槽式光熱電站效率提升分析

孫庫　朱小煒　汪明雪

摘? 要：文章闡述了通過槽式集熱鏡場的結(jié)構(gòu)微調(diào)和策略優(yōu)化，來提升整個(gè)槽式光熱電站效率的系統(tǒng)性方法。通過對集熱器的面型、反射鏡清潔度評估、余弦效應(yīng)的消除，綜合提升集熱器的集熱效率，從真空集熱管的集熱原理出發(fā)，對集熱管的破壞狀態(tài)和系統(tǒng)影響系數(shù)進(jìn)行有效評估，制訂槽式集熱場的檢修策略，更加優(yōu)化人力資源和設(shè)備資源，從而優(yōu)化整個(gè)槽式光熱電站的經(jīng)濟(jì)性。

關(guān)鍵詞：太陽能;效率;集熱場;熱損失;余弦效應(yīng);流量平衡

中圖分類號：TM615? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）06-0141-04

Abstract： This paper describes a systematic method which is adopted to improve the efficiency of the whole trough photothermal power station through the structural fine-tuning and strategic optimization of the trough-type heat collector field. Through the elimination of surface shape of the collector， the cleanliness evaluation of the mirror and the cosine effect， it is intended to comprehensively improve the heat collection efficiency of the collector， and， based on the heat collection principle of the vacuum collector tube， it is supposed to effectively evaluate the failure state and system influence coefficient of the heat collector tube， formulate the maintenance strategy of the trough heat collector field， and optimize the human resources and equipment resources， so as to optimize the economy of the whole trough photothermal power station.

Keywords： solar energy; efficiency; heat collection field; heat loss; cosine effect; flow balance

1 概述

隨著世界經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，煤炭、石油、天然氣等一次性傳統(tǒng)能源迅速消耗。世界各國對可再生能源的開發(fā)利用均提出了明確的目標(biāo)，制定了支持可再生能源發(fā)展的各種法規(guī)和政策，積極鼓勵用清潔能源替代高含碳量的礦物燃料，把開發(fā)利用新能源和可再生能源作為一個(gè)優(yōu)先選擇的替代方案，從而使包括太陽能、生物質(zhì)能、風(fēng)能、水能等在內(nèi)的可再生能源技術(shù)水平不斷提高，產(chǎn)業(yè)規(guī)模在全球范圍內(nèi)逐漸擴(kuò)大。從確保能源安全，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的角度而言，太陽能將是未來人類主要的能源資源之一，是解決人類目前所面臨的能源危機(jī)和環(huán)境問題的有效方案。太陽能發(fā)電包括太陽能光伏發(fā)電和太陽能熱發(fā)電兩種形式，我國太陽能光熱事業(yè)起步相對較晚，隨著某項(xiàng)目50MW光熱發(fā)電示范項(xiàng)目的成功投運(yùn)以及其余納入第一批光熱示范項(xiàng)目的陸續(xù)建成投運(yùn)，我國光熱發(fā)展將開啟可再生能源發(fā)展的新紀(jì)元。本文結(jié)合某項(xiàng)目50MW光熱電站現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行情況，針對光熱電站效率提升中遇到的技術(shù)瓶頸提出改進(jìn)意見，確保在后期的光熱電站設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試和運(yùn)維過程中提高槽式光熱電站的效率和降低運(yùn)維成本。

2 提高太陽能收集效率

槽式光熱電站使用大面積的拋物線槽式集熱器組件收集太陽熱，通過介質(zhì)傳遞產(chǎn)生過熱蒸汽來驅(qū)動汽輪發(fā)電機(jī)組旋轉(zhuǎn)發(fā)電。一個(gè)典型的槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

一個(gè)50MW槽式光熱發(fā)電站大約有760組SCA，每組SCA通過反射鏡將太陽光束聚集到一條直線上，從而將能量匯集到集熱管上而收集太陽直接輻射能。其中反射鏡是關(guān)鍵光學(xué)部件，為拋物線型鏡面，通常采用低鐵玻璃，背面鍍銀。由于其較低的鐵含量，該種玻璃具有很好的太陽光輻射透過性。集熱管（也稱之為集熱元件），位于反射鏡面的焦線位置，為直通真空管式結(jié)構(gòu)。SCA可獨(dú)立從日出到日落跟蹤太陽，每個(gè)集熱器在日間跟蹤太陽光時(shí)均會繞其旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)過程由兩個(gè)液壓缸（或其他形式）驅(qū)動兩個(gè)連接在扭矩傳送裝置的懸桿臂來實(shí)現(xiàn)。每個(gè)SCA集熱效率是整個(gè)光熱電站發(fā)電量的決定性因素，針對集熱場集熱效率需在以下方面進(jìn)行改進(jìn)：

