槽式集熱器布置方式的比較研究

張智博，趙曉輝，韓 偉，苑 曄

( 中國電力工程顧問集團西北電力設計院有限公司，陜西 西安 710075)

0 引言

槽式太陽能熱發電技術是通過槽式拋物面聚光鏡面將太陽光匯聚在焦線上，在焦線上安裝有集熱管，以吸收聚焦后的太陽輻射能。管內的流體被加熱后，流經換熱器加熱水產生蒸汽，借助于蒸汽動力循環來發電。槽式太陽能熱發電系統主要包括集熱系統、儲熱系統、換熱系統及發電系統，其中集熱系統相較于其他系統的技術成熟度較低且在整個電站中成本占比較高而受到廣泛關注[1-2]。

拋物槽式集熱器是集熱系統中最基本的聚光集熱單元，由反射鏡、集熱器支架、集熱管、集熱管支撐、跟蹤驅動機構和控制系統組成。槽式集熱器一般采用一維跟蹤方式，實時跟蹤太陽，其性能的優劣直接影響電站集熱系統出力，提高槽式集熱器性能成為集熱系統優化的關鍵[3]。這其中，集熱器跟蹤方式優化、集熱器光學效率提高、集熱管熱性能提升是增加集熱系統集熱效率的主要途徑[4]，也是國內外研究人員關注的熱點問題。

集熱器跟蹤布置方式對集熱系統的集熱量分布影響較大，主要是因為不同的跟蹤布置方式會形成不同的太陽入射角，影響集熱器接收的太陽輻照以及光學效率[5]。陳維等[6]通過建立入射角模型計算了瞬時太陽能直輻射強度，以廣州和北京地區一年中日輻照變化為例給出了跟蹤方式對光學性能的影響趨勢。裴剛等[7]根據合肥地區實測氣象數據，得出了三種不同跟蹤方式對槽式太陽能集熱系統的影響規律。余雷等[5]以南京地區的槽式集熱系統為例分析了各種單軸跟蹤方式的特點。張宏麗等[8-9]分析了前人研究中入射角計算公式的可靠性，并對比了兩種水平布置的拋物槽式集熱器在冬夏兩季的輻照量，認為在夏季使用時應采用南北布置，在冬季使用時應采用東西布置，由此提出可根據集熱用途來確定集熱器的布置跟蹤方式。前人在集熱器跟蹤的研究中主要針對單體集熱器，得到了不同的跟蹤方式對太陽入射角的影響規律，部分研究還在小型研究實驗臺上采用國內特定地區(滄州[4,10]、合肥[7]、拉薩[11]）典型資源比較了集熱性能。

近年來美國可再生能源實驗室開發的System Advisor Model(SAM）軟件被廣泛用于太陽能光熱電站的性能研究[2,12-15]。本文擬采用SAM 軟件搭建槽式太陽能熱電站，并針對集熱系統的集熱量進行研究，選取了我國太陽能資源較豐富的四個省(新疆、甘肅、青海、西藏）的典型區域資源，對集熱器水平布置方式、高差布置方式、集熱器間距三個因素對不同緯度地區集熱性能的影響規律進行研究。

1 數值模擬

采用SAM 軟件(2018.11.11 版本）搭建了100 MW 槽式太陽能熱發電系統，系統的主要輸入參數如表1 所示。選擇了導熱油(聯苯—聯苯醚）作為傳熱工質，其也是目前槽式太陽能熱發電工程常用的傳熱工質，儲熱工質選擇了二元熔鹽(60%硝酸鈉+40%硝酸鉀）。

表1 100 MW槽式太陽能熱發電系統輸入參數

在SAM 軟件計算過程中首先需要輸入光資源數據。本文模擬計算選取的是四個項目地的實際工程太陽能資源數據，各項目地緯度及代表年法向直輻射(direct normal irradiance，DNI）參數如表2 所示。由于本研究針對的是集熱器以及由集熱器組成的集熱場布置方式對集熱性能的影響，因此模擬計算考慮的集熱系統收集的熱量優先進行發電，即假設電站不受電網限制，優先由汽輪機發電，其余熱量儲存于儲罐。

