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構微調和策略優化，來提升整個槽式光熱電站效率的系統性方法。通過對集熱器的面型、反射鏡清潔度評估、余弦效應的消除，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，對集熱管的破壞狀態和系統影響系數進行有效評估，制訂槽式集熱場的檢修策略，更加優化人力資源和設備資源，從而優化整個槽式光熱電站的經濟性。

關鍵詞：太陽能;效率;集熱場;熱損失;余弦效應;流量平衡

中圖分類號：TM615? ? ? ? 文獻標志碼：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

隨著世界經濟的高速發展，煤炭、石油、天然氣等一次性傳統能源迅速消耗。世界各國對可再生能源的開發利用均提出了明確的目標，制定了支持可再生能源發展的各種法規和政策，積極鼓勵用清潔能源替代高含碳量的礦物燃料，把開發利用新能源和可再生能源作為一個優先選擇的替代方案，從而使包括太陽能、生物質能、風能、水能等在內的可再生能源技術水平不斷提高，產業規模在全球范圍內逐漸擴大。從確保能源安全，促進可持續發展的角度而言，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和環境問題的有效方案。太陽能發電包括太陽能光伏發電和太陽能熱發電兩種形式，我國太陽能光熱事業起步相對較晚，隨著某項目50MW光熱發電示范項目的成功投運以及其余納入第一批光熱示范項目的陸續建成投運，我國光熱發展將開啟可再生能源發展的新紀元。本文結合某項目50MW光熱電站現場實際運行情況，針對光熱電站效率提升中遇到的技術瓶頸提出改進意見，確保在后期的光熱電站設計、安裝、調試和運維過程中提高槽式光熱電站的效率和降低運維成本。

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，通過介質傳遞產生過熱蒸汽來驅動汽輪發電機組旋轉發電。一個典型的槽式光熱發電系統原理圖如圖1所示。

一個50MW槽式光熱發電站大約有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。其中反射鏡是關鍵光學部件，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，為直通真空管式結構。SCA可獨立從日出到日落跟蹤太陽，每個集熱器在日間跟蹤太陽光時均會繞其旋轉軸旋轉，旋轉過程由兩個液壓缸（或其他形式）驅動兩個連接在扭矩傳送裝置的懸桿臂來實現。每個SCA集熱效率是整個光熱電站發電量的決定性因素，針對集熱場集熱效率需在以下方面進行改進：

2.1 降低集熱管熱損失

集熱器收集到的熱量，一部分經集熱管表面，以輻射和對流等方式散發到外界中;另一部分經集熱場導熱油主管道，以對流為主的方式散發到外界中去。對于集熱管表面的散熱，由于集熱管為玻璃-金屬封裝結構，內部抽真空。因此，在集熱管正常運行時，由于管內溫度一般在300～400℃之間，對外散熱以輻射散熱為主，環境溫度的變化對于散熱的影響并不大。風速方面，由于風速加大，導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，使光熱電站的發電效率達到最大，理想情況下，集熱管玻璃環內應保證足夠的真空。但是，集熱管可能由于環隙或泄漏而失去真空。同時，可能由于安裝過程中集熱管對齊不良、安裝精度不足，運維過程中操作不當或其他組件的物理干擾而破裂。

4.2 大風運行策略

在風速較高的時候，集熱場的運行變得很有挑戰性，反射鏡可能被風力破壞，隨后引發集熱管破裂。為了保護電站安全，通常都設置有大風保護，當風速超過規定值時，所有的反光鏡將旋轉到安全的位置。但對于大風保護的合理性應提出質疑，是否瞬時風速達到規定值所有集熱場就應該回保護位，在大風時是否需要將所有集熱器均收回保護位。我國光熱電站受地域影響，都處于陣風或沙塵天氣較多地區，如何減小大風、陣風造成的能量損失提出了更高要求，因此制定一個最優的大風運行策略是非常有必要的。

制定優化大風作業策略的關鍵是掌握集熱器的實際風荷載，需要在不同的風速下利用專業工具進行實地測量。在風速較低時，可考慮電站四周集熱器動作至保護位，有效減少中間集熱器所受風載荷，中間集熱器在受風載荷未達到規定值時可繼續集熱。在風速較大但未達到最大值時，集熱器可選擇性進行回路保護動作，最大限度地增加大風天氣下集熱場的集熱能力。

另一種改善大風天氣下集熱場性能的方法是減少保護位（儲存位）集熱器的導熱油流量，減少將儲存位集熱器的大量冷導熱油與跟蹤太陽集熱器的熱導熱油混在一起。在目前國內槽式光熱電站設計中，這一方法無法實現。但隨著國內光熱行業的發展，大量遠程控制的電動閥門安裝在集熱場中，這一設想是可以實現的。

4.3 機組運行方式建模

考慮槽式光熱電站機組運行方式的復雜性，根據設計、地理位置不同，每個槽式光熱電站的運行方式在6-9種模式，如何利用現場實時實際日照和氣象條件、設備運行工況，電網等數據和指令，根據模型預測電站的電性能和熱性能。分析最優運行方式，以便自動控制系統或操作人員能夠及時調整機組運行方式，從而糾正運行措施，提高整個電站的經濟性。

5 流量平衡與余弦效應的消除

對于槽式集熱器，其集熱管運行過程中收集到的太陽輻照熱量為Q0：

式中，I為直射輻射強度，W/m2;θ為入射角度;fθ為入射角修正系數;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為槽式集熱管光學效率;ηf為集熱場反射鏡面光學效率;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，二者之和構成了水平面總輻射強度（GHI）。

式中，水平面總輻射強度為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：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的影響。其計算方法為：

式中，θz為太陽高度角度;δ為太陽赤緯角度;ω為太陽時角度。

從光學原理出發，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，也就是余弦效應的存在。余弦效應的存在導致集熱器接受的輻射能量減少，高緯度、高海拔地區尤為嚴重，損失的能力越多。曾有人提出，集熱器的運行由一維運行軌跡改造成二維運行軌跡，其理論是可以完全消除余弦效應，但對于150m長的集熱器施工是很難實現的。

另外，流量調平也是槽式光熱電站另一個難點話題。一個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熱油流量調至一個較平衡的狀態，也是我們所說的各回路出口溫度差值在規定范圍內。

對此，通過對國內發展較早的光熱電站長期觀察，余弦效應和流量平衡可合并統一解決。有效方法是：將現有的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節閥調整因流量不平造成的回路溫度差較大問題。此方法可進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 結束語

通過使用優化的集熱器結構，緩解項目由于流量平衡的季節差帶來的調節窗口期較短以及調節難度較大的困難。更加有效地利用中緯度地區的坡度性能提升優勢，全面提升高原地區的槽式光熱電站效率。既可以充分利用我國青藏地區的荒漠資源，又可以更加合理有效地提升固定范圍鏡場的發電能力，從而全面實現槽式太陽能光熱利用的國產化新篇。

參考文獻：

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