干散貨碼頭積塵對(duì)太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的影響

顧 明

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 水路交通環(huán)境保護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

當(dāng)前，全球化石能源資源日益短缺，氣候變化等環(huán)境壓力日漸增大。太陽(yáng)能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等新能源和可再生能源已被世界各國(guó)政府作為重要的戰(zhàn)略替代能源。目前，太陽(yáng)能在港區(qū)的應(yīng)用尚處于起步階段，港口由于特有的裝卸作業(yè)條件和環(huán)境，特別是干散貨碼頭由于PM2.5、PM10、顆粒物等大氣環(huán)境質(zhì)量因素造成環(huán)境粉塵容量上升，對(duì)于太陽(yáng)能光熱或光電利用均造成一定的影響。

劉繼者[1]在平板太陽(yáng)能集熱器表面沉積了一定量灰塵后，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試了熱管平板式熱水器的效率，積塵后集熱器的效率由原來(lái)的37.3%下降為31.9%。劉剛[2]等人通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了平板型太陽(yáng)能集熱器表面積灰對(duì)系統(tǒng)熱性能影響，得出在相同條件下，太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)日有效集熱量降低3.95%，升溫性能降低3.19%～5.31%，系統(tǒng)日集熱效率降低4.05%。季雪元[3]研究了堆場(chǎng)圍護(hù)設(shè)施情況下靜態(tài)起塵量的源強(qiáng)計(jì)算，研究結(jié)果表明：堆場(chǎng)設(shè)置防風(fēng)網(wǎng)，再結(jié)合灑水及堆垛可降低堆場(chǎng)的風(fēng)速，靜態(tài)起塵抑塵效率可達(dá)98%；堆場(chǎng)設(shè)置條形倉(cāng)，再結(jié)合堆場(chǎng)灑水及多堆堆垛風(fēng)速的降低，靜態(tài)起塵抑塵效率可達(dá)99%以上；筒倉(cāng)本身無(wú)粉塵外溢問(wèn)題，起塵量幾乎為零。

干散貨碼頭堆場(chǎng)存放大量的煤炭、礦石等制品，在自然起風(fēng)條件下會(huì)起塵，另外港口在裝卸貨種時(shí)也會(huì)起塵，港口太陽(yáng)能光熱利用主要是在侯工樓等建筑物屋頂安裝太陽(yáng)能熱水器給碼頭裝卸工人洗浴使用，光伏發(fā)電主要供道路、堆場(chǎng)小規(guī)模供電使用，其揚(yáng)塵覆蓋在太陽(yáng)能集熱器上影響集熱或光伏效果。

由于碼頭揚(yáng)塵造成目前國(guó)內(nèi)港口并不能大規(guī)模使用太陽(yáng)能，天津港主要采用真空管集熱太陽(yáng)能熱水器為員工提供洗浴，僅在集裝箱碼頭安裝了分布式太陽(yáng)能光伏組件，裝機(jī)容量40 kW；寧波舟山港在太倉(cāng)萬(wàn)方公司和樂(lè)清灣港區(qū)倉(cāng)庫(kù)屋頂分別安裝了分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，裝機(jī)容量分別為1.25 MW和0.25 MW；大連港在散雜貨碼頭倉(cāng)庫(kù)屋頂安裝了分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，總面積約4萬(wàn)m2。目前國(guó)內(nèi)對(duì)于太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)積塵情況主要針對(duì)于一般自然積塵，缺乏對(duì)于港口特定環(huán)境下積塵對(duì)于太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的影響。本文以天津港干散貨碼頭為基礎(chǔ)，研究不同干散貨碼頭環(huán)境條件下，積塵對(duì)于平板集熱器的影響。

1 干散貨碼頭太陽(yáng)能平板集熱器系統(tǒng)

本文以天津港干散貨碼頭太陽(yáng)能平板集熱器系統(tǒng)為研究，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，利用仿真軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，分析港口干散貨碼頭對(duì)于平板集熱器的影響。

平板型集熱器(FPC)是太陽(yáng)能集熱器中一種最基本的類(lèi)型，其結(jié)構(gòu)一般包括透明蓋板、集熱體、隔熱層和殼體。投射到集熱器上的太陽(yáng)輻射能，小部分被蓋板吸收和反射回天空，大部分透過(guò)透明蓋板入射到集熱板上，流通管內(nèi)的工質(zhì)吸收太陽(yáng)熱能，溫度逐漸升高。與此同時(shí)，集熱器的熱損失主要是由于透明蓋板和殼體向環(huán)境散失熱量。