2.1 降低集熱管熱損失

集熱器收集到的熱量，一部分經(jīng)集熱管表面，以輻射和對流等方式散發(fā)到外界中;另一部分經(jīng)集熱場導(dǎo)熱油主管道，以對流為主的方式散發(fā)到外界中去。對于集熱管表面的散熱，由于集熱管為玻璃-金屬封裝結(jié)構(gòu)，內(nèi)部抽真空。因此，在集熱管正常運(yùn)行時(shí)，由于管內(nèi)溫度一般在300～400℃之間，對外散熱以輻射散熱為主，環(huán)境溫度的變化對于散熱的影響并不大。風(fēng)速方面，由于風(fēng)速加大，導(dǎo)致集熱管外表面玻璃罩對流換熱性能提升，會在一定程度上增大散熱量。

為了將太陽能場中的熱損失降到最低，使光熱電站的發(fā)電效率達(dá)到最大，理想情況下，集熱管玻璃環(huán)內(nèi)應(yīng)保證足夠的真空。但是，集熱管可能由于環(huán)隙或泄漏而失去真空。同時(shí)，可能由于安裝過程中集熱管對齊不良、安裝精度不足，運(yùn)維過程中操作不當(dāng)或其他組件的物理干擾而破裂。

4.2 大風(fēng)運(yùn)行策略

在風(fēng)速較高的時(shí)候，集熱場的運(yùn)行變得很有挑戰(zhàn)性，反射鏡可能被風(fēng)力破壞，隨后引發(fā)集熱管破裂。為了保護(hù)電站安全，通常都設(shè)置有大風(fēng)保護(hù)，當(dāng)風(fēng)速超過規(guī)定值時(shí)，所有的反光鏡將旋轉(zhuǎn)到安全的位置。但對于大風(fēng)保護(hù)的合理性應(yīng)提出質(zhì)疑，是否瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)到規(guī)定值所有集熱場就應(yīng)該回保護(hù)位，在大風(fēng)時(shí)是否需要將所有集熱器均收回保護(hù)位。我國光熱電站受地域影響，都處于陣風(fēng)或沙塵天氣較多地區(qū)，如何減小大風(fēng)、陣風(fēng)造成的能量損失提出了更高要求，因此制定一個(gè)最優(yōu)的大風(fēng)運(yùn)行策略是非常有必要的。

制定優(yōu)化大風(fēng)作業(yè)策略的關(guān)鍵是掌握集熱器的實(shí)際風(fēng)荷載，需要在不同的風(fēng)速下利用專業(yè)工具進(jìn)行實(shí)地測量。在風(fēng)速較低時(shí)，可考慮電站四周集熱器動作至保護(hù)位，有效減少中間集熱器所受風(fēng)載荷，中間集熱器在受風(fēng)載荷未達(dá)到規(guī)定值時(shí)可繼續(xù)集熱。在風(fēng)速較大但未達(dá)到最大值時(shí)，集熱器可選擇性進(jìn)行回路保護(hù)動作，最大限度地增加大風(fēng)天氣下集熱場的集熱能力。

另一種改善大風(fēng)天氣下集熱場性能的方法是減少保護(hù)位（儲存位）集熱器的導(dǎo)熱油流量，減少將儲存位集熱器的大量冷導(dǎo)熱油與跟蹤太陽集熱器的熱導(dǎo)熱油混在一起。在目前國內(nèi)槽式光熱電站設(shè)計(jì)中，這一方法無法實(shí)現(xiàn)。但隨著國內(nèi)光熱行業(yè)的發(fā)展，大量遠(yuǎn)程控制的電動閥門安裝在集熱場中，這一設(shè)想是可以實(shí)現(xiàn)的。

