鏡面清潔度對槽式集熱場效率影響的研究

內蒙古工業大學能源與動力工程學院 ■ 宋士金 趙明智 張曉明 李亞楠

0 引言

槽式太陽能熱發電技術是在聚光類太陽能熱發電中技術較成熟的一種熱發電方式，國外已于20世紀 90年代初期實現了商業并網發電，而我國尚處于起步階段，對槽式太陽能熱發電的模擬也是如此。

太陽能的能量密度低，必須通過聚光器來得到較高的集熱溫度。聚光器由反射鏡和支架組成，反射鏡是核心，反射鏡的反射率是其最重要的參數。反射率隨著反射鏡使用時間的增加而降低，引起這一現象的主要因素有灰塵、廢氣、粉末等物質；紫外線照射引起的老化及風力和自重等引起的變形或應變等[1]。

對比影響反射率的幾個因素，灰塵等對鏡面的影響比較容易人為控制，可通過合理的清洗使鏡面在較為理想的環境下工作。

為研究灰塵等附著物對鏡面反射率的影響，給出鏡面清潔度的定義，即在只考慮灰塵等附著物對集熱場鏡面影響的前提下，集熱場獲得的熱量與所有鏡面處于出廠狀態下的熱量比值，鏡面清潔度包含了鏡面吸收率、反射率及透過率的影響。研究應用TRNSYS瞬態模擬軟件(Transient System Simulation Program)，使用數據庫中的氣象數據，研究在不同的鏡面清潔度情況下集熱場效率變化趨勢，并提出適宜的鏡面清潔度范圍，以提高電站的經濟效益。

1 集熱場理論計算

導熱油流量qm由集熱器入口處溫度Tin和出口處溫度Tout及集熱管凈吸收的熱量Qnet計算得出：

式中：Qabs為吸收的熱量，W；S為集熱場的集熱面積，m2；Qpipe為管路損失的熱量，W；I為太陽法向直射輻照度，W/m2；ηth為熱效率，%。

熱效率ηth由下式計算：

式(4)不適用于裸管，式中：A為不考慮末端損失時，吸熱管光學效率和選擇性吸收涂層的吸收率系數；B、C、D分別為集熱單元基于導熱油和環境溫差ΔT(開爾文)引起的熱損失系數；K為入射角修正系數，它是入射角θ的函數[2]：

對于LS-2型聚光集熱器(即魯茲公司研制開發的第二代槽式太陽能聚光集熱器)，熱性能系數A、B、C、D取值見表1[2]。其中，系數A包含了鏡面清潔度對熱效率的影響。

表1 LS-2型集管熱性能系數

2 模擬參數設置

該研究應用TRNSYS瞬態模擬軟件，即瞬時系統模擬程序進行模擬。該軟件最大的特色在于其模塊化的分析方式[3]。

集熱場參數設置見表2。

表2 集熱場參數設置

3 部件連接

氣象輸入模塊、集熱場模塊及顯示器模塊的前后連接[5]關系見表3。

在軟件控制選項卡中設置模擬起止時間分別為0 h和8760 h，時間步長為1 h，進行模擬。

4 模擬結果及驗證

表3 部件連接

表2中集熱場的鏡面清潔度數值一項為變量，清潔度低于0.60時，集熱場效率低于10%，無研究意義。本文取值分別為0.60、0.625、0.63、0.65、0.70、0.75、0.80、0.85、0.90、0.95和1.00。模擬9月份系統在不同鏡面清潔度下集熱場效率變化曲線，并選取9月6日的數據分析。

由圖1可知，從9月份整體看，鏡面清潔度大小對效率影響很大，鏡面清潔度在0.60～0.70之間，集熱場效率都很低；在0.70以上時，9月份的效率有明顯提高。在9月6日，鏡面清潔度從0.60～1.00，有熱效率的時段為6 h，最高時間都出現在約15：00時，而且熱效率呈先增后降的趨勢。9月6日系統在對應鏡面清潔度下的最高熱效率曲線如圖2所示。

由圖2可知，集熱場的最高熱效率與鏡面清潔度之間近似呈線性關系。為了研究它們之間是否存在線性關系，現做如下研究。

圖1 集熱場在不同鏡面清潔度下的熱效

圖2 不同鏡面清潔度下一天內系統最大效率

設鏡面清潔度用變量x表示，最高集熱效率用y表示，并假設直線方程的表達式為：

最終計算得到：a=-40.09，b=76.56。

因此，擬合直線方程為：

計算得到x、y之間相關系數r=0.988，r數值非常接近于1，則x、y之間線性關系非常好，本擬合直線成立。

5 結論與展望

由以上研究表明：當鏡面清潔度在0.60～0.70時，鏡面集熱效果不佳，太陽能利用率極低，僅為10%左右，鏡場需要清洗；即使在0.70～0.80之間時，集熱場熱效率也在20%以下，太陽能利用率低。當鏡面清潔度在0.80～1.00之間時，集熱場熱效率達到21%以上，并且熱效率隨著鏡面清潔度的增加可近似認為是線性增長，其線性函數為：y=-40.09+76.56x，0≤x≤1。當鏡面清潔度在0.95時，集熱效率達到33.2%；低于0.95時，鏡場熱效率低于30%，而鏡場熱效率過低會造成電站后端發電量低，影響電站總效率。因此，從集熱場熱效率角度來講，鏡面清潔度在0.95～1.00之間為宜，不宜低于0.80，一旦低于0.80時要及時清洗，提高鏡面清潔度，以提高集熱場的集熱效率。

本研究僅局限于軟件模擬，還有待進行實驗驗證，以確定精確的鏡面清潔度范圍使系統的集熱效率保持在較好的狀態。另外，還有待確定鏡面污染物的主要成分，比如粉塵、凝結固體煙霧等。

[1] Stoddard L， Abiecunas J， O'Connell R. Economic Energy and Environmental Benefits of Concentrating Solar Power in California[R]. Kansas： National Renewable Energy Laboratory， 2006.

[2] Frank Lippke. Simulation of the part-load behavior of a 30MWe SEGS plant[R]. Prepared for Sandia National Laboratories，Albuquerque，NM， SAND 95-1293， 1995.

[3] 韓延民， 代彥軍， 王如竹. 基于TRNSYS的太陽能集熱系統能量轉化分析與優化[J]. 工程熱物理學報， 2006， (S1)： 59－62.

[4] 熊亞選，吳玉庭，馬重芳，等. 槽式太陽能聚光集熱器熱性能數值研究[J]. 工程熱物理學報，2010， (3)： 139－142.

[5] Blair Stuetzle T. Automatic control of a 30 MWe SEGSVI parabolic trough plant[R]. Solar Energy Laboratory University of Wisconsin-Madison，2002.