2 太陽(yáng)能平板集熱器數(shù)學(xué)模型

本文所用的系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表1和表2。

表1 太陽(yáng)能平板集熱器模型參數(shù)表Tab.1 Model parameters of solar flat plate collector

表2 月平均日氣候參數(shù)表Tab.2 Climate parameters in monthly average day

一年中日字?jǐn)?shù)在法向平面上測(cè)得的大氣層外的輻射度[5]為

(1)

一天中某一時(shí)刻地球自轉(zhuǎn)所形成的角度為

ω=(t-12)×15×2π/360

(2)

式中：t為時(shí)間，定義24 h制，中午12時(shí)的時(shí)角為零。

(3)

cosθz=sinα=sinψ×sinδ+cosψ×cosδ×cosω

(4)

cosθ=sinδsin(ψ-β)+cosδcosωcos(ψ-β)

(5)

式中：δ為赤緯角[6]；θz為太陽(yáng)天頂角；α為太陽(yáng)高度角；θ為太陽(yáng)入射角；γ為集熱器方位角，β為集熱器傾角。(文獻(xiàn)[7]指出當(dāng)集熱器正南而置時(shí)，集熱器傾角與當(dāng)?shù)鼐暥冉铅紫嗤瑫r(shí)，年收集量總是最多，即γ=0，β=ψ=39.13°)

2.2 太陽(yáng)能平板集熱器系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

水平面上直接輻射強(qiáng)度Gz和散射輻射強(qiáng)度Gs[8]分別為

(6)

(7)

傾斜面上的太陽(yáng)總輻射Gt為[9]

(8)

吸熱板吸收的太陽(yáng)輻射能S為

S=Gtτζη=Gtτζ×1.287×μ-0.28

(9)

式中：η為積塵遮擋系數(shù)[10]。

集熱器的有效集熱量為吸熱板吸收的太陽(yáng)輻射量與集熱器的熱損失之差Q為

Q=AF[S-U(Tf-Ta)]

(10)

式中：Tf為集熱器進(jìn)口溫度，℃。

集熱器的總熱損失系數(shù)U

U=Ut+Ub

(11)

式中：Ut為集熱器面部熱損系數(shù)，W/(m2·℃)；Ub為底部熱損系數(shù)，W/(m2·℃)；集熱器側(cè)面邊框熱損系數(shù)忽略不計(jì)。

Klein[11]提出的計(jì)算太陽(yáng)能平板集熱器面部熱損失的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式

(12)

f為集熱器有、無(wú)透明蓋板時(shí)的熱阻之比

f=1.078 66(1+0.089 h-0.1166hεp)

(13)

McAdams[12]提出風(fēng)掠過(guò)透明蓋板的對(duì)流換熱系數(shù)h的近似公式計(jì)算

h=5.7+3.8v

(14)

集熱器底部熱損失系數(shù)Ub為

(15)

Hottel[5]先后提出并完善了太陽(yáng)能平板集熱器的簡(jiǎn)化熱模型，如圖1所示。

圖1 平板集熱器管板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of tube sheet of FPC

管板肋片效率F0為

(16)

集熱器效率因子F1為[13]

(17)

集熱器的熱轉(zhuǎn)移因子F可表示為[14]

(18)

式中：m0為集熱工質(zhì)流量，kg/(m2·s)。

3 系統(tǒng)熱力性能分析

通過(guò)編制系統(tǒng)語(yǔ)言計(jì)算機(jī)程序，利用仿真模擬軟件對(duì)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了求解。在其他參數(shù)不變的情況下，通過(guò)分析系統(tǒng)集熱器積塵量、碼頭類(lèi)型、集熱器進(jìn)口水溫溫度、工質(zhì)流量4個(gè)因變量來(lái)分析系統(tǒng)性能。

3.1 集熱器積塵量的影響

按照天津市市容園林委發(fā)布的《城市道路以克論凈檢測(cè)考核實(shí)施辦法》中考核要求：一級(jí)道路積塵量達(dá)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)為10 g/m2，二級(jí)道路為12 g/m2，三級(jí)道路為15 g/m2，四級(jí)道路為20 g/m2，天津港干散貨碼頭主要分布在南疆港區(qū)，北疆港區(qū)有少部分礦石，天津市生態(tài)環(huán)境局對(duì)天津市各區(qū)域街鎮(zhèn)均有降塵量的監(jiān)測(cè)和考核，天津市2020年第一季度環(huán)境空氣降塵量結(jié)果顯示：天津港南疆港區(qū)降塵量均值為20 t/(km2·月)，北疆港區(qū)降塵量均值全市最高，為35.3 t/(km2·月)[15]。通常太陽(yáng)能平板集熱器放置在港區(qū)道路兩邊辦公樓屋頂上，或放置在碼頭堆場(chǎng)倉(cāng)庫(kù)等建筑物上，因此對(duì)于干散貨碼頭積塵量可以參考道路積塵量達(dá)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)以及降塵量監(jiān)測(cè)結(jié)果。