表2 項目地緯度及DNI

2 集熱器布置方式比較

2.1 水平布置光熱效率比較

根據集熱器跟蹤方式的不同，拋物槽式集熱器在水平方向上的布置方式一般可分成兩種，即集熱器南北布置和集熱器東西布置。南北布置是集熱器沿南北方向水平布置，集熱器支架帶動反射鏡和集熱管繞南北方向的轉軸旋轉，同理東西布置是集熱器沿東西方向水平布置[9]。

圖1 列出了四個不同地區各月份光熱效率的變化趨勢。光熱效率是實際集熱系統集熱量與所接收的太陽能輻照能量的比值。對同一地區，太陽輻照相同，光熱效率可以反應集熱系統的集熱性能。由圖1 可以看出針對同一地區來說南北布置的集熱器在冬季光熱效率較低而夏季的效率較高；對于東西布置的集熱器則全年光學效率變化較小。這一計算結果與前人文獻中的結果類似[7,8]，說明本文模型搭建無誤。

圖1 不同地區各月光熱效率

針對不同地區來說，東西布置的全年光熱效率趨勢基本一致，隨緯度降低各.月光熱效率略有下降。緯度對光熱效率的影響主要集中在南北布置的冬季時段，可以看出低緯度地區的1 月、2 月、11 月和12 月的光熱效率明顯較高，而其他月份的光熱效率相差不大。這主要是因為集熱器單軸跟蹤時，不同布置方向的入射光線與集熱器焦線角度不同，隨時間變化太陽位置不同條件下的余弦損失和末端損失不同導致的光學效率差別。

需要說明的是對于水平布置方式，經度對槽式集熱器效率的影響較小。主要是因為同一緯度下不同地區任意一天的太陽運行軌跡是相同的，所以經度的影響只是在特定的時刻，而對于全年來考慮，同一緯度不同經度的地區太陽運行軌跡是一樣的，余弦損失對集熱器效率的影響是相同的。因此在比較全年效率和全年集熱量時可以忽略經度的影響。

2.2 水平布置年集熱量比較

圖2 列出了四個地區年總集熱量的統計結果，可以看出四個不同地區南北布置的年總集熱量均高于東西布置，但程度有所不同。以東西布置的年集熱量為基準，地區1 至4 的南北布置年集熱量分別為對應東西布置的100.4%、102.5%、107.5%、112.7%。可見隨緯度的降低，南北布置在年集熱量上的優勢越來越明顯。這主要與太陽入射角的變化有關[9]，緯度越低，南北布置的入射角導致的余弦損失較小，集熱量較多。在相同的發電單元配置和運行模式下，集熱量的多少決定電站的總發電量，因此對于低緯度電站，集熱系統設計過程中應優先選擇南北布置方式，以獲得較多的年輸出電量。

圖2 不同地區水平布置方式下的年總集熱量比較

此外，對于部分以冬季供電或供熱為主的場景，則應優先選擇東西布置方式以在冬季獲得更多的熱能。需要說明的是四個不同地區的年總輻照量不同，因此集熱量差別較大，但對于同一地區來說，年總輻照量相同，不同布置方式下的年總集熱量差別可以認為僅是布置方式的影響。

2.3 高差布置年集熱量比較

國內的光熱項目均位于北半球，適當將南北布置的集熱器自北向南傾斜一定角度有利于減小余弦損失，提高光學性能。但同時集熱器傾斜角度受液壓驅動、支架等結構的限制，存在一個最大傾斜限制，傾斜角度僅能在一定范圍內變化。增加集熱器傾斜角度會增加大量場平和加工維護費用，所以傾斜角度的選擇是一個性價比問題[6]。獲得傾斜角度對集熱量的影響規律可以為設計人員選擇經濟合理的集熱系統參數提供依據。

圖3 列出了四個不同地區年總集熱量隨傾斜角度的變化趨勢。傾斜角度為集熱器軸線與水平面的夾角，傾斜角度的變化范圍為-2°～3°，0°表示水平布置，負值表示集熱器南端的海拔高度高于北端，正值表示集熱器南端的海拔高度低于北端。由圖3 可以看出四個地區集熱量的變化趨勢基本一致，即年集熱量隨傾斜角度的增加而增加。這主要是因為在不同地區，南北向的傾斜角度越大，太陽越接近垂直入射，入射角造成的余弦損失越小[5]。以集熱器水平布置為基準，表3 列出了四個地區年集熱量隨傾斜角度的變化率。當集熱器由水平布置向北旋轉時，即南高北低布置條件下年集熱量隨高差的變化較為明顯；而當北高南低布置時，年集熱量隨高差的變化相對較小。因此在不考慮土地原始高差的情況下應盡量避免集熱器南高北低的布置方式。

