槽式集熱器光學(xué)性能的施工影響因素分析

程興利

(中國電建集團(tuán)核電工程公司，濟(jì)南 250100)

0 引言

在幾種太陽能熱發(fā)電技術(shù)形式中，槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)相對(duì)成熟，在已建成的太陽能熱發(fā)電站中，槽式太陽能熱發(fā)電站的占比較大。然而，由于目前最先進(jìn)的槽式集熱器技術(shù)的光學(xué)模型仍有待完善，因此該領(lǐng)域的眾多研究人員通過嘗試新思路來提高槽式集熱器的光學(xué)效率，從而降低集熱器的成本。

槽式集熱器技術(shù)的工作原理和太陽輻射特點(diǎn)使槽式集熱器的光學(xué)效率取決于集熱器幾何形狀的精度及其跟蹤精度，這就要求集熱器的反射鏡鏡面形狀盡量滿足理想的拋物線剖面形狀，集熱管盡可能位于理想的焦線位置，并使太陽始終保持在拋物線槽的光軸平面內(nèi)，這對(duì)集熱器組件的制造，集熱器的組裝、安裝及檢測(cè)技術(shù)提出了特定要求。隨著槽式集熱器技術(shù)的發(fā)展，多種檢測(cè)技術(shù)也得到了開發(fā)，比如：用于精確測(cè)量集熱器支撐結(jié)構(gòu)支撐點(diǎn)坐標(biāo)和用于反射鏡角度檢測(cè)的近景照相測(cè)量法；用于反射鏡鏡面斜率精度檢測(cè)的偏折法；用于拋物線槽與集熱管的光學(xué)相互對(duì)正測(cè)量的TOPCAT、TARMES、VISfield和Qfly方法等。

影響槽式集熱器光學(xué)效率的因素很多，集熱器除了需要有合理的設(shè)計(jì)外，其原材料的選取、組件的制造、集熱器單元的制造組裝、現(xiàn)場安裝、運(yùn)行維護(hù)等各環(huán)節(jié)都會(huì)對(duì)集熱器的光學(xué)效率產(chǎn)生影響。上述幾種檢測(cè)技術(shù)均可用于反射鏡和集熱管安裝后的檢測(cè)，但檢測(cè)過程復(fù)雜且耗時(shí)，一般只用于原型樣機(jī)或示范性項(xiàng)目中集熱器的檢測(cè)，不適合檢測(cè)商業(yè)化槽式太陽能熱發(fā)電站；對(duì)于已安裝了反射鏡和集熱管的集熱器，即使檢測(cè)出超出技術(shù)規(guī)范要求的誤差也是難以糾正的。因此，這些檢測(cè)技術(shù)只適用于集熱器金屬結(jié)構(gòu)上的反射鏡支撐點(diǎn)和集熱管支撐點(diǎn)的檢測(cè)。作為一種大型、精密的光學(xué)設(shè)備，集熱器在現(xiàn)場安裝之后尚缺乏一種精確有效的光學(xué)效率測(cè)量和糾正技術(shù)，此外，集熱器的安裝質(zhì)量在一定程度上影響著其光學(xué)效率，這就為保證集熱器的光學(xué)效率提出了嚴(yán)格的安裝質(zhì)量要求。由于熟知施工質(zhì)量控制對(duì)集熱器光學(xué)效率產(chǎn)生的影響是槽式太陽能熱發(fā)電站中太陽島施工工作的重要內(nèi)容，因此，本文結(jié)合國內(nèi)首個(gè)槽式太陽能熱發(fā)電項(xiàng)目的工程實(shí)踐，對(duì)集熱器安裝過程中的光學(xué)誤差來源及其對(duì)集熱器光學(xué)性能產(chǎn)生的影響進(jìn)行分析。

1 槽式集熱器的光學(xué)效率

槽式集熱器的光學(xué)效率是集熱管所截獲的反射太陽輻射與集熱器接收的有效太陽輻射的比值，在統(tǒng)計(jì)分析模型中，光學(xué)效率ηo可表達(dá)為[1]：