當(dāng)平板集熱器處于煤炭碼頭中，分析全年月平均日平板集熱器透明蓋板積塵量對(duì)集熱器透明蓋板和集熱板集熱量的影響，如圖2所示。

圖2 集熱器積塵量對(duì)集熱板集熱量的影響Fig.2 Influence on collector plate heat-collection by dust accumulation of collector

由圖中可以看出，平板集熱器的傾斜面和集熱板集熱量在四月份和九月份兩次達(dá)到峰值。這是由于：當(dāng)集熱器傾角為39.13°時(shí)，太陽(yáng)光線(xiàn)在南北回歸線(xiàn)循環(huán)照射，在春分(3月21日)和秋分(9月23日)，太陽(yáng)光線(xiàn)垂直入射集熱器表面，考慮到地球軌道偏心修正系數(shù)、大氣光學(xué)質(zhì)量和大氣透明度對(duì)太陽(yáng)能輻射強(qiáng)度的影響，集熱器傾斜面和集熱板的集熱量在四月和九月份達(dá)到最大。當(dāng)集熱器透明蓋板的積塵量越大，集熱板吸收到的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度越小，這是主要由于積塵量越大時(shí)，太陽(yáng)輻射透過(guò)透明蓋板的有效輻射量越小，導(dǎo)致集熱板吸收到的輻射量越少，積塵初期集熱板集熱量急劇下降，之后緩慢降低。對(duì)于港區(qū)道路旁建筑物使用太陽(yáng)能，積塵導(dǎo)致集熱量下降32%，對(duì)于南疆港區(qū)集熱量下降44%，北疆港區(qū)下降52%，因此對(duì)于天津港干散貨碼頭而言，應(yīng)及時(shí)清理平板集熱器蓋板積塵，北疆港區(qū)降塵量最大，積塵清理應(yīng)更加頻繁。對(duì)于干散貨碼頭大面積采用太陽(yáng)能集熱器系統(tǒng)，其積塵主要為礦粉煤炭，因此其除塵方式應(yīng)采用干刷式或濕刷式，回收積塵再利用。避免采用超聲波式或噴氣式除塵導(dǎo)致的積塵飛濺引起粉塵二次污染。

3.2 積塵類(lèi)型的影響

針對(duì)天津港煤炭和礦石不同類(lèi)型碼頭，積塵類(lèi)型分別為煤粉和礦粉，其導(dǎo)熱系數(shù)不同，按照最低道路積塵量10 g/m2和最高天津港北疆港區(qū)積塵量35 g/m2為初始計(jì)算條件，集熱器集進(jìn)口水度為20℃，集熱工質(zhì)流量為0.03 kg/(m2·s)，分析不同積塵類(lèi)型對(duì)平板集熱器有效集熱量的影響，如圖3所示。

圖3 不同碼頭類(lèi)型對(duì)集熱器有效集熱量的影響Fig.3 Influence on collector effective heat-collection in different wharf

由圖中可以看出，平板集熱器處于不同類(lèi)型碼頭時(shí)，當(dāng)積塵量一定時(shí)，集熱板的有效集熱量基本無(wú)變化。這是由于積塵量相同時(shí)，灰塵覆蓋的透明蓋板的透過(guò)率相同，集熱板收集的輻射量也相同。煤粉和礦粉導(dǎo)熱系數(shù)和透過(guò)率不同引起的集熱器熱損失相對(duì)較小，導(dǎo)致集熱器有效集熱量基本無(wú)變化。因此，針對(duì)天津港南北疆煤炭或礦石碼頭，均應(yīng)采用相同類(lèi)型的除塵設(shè)施，以保證平板集熱器表面的清潔度。

3.3 集熱器進(jìn)口水溫的影響

對(duì)于干散貨碼頭而言，積塵是影響太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)熱性能的主要因素，它直接降低了集熱器吸收到的太陽(yáng)輻射量。實(shí)際工程應(yīng)用中，為了保持太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的高效率和穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)于集熱器的進(jìn)口水溫和水流量等參數(shù)也應(yīng)進(jìn)行分析和研究。