圖3 不同地區高差布置對年集熱量的影響

對于北高南低的布置，由表3 可以看出隨高差變化，集熱量基本呈線性增加。對于地區1、2、3，高差每增加1°，年集熱量增加約1%。對于低緯度的地區4，高差每增加1°，年集熱量增加約0.7%，這說明緯度對高差布置的年集熱量也有一定影響。項目地處于高緯度地區時集熱場設計應更多考慮高差布置對集熱場年集熱量的影響。

表3 不同地區傾斜角度對年集熱量的變化率%

3 集熱器間距比較

集熱器間距主要影響相鄰集熱器間遮擋損失，集熱器間距越大遮擋損失越小，總集熱量越多[10]。增加集熱器間距會大幅增加集熱場占地面積，導致土地成本提高；集熱器間距加大會導致管道量增加，增加管道成本的同時還會增加集熱場的散熱損失，因此在槽式集熱場的設計中應選擇合理的集熱器間距值。圖4 列出了不同地區集熱器間距變化對年總集熱量的影響，南北布置和東西布置的分別列出。圖中的集熱器間距是指相鄰排(列）集熱器中心線間的距離，以X倍的集熱器開口尺寸作為衡量單位。

由圖4 可以看出對于四個地區的南北布置來說變化趨勢基本相同，即隨集熱器間距的增加，年總集熱量不斷增加，但增加幅度不斷降低。以地區1 為例，以1.5 倍間距時的年總集熱量為基準，集熱器間距每增加0.5 倍帶來的年總集熱量增加分別為11.3%、17.7%、19.6%、20.3%。地區2—地區4 的變化趨勢與地區1 基本一致，增加的拐點出現在2.5 倍間距附近，當集熱器間距由1.5 倍間距增加至2.5 倍間距過程中年總集熱器快速增加，這主要是因為集熱器間距的增加使相鄰集熱器間的遮擋損失迅速減小；當集熱器間距由2.5 倍間距增加至3.5 倍間距過程中，遮擋損失已較小，增加間距帶來的年集熱量增加有限。因此對于南北跟蹤，集熱器間距不宜大于集熱器開口尺寸的3 倍。對于東西布置，各地區年總集熱量隨集熱器間距的變化幅度較小。當集熱器間距由1.5 倍間距增加至2.5倍間距過程中年總集熱器快速增加，當集熱器間距超過2.5 倍時集熱場的年總集熱量基本保持不變。因此對于東西跟蹤，集熱器間距不宜大于集熱器開口尺寸的2.5 倍。根據圖4 可知，在集熱場工程設計過程中應合理選擇集熱器間距，增加集熱器間距只能在一定范圍內降低遮擋損失，降低遮擋損失帶來的年集熱量的增加會隨集熱器間距的增加而快速降低，同時土地及管道費用隨間距的增加可能導致電站整體經濟性的下降。

圖4 不同地區集熱器間距對年集熱量的影響

4 結論

本文采用SAM 軟件以槽式太陽能熱發電的集熱器布置方式為研究對象，選取了四個不同緯度的太陽能資源數據作為輸入條件，分別計算了不同集熱器布置方式(水平布置方式、高差布置方式、集熱器間距)下的年集熱量，對各因素下槽式集熱系統集熱性能的變化規律進行了比較研究，結果發現三種布置方式均對集熱系統的集熱性能有顯著的影響。不同的水平布置方式下，南北布置的集熱場在各個緯度下的年集熱量均高于東西布置，隨緯度的降低，年集熱量的差距越為明顯。對于南北布置的集熱器，將集熱器自南向北傾斜集熱量隨高差的變化較為明顯，將集熱器自北向南傾斜集熱量的變化相對較小，傾斜角度每提高1°，年集熱量增加0.7%～1%。集熱器間距對集熱場的年集熱量也有較為明顯的影響，集熱器間距增加可以減少遮擋損失增加集熱量，但同時會增加集熱場占地面積，相應增加土地和管道成本，增加集熱場的散熱損失。建議對于南北布置的集熱場，集熱器間距不宜大于集熱器開口尺寸的3 倍；對于東西布置的集熱場集熱器間距不宜大于集熱器開口尺寸的2.5 倍。