式中：k(θ)為入射角修正系數(shù)；ρ為反射鏡面材料的反射率；τ為集熱管外層玻璃管的透射率；α為集熱管不銹鋼吸熱管涂層的吸收率；γ為攔截率。

k(θ)可根據(jù)太陽入射角θ計(jì)算得到，用于表征因太陽入射角變化所導(dǎo)致的相關(guān)光學(xué)損失，包括：1)對(duì)集熱器光學(xué)參數(shù)的影響：隨著θ的增大，反射鏡面的反射率、集熱管玻璃管的透射率和吸熱管吸熱涂層的吸收率均降低，從而導(dǎo)致光學(xué)效率的下降；2)對(duì)攔截率的影響：θ越大，太陽光線從反射鏡鏡面反射到集熱管的路徑就越長，太陽光線的擴(kuò)散就越大，從而降低了集熱管對(duì)太陽光線的攔截率；3)產(chǎn)生末端損失：當(dāng)θ＞0時(shí)，集熱器一端的最后一面反射鏡未將太陽光線反射到集熱管，而在另一端，集熱管的一部分未接收到反射鏡反射的太陽光線。

ρτα可表征反射鏡和集熱管材料的物理特性。

γ反映了集熱器組件制造，以及集熱器單元的制造、組裝、現(xiàn)場安裝及運(yùn)行等環(huán)節(jié)導(dǎo)致的幾何誤差。

光學(xué)誤差會(huì)影響集熱器的光學(xué)效率，槽式集熱器的潛在光學(xué)誤差如圖1所示。

圖1 槽式集熱器的潛在光學(xué)誤差Fig. 1 Potential optical errors in trough collectors

2 光學(xué)誤差對(duì)攔截率的影響

統(tǒng)計(jì)分析模型評(píng)價(jià)槽式集熱器的光學(xué)性能時(shí)，將因反射光束擴(kuò)散而產(chǎn)生的總光學(xué)誤差等效量化為各個(gè)器件角度的標(biāo)準(zhǔn)誤差，可將圖1中描述的各種誤差分析為局部反射鏡面偏離理想位置而導(dǎo)致的鏡面反射法線偏轉(zhuǎn)?？偣鈱W(xué)誤差σop是將因各種原因產(chǎn)生的角度標(biāo)準(zhǔn)誤差平方相加得到的[1]，即：

式中：σco為鏡面輪廓誤差；σsp為鏡面反射材料缺陷；σsu為鏡面支撐結(jié)構(gòu)誤差；σto為集熱器的扭轉(zhuǎn)誤差；σal為集熱器單元的對(duì)正誤差；σtr為跟蹤誤差；σdi為集熱管位置誤差。

式(2)中，σco和σsu所導(dǎo)致的鏡面反射法線的偏轉(zhuǎn)將使反射的太陽輻射發(fā)生2倍的偏轉(zhuǎn)；σco、σsp和σsu是反射鏡材料本身或集熱器在車間內(nèi)組裝制造時(shí)可能出現(xiàn)的誤差，而σto、σal、σtr和σdi均與現(xiàn)場的安裝施工有關(guān)。研究表明，在對(duì)集熱器幾何形狀依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行質(zhì)量控制的基礎(chǔ)上，應(yīng)更嚴(yán)格地對(duì)集熱器的現(xiàn)場安裝質(zhì)量進(jìn)行控制，可提高1～2個(gè)百分點(diǎn)的攔截率[2]。

3 光學(xué)效率的施工影響因素與質(zhì)量控制

3.1 集熱器的布置方向

理論上，集熱器東西向布置或南北向布置都可以，雖然集熱器東西向布置時(shí)在中午時(shí)段的集熱效率較高，但由于在早晨和下午時(shí)段太陽入射角很大，集熱器的集熱效率較低，導(dǎo)致槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的日功率變化較大，使其年發(fā)電量低于集熱器南北向布置時(shí)。因此，商業(yè)化的槽式太陽能熱發(fā)電站均采用集熱器南北向布置的方式。通常，集熱器南北向布置時(shí)與真南北方向的偏差不應(yīng)大于0.05°，因?yàn)槠钸^大將影響槽式太陽能熱發(fā)電站的年發(fā)電量。