按照天津港南疆煤炭碼頭積塵量20 g/m2，集熱工質(zhì)流量為0.03 kg/(m2·s)，分析煤炭碼頭集熱器進(jìn)口水溫對(duì)集熱器有效集熱量和效率的影響，如圖4所示。

圖4 集熱器進(jìn)口水溫對(duì)集熱器有效集熱量和效率的影響Fig.4 Influence on collector effective heat-collection and efficiency by collector inlet temperature

由圖中可以看出，隨著集熱器進(jìn)口水溫的變化，有效集熱量均是在2月、3月和8月、9月出現(xiàn)一個(gè)峰值，這是由于3月和9月太陽(yáng)光線(xiàn)垂直入射集熱器表面以及集熱器熱損失變化的綜合作用引起的。當(dāng)集熱器進(jìn)口水溫越低時(shí)，在春夏季與環(huán)境溫度溫差越大，其有效集熱量和效率越大，集熱器全年有效集熱量越大，但是月平均日的有效集熱量和效率波動(dòng)幅度也越大，這不利于系統(tǒng)的有效穩(wěn)定運(yùn)行。因此在工程上應(yīng)用時(shí)，應(yīng)保持集熱系統(tǒng)進(jìn)口水溫恒定在一定范圍內(nèi)，以確保系統(tǒng)額定狀態(tài)下運(yùn)行。天津每年采暖季氣溫較低，其地表水溫度也相對(duì)較低，應(yīng)采用電輔加熱或者供暖管道接觸換熱方式，提高供水水溫，保持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

3.4 集熱器水流量的影響

按照天津港南疆煤炭碼頭積塵量20 g/m2，集熱器集進(jìn)口水度為20℃，分析煤炭碼頭不同水流量對(duì)集熱器有效集熱量的影響，如圖5所示。

圖5 集熱器水流量對(duì)集熱器有效集熱量的影響Fig.5 Influence on collector effective heat-collection by collector water flow rate

由圖中可以看出，集熱工質(zhì)流量越低時(shí)，集熱器月平均日的有效集熱量越低，當(dāng)集熱工質(zhì)流量大于0.05 kg/(s·m2)時(shí)，有效集熱量基本無(wú)變化。這是由于小流量流過(guò)集熱板時(shí)，工質(zhì)在集熱管中與集熱板充分換熱后不能及時(shí)流出集熱器，不能吸收多余的集熱板熱量，導(dǎo)致集熱器有效集熱量減小。當(dāng)工質(zhì)流量增大時(shí)，工質(zhì)在流過(guò)集熱板能吸收更多的熱量，有效集熱量增大，當(dāng)工質(zhì)流量增大至一定數(shù)量時(shí)，集熱板的熱量已經(jīng)全部與工質(zhì)發(fā)生熱量交換，此時(shí)有效集熱量達(dá)到峰值，由于集熱板集熱量只與當(dāng)?shù)貧夂驐l件和集熱器本身有關(guān)，因此繼續(xù)增大工質(zhì)流量對(duì)有效集熱量基本無(wú)影響。工程上根據(jù)太陽(yáng)能平板集熱器的熱性能，運(yùn)行水流量應(yīng)取值臨界值附近，過(guò)小降低了系統(tǒng)熱性能，過(guò)大不僅增加泵耗成本，也不能顯著提高系統(tǒng)熱性能。

4 結(jié)論

本文分析了天津港干散貨碼頭太陽(yáng)能平板集熱器系統(tǒng)的熱力性能。選取天津市城市道路積塵達(dá)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)10 g/m2，以及天津港南疆港區(qū)降塵量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)20 t/(km2·月)和北疆港區(qū)35.3 t/(km2·月)為計(jì)算背景，對(duì)于港區(qū)道路旁建筑物使用太陽(yáng)能，積塵導(dǎo)致集熱量下降32%，對(duì)于南疆港區(qū)集熱量下降44%，北疆港區(qū)下降52%，應(yīng)采用干刷式或濕刷式定期清理集熱器蓋板積塵，對(duì)煤礦粉進(jìn)行回收再利用。當(dāng)積塵量一定時(shí)，積塵類(lèi)型煤或礦粉對(duì)集熱量基本無(wú)影響。天津每年采暖季氣溫較低，其地表水溫度相對(duì)較低，應(yīng)采用電輔加熱或者供暖管道接觸換熱方式，以提高供水水溫。對(duì)于不同集熱器，應(yīng)選擇合適的水流量臨界值，保證集熱系統(tǒng)的熱性能。