能储存技术与应用• 北京：化学工业出版社，2005.4
【3】陈 礼，吴勇华• 流体力学与热工基础• 北京：清华大学出版社，2002.8
【4】李晓彤，岑兆丰• 几何光学•像差•光学设计• 杭州：浙江大学出版社，2003.11
姓名：刘永久
性别：男
出生年月：1961年10月生
工作单位：浙江嘉兴正兴能源科技有限公司
职务：副总经理
职称：高级工程师
通讯地址：浙江省 嘉兴市秀洲区 中山西路上海交大科技园6号楼
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