3.2 集熱器立柱和軸承的安裝

以歐洲槽150集熱器(即ET-150集熱器)為例，該集熱器的長度約為150 m，包括12個(gè)集熱器單元，位于集熱器中間位置的驅(qū)動(dòng)立柱為集熱器的剛性支撐點(diǎn)，在驅(qū)動(dòng)立柱兩側(cè)各安裝有6個(gè)集熱器單元，對(duì)應(yīng)6個(gè)撓性立柱。該集熱器的3D模型如圖2所示。

圖2 ET-150集熱器的3D模型Fig. 2 3D model of ET-150 collector

由于13個(gè)立柱頂端的軸承支撐著整個(gè)集熱器，因此對(duì)這些軸承的軸線及集熱器軸線的公差均提出了較高要求，即軸承軸線的平行度公差和集熱器軸線的直線度公差。如果軸線的實(shí)際偏差值超出公差值范圍，則軸線會(huì)變成曲線或折線，這將產(chǎn)生以下后果：1)導(dǎo)致集熱器的旋轉(zhuǎn)軸和軸承不能良好接觸，增大軸與軸承之間的摩擦力，縮短軸承的壽命；2)影響集熱器扭轉(zhuǎn)，雖然集熱器本身的結(jié)構(gòu)剛度會(huì)影響其扭轉(zhuǎn)程度，但軸與軸承之間過大的摩擦力將導(dǎo)致外側(cè)的集熱器單元扭轉(zhuǎn)角度始終滯后于驅(qū)動(dòng)立柱兩側(cè)的集熱器單元的扭轉(zhuǎn)角度，產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)誤差，從而導(dǎo)致攔截率的降低；3)可能會(huì)導(dǎo)致附加水平力的產(chǎn)生，使集熱器立柱傾斜或扭轉(zhuǎn)。ET-150集熱器的軸線公差示意圖如圖3所示。

圖3 ET-150集熱器的軸線公差示意圖Fig. 3 Schematic diagram of axis tolerance of ET-150 collector

ET-150集熱器要求集熱器軸線在全長范圍內(nèi)的直線度公差為φ10 mm，即集熱器的實(shí)際軸線全長必須位于以基準(zhǔn)軸線為軸線、直徑為10 mm的圓柱面所構(gòu)成的公差帶區(qū)域內(nèi)；單個(gè)軸承的軸線相對(duì)于全長軸線的平行度公差為φ0.2 mm(驅(qū)動(dòng)立柱軸承的平行度公差為φ2.0 mm)，即實(shí)際軸線必須位于直徑為公差0.2 mm、軸線平行于基準(zhǔn)軸線N-S的圓柱面所構(gòu)成的公差帶區(qū)域內(nèi)。

為避免軸承的軸線變成曲線，需對(duì)軸承進(jìn)行找正，找正方式如圖4所示。由于軸承和軸承座是有限尺寸的三維實(shí)體，必須使用適配的工具對(duì)軸承座進(jìn)行3個(gè)方向的定位測(cè)量，從而計(jì)算出集熱器軸線在軸承中心點(diǎn)上的理論相對(duì)坐標(biāo)點(diǎn)，以及棱鏡s和棱鏡n的理論坐標(biāo)點(diǎn)；再根據(jù)規(guī)定的直線度和平行度公差極限值，計(jì)算出軸線在軸承中心點(diǎn)上的極限坐標(biāo)點(diǎn)和棱鏡s和棱鏡n的極限坐標(biāo)點(diǎn)；然后測(cè)量s點(diǎn)和n點(diǎn)實(shí)際的三維坐標(biāo)值，若測(cè)量得到的s點(diǎn)和n點(diǎn)的坐標(biāo)值在計(jì)算得到的理論極限坐標(biāo)值內(nèi)，即為滿足要求。否則，需要反復(fù)調(diào)整立柱的地腳螺栓，直到滿足要求。雖然集熱器的縱向誤差對(duì)其光學(xué)效率的影響不大，但會(huì)影響立柱的傾斜度，同樣需要控制。