4.3 機(jī)組運(yùn)行方式建模

考慮槽式光熱電站機(jī)組運(yùn)行方式的復(fù)雜性，根據(jù)設(shè)計(jì)、地理位置不同，每個(gè)槽式光熱電站的運(yùn)行方式在6-9種模式，如何利用現(xiàn)場實(shí)時(shí)實(shí)際日照和氣象條件、設(shè)備運(yùn)行工況，電網(wǎng)等數(shù)據(jù)和指令，根據(jù)模型預(yù)測電站的電性能和熱性能。分析最優(yōu)運(yùn)行方式，以便自動控制系統(tǒng)或操作人員能夠及時(shí)調(diào)整機(jī)組運(yùn)行方式，從而糾正運(yùn)行措施，提高整個(gè)電站的經(jīng)濟(jì)性。

5 流量平衡與余弦效應(yīng)的消除

對于槽式集熱器，其集熱管運(yùn)行過程中收集到的太陽輻照熱量為Q0：

式中，I為直射輻射強(qiáng)度，W/m2;θ為入射角度;fθ為入射角修正系數(shù);fe為槽式集熱器末端損失;fs為槽式集熱器陣列陰影損失;ηe為槽式集熱管光學(xué)效率;ηf為集熱場反射鏡面光學(xué)效率;ηSF，avail為集熱場中可用的集熱管占總集熱管的份額。分別簡要介紹如下：

直射輻射：太陽照射到地面上的輻射分為直射輻射（DNI）和散射輻射（GHI）兩部分，二者之和構(gòu)成了水平面總輻射強(qiáng)度（GHI）。

式中，水平面總輻射強(qiáng)度為EGHI，W/m2;散射輻射為EDHI，W/m2。如公式（2）所示，直射輻射與入射角的乘積，再加上散射輻射的總和，才是水平面總輻射。

余弦效應(yīng)：太陽直射輻射與落到反射鏡腔體開口面積上的輻照需要考慮余弦效應(yīng)的影響。其計(jì)算方法為：

式中，θz為太陽高度角度;δ為太陽赤緯角度;ω為太陽時(shí)角度。

從光學(xué)原理出發(fā)，槽式太陽能集熱器以南北水平式放置，每天自東向西隨太陽高度角的變化而跟蹤太陽，而忽略太陽方位的變化，也就是余弦效應(yīng)的存在。余弦效應(yīng)的存在導(dǎo)致集熱器接受的輻射能量減少，高緯度、高海拔地區(qū)尤為嚴(yán)重，損失的能力越多。曾有人提出，集熱器的運(yùn)行由一維運(yùn)行軌跡改造成二維運(yùn)行軌跡，其理論是可以完全消除余弦效應(yīng)，但對于150m長的集熱器施工是很難實(shí)現(xiàn)的。

另外，流量調(diào)平也是槽式光熱電站另一個(gè)難點(diǎn)話題。一個(gè)成熟的光熱電站需要幾年甚至是十幾年才能將全場回路的導(dǎo)熱油流量調(diào)至一個(gè)較平衡的狀態(tài)，也是我們所說的各回路出口溫度差值在規(guī)定范圍內(nèi)。

對此，通過對國內(nèi)發(fā)展較早的光熱電站長期觀察，余弦效應(yīng)和流量平衡可合并統(tǒng)一解決。有效方法是：將現(xiàn)有的150m集熱器加長至156m重新配重，也就是增加2根集熱管的長度，對集熱器前段多出的6m集熱器增加自動遮陽裝置。在夏季集熱器受余弦效應(yīng)較少的情況下增加遮陽長度，在冬季則減小遮陽長度，從而消除余弦效應(yīng)對集熱器集熱能力造成的影響;除此之外，遮掩裝置配合回路調(diào)節(jié)閥調(diào)整因流量不平造成的回路溫度差較大問題。此方法可進(jìn)一步縮短光熱電站性能提升的周期，有效解決降低集熱器因各類差異所造成的對整場集熱效果的影響。

6 結(jié)束語

通過使用優(yōu)化的集熱器結(jié)構(gòu)，緩解項(xiàng)目由于流量平衡的季節(jié)差帶來的調(diào)節(jié)窗口期較短以及調(diào)節(jié)難度較大的困難。更加有效地利用中緯度地區(qū)的坡度性能提升優(yōu)勢，全面提升高原地區(qū)的槽式光熱電站效率。既可以充分利用我國青藏地區(qū)的荒漠資源，又可以更加合理有效地提升固定范圍鏡場的發(fā)電能力，從而全面實(shí)現(xiàn)槽式太陽能光熱利用的國產(chǎn)化新篇。

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