圖4 集熱器軸承的找正方式Fig. 4 Correct way of collector bearings

3.3 集熱管固定端組件的安裝

集熱管的位置誤差可能由集熱器組裝時(shí)組裝模具的系統(tǒng)性誤差導(dǎo)致，組裝模具一般是由極高精度的激光跟蹤儀進(jìn)行調(diào)整，集熱器組裝完成后要經(jīng)過高精度的三維近景照相測(cè)量設(shè)備檢測(cè)，能夠達(dá)到足夠高的精度。因此，在集熱器組裝階段產(chǎn)生的位置誤差很小。此外，集熱器的現(xiàn)場安裝也會(huì)導(dǎo)致位置誤差，現(xiàn)場安裝后的集熱管在工作中是以集熱器的驅(qū)動(dòng)立柱為剛性支點(diǎn)向兩端膨脹伸縮的，除驅(qū)動(dòng)立柱為剛性支點(diǎn)外，其他支撐均為撓性支點(diǎn)，當(dāng)集熱管內(nèi)傳熱介質(zhì)的運(yùn)行溫度低于其設(shè)計(jì)點(diǎn)溫度時(shí)，集熱管均會(huì)在反射鏡焦線以下的位置，導(dǎo)致集熱管從剛性支點(diǎn)向兩端的偏離距離逐漸變大，因此，應(yīng)對(duì)集熱管的剛性支點(diǎn)有精確的位置度要求，否則將導(dǎo)致全部集熱管的位置出現(xiàn)誤差，并產(chǎn)生安裝應(yīng)力。

如圖5所示，相對(duì)于跟蹤旋轉(zhuǎn)軸線，集熱管固定端組件C-D段的位置度公差為φ2.0 mm，即允許其實(shí)際軸線在直徑為2.0 mm的圓柱面內(nèi)圍繞圓柱軸線發(fā)生位置變動(dòng)，圓柱軸線是以集熱器旋轉(zhuǎn)軸線A-B段的真正尺寸為基準(zhǔn)確定的軸線。

圖5 ET-150集熱器的集熱管固定端的位置公差(單位：mm)Fig. 5 Position tolerance of fixed end of collector tube of ET-150 collector (Unit: mm)

集熱器Z軸方向上的偏差過大會(huì)導(dǎo)致集熱管位置誤差，雖然這個(gè)方向上的誤差可能會(huì)被集熱器的輪廓形狀誤差相疊加后抵消，但這種抵消只是偶然情況；而集熱器Z軸方向上的偏差過大會(huì)導(dǎo)致跟蹤誤差，使集熱器的拋物線光軸不能對(duì)正太陽的位置，而是始終偏離一個(gè)角度，降低了攔截率。

集熱器X軸和Z軸方向上的位置度主要是由專用的高精度組裝模具來保證的，并以旋轉(zhuǎn)軸線為基準(zhǔn)進(jìn)行控制，這對(duì)組裝模具的尺寸和形位公差有很高的要求，定位孔槽的加工精度必須依據(jù)銑鉸加工工藝來保證，低精度的鉆孔工藝將導(dǎo)致過大的誤差，集熱管固定端組件的對(duì)正和安裝應(yīng)在有溫度要求的組裝車間內(nèi)完成，由于集熱器Z軸方向的位置是依靠調(diào)整墊片保證的，因此墊片的調(diào)整是安裝質(zhì)量控制的重點(diǎn)。

3.4 集熱器單元的安裝

集熱器的安裝對(duì)正誤差是指某個(gè)或部分集熱器單元的拋物線光軸面偏離了理論光軸面，而其相較處于正確位置的集熱器單元發(fā)生了相位扭轉(zhuǎn)，導(dǎo)致這些集熱器單元不能準(zhǔn)確跟蹤太陽，降低了攔截率。集熱器單元的對(duì)正是通過測(cè)量集熱器兩側(cè)的高度差來實(shí)現(xiàn)的，由于ET-150集熱器的寬度為5.77 m，其允許的最大高度偏差為1 mm，即約為0.02°。雖然使用水準(zhǔn)儀即可保證測(cè)量精度，但由于集熱器的迎風(fēng)面面積較大，安裝過程中很容易受到風(fēng)的影響，導(dǎo)致集熱器單元的對(duì)正仍會(huì)存在誤差。

3.5 跟蹤誤差

為了最大化利用太陽能，集熱器的設(shè)計(jì)是使其跟蹤太陽運(yùn)動(dòng)以保持太陽始終位于拋物線槽的光軸平面，即圖5所示的Y-Z平面內(nèi)。由于跟蹤驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的精度或跟蹤驅(qū)動(dòng)設(shè)備的設(shè)定原因，當(dāng)偏離上述平面內(nèi)的角度時(shí)就會(huì)產(chǎn)生跟蹤誤差。跟蹤誤差很大程度上取決于跟蹤驅(qū)動(dòng)設(shè)備的控制精度和運(yùn)動(dòng)精度，而集熱器運(yùn)行時(shí)間的積累也可能會(huì)產(chǎn)生跟蹤誤差。由于集熱器的初始絕對(duì)安裝角度是在安裝時(shí)確定的，而集熱器是以驅(qū)動(dòng)立柱頂部的驅(qū)動(dòng)頭為基準(zhǔn)進(jìn)行安裝的，因此作為集熱器運(yùn)行時(shí)的初始位置參數(shù)，驅(qū)動(dòng)頭必須準(zhǔn)確指向天頂角位置，其精度為90°±0.02°，若驅(qū)動(dòng)頭的初始位置參數(shù)不準(zhǔn)確，即使將安裝的正誤差控制到很小，對(duì)于依靠天文計(jì)算來進(jìn)行太陽跟蹤的集熱器而言，也將引起整體的系統(tǒng)性跟蹤誤差。雖然可以先測(cè)量出集熱器的天頂角位置后再設(shè)定驅(qū)動(dòng)頭的天頂角位置參數(shù)，但太陽島中有數(shù)百個(gè)集熱器，若都采用此方法，這將是一項(xiàng)非常耗時(shí)的工作。

4 結(jié)論

本文以槽式集熱器光學(xué)性能的統(tǒng)計(jì)分析模型為基礎(chǔ)，對(duì)影響槽式集熱器光學(xué)效率的施工因素進(jìn)行了分析。槽式集熱器是一種大型、精密的光學(xué)設(shè)備，對(duì)其光學(xué)性能和機(jī)械性能均有較高的要求，為了高效利用太陽輻射，需重視所有的光學(xué)效率影響因素，并對(duì)這些影響因素采取消除或降低影響的措施十分必要。太陽島施工階段的很多環(huán)節(jié)都會(huì)對(duì)集熱器的光學(xué)效率產(chǎn)生影響，前期在工廠車間內(nèi)的集熱器組件和集熱器單元的制造和組裝，不僅需要有足夠精確的組裝模具、檢測(cè)手段和良好的生產(chǎn)制造環(huán)境條件，而且需要隨時(shí)根據(jù)檢測(cè)結(jié)果糾正偏差。雖然目前也有測(cè)量集熱器攔截率的方法，但只能用于實(shí)驗(yàn)性的分析研究，無法用于商業(yè)化運(yùn)行的槽式太陽能熱發(fā)電站中已安裝的集熱器的光學(xué)誤差糾正，因此集熱器現(xiàn)場安裝階段的質(zhì)量控制十分重要。因?yàn)轫?xiàng)目建設(shè)階段產(chǎn)生的光學(xué)誤差會(huì)影響槽式太陽能熱發(fā)電站幾十年壽命期內(nèi)的發(fā)電效率，因此使用高精度測(cè)量儀器、選用有經(jīng)驗(yàn)的高技能施工人員、采用有效的施工工藝是質(zhì)量保證的基本要求。