槽式集熱器光學性能的施工影響因素分析

程興利

(中國電建集團核電工程公司，濟南 250100)

0 引言

在幾種太陽能熱發電技術形式中，槽式太陽能熱發電技術相對成熟，在已建成的太陽能熱發電站中，槽式太陽能熱發電站的占比較大。然而，由于目前最先進的槽式集熱器技術的光學模型仍有待完善，因此該領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效率，從而降低集熱器的成本。

槽式集熱器技術的工作原理和太陽輻射特點使槽式集熱器的光學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，這對集熱器組件的制造，集熱器的組裝、安裝及檢測技術提出了特定要求。隨著槽式集熱器技術的發展，多種檢測技術也得到了開發，比如：用于精確測量集熱器支撐結構支撐點坐標和用于反射鏡角度檢測的近景照相測量法；用于反射鏡鏡面斜率精度檢測的偏折法；用于拋物線槽與集熱管的光學相互對正測量的TOPCAT、TARMES、VISfield和Qfly方法等。

影響槽式集熱器光學效率的因素很多，集熱器除了需要有合理的設計外，其原材料的選取、組件的制造、集熱器單元的制造組裝、現場安裝、運行維護等各環節都會對集熱器的光學效率產生影響。上述幾種檢測技術均可用于反射鏡和集熱管安裝后的檢測，但檢測過程復雜且耗時，一般只用于原型樣機或示范性項目中集熱器的檢測，不適合檢測商業化槽式太陽能熱發電站；對于已安裝了反射鏡和集熱管的集熱器，即使檢測出超出技術規范要求的誤差也是難以糾正的。因此，這些檢測技術只適用于集熱器金屬結構上的反射鏡支撐點和集熱管支撐點的檢測。作為一種大型、精密的光學設備，集熱器在現場安裝之后尚缺乏一種精確有效的光學效率測量和糾正技術，此外，集熱器的安裝質量在一定程度上影響著其光學效率，這就為保證集熱器的光學效率提出了嚴格的安裝質量要求。由于熟知施工質量控制對集熱器光學效率產生的影響是槽式太陽能熱發電站中太陽島施工工作的重要內容，因此，本文結合國內首個槽式太陽能熱發電項目的工程實踐，對集熱器安裝過程中的光學誤差來源及其對集熱器光學性能產生的影響進行分析。

1 槽式集熱器的光學效率

槽式集熱器的光學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，在統計分析模型中，光學效率ηo可表達為[1]：

式中：k(θ)為入射角修正系數；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)可根據太陽入射角θ計算得到，用于表征因太陽入射角變化所導致的相關光學損失，包括：1)對集熱器光學參數的影響：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，從而導致光學效率的下降；2)對攔截率的影響：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，太陽光線的擴散就越大，從而降低了集熱管對太陽光線的攔截率；3)產生末端損失：當θ＞0時，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、現場安裝及運行等環節導致的幾何誤差。

光學誤差會影響集熱器的光學效率，槽式集熱器的潛在光學誤差如圖1所示。

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

2 光學誤差對攔截率的影響

統計分析模型評價槽式集熱器的光學性能時，將因反射光束擴散而產生的總光學誤差等效量化為各個器件角度的標準誤差，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致的鏡面反射法線偏轉。總光學誤差σop是將因各種原因產生的角度標準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為鏡面支撐結構誤差；σto為集熱器的扭轉誤差；σal為集熱器單元的對正誤差；σtr為跟蹤誤差；σdi為集熱管位置誤差。

式(2)中，σco和σsu所導致的鏡面反射法線的偏轉將使反射的太陽輻射發生2倍的偏轉；σco、σsp和σsu是反射鏡材料本身或集熱器在車間內組裝制造時可能出現的誤差，而σto、σal、σtr和σdi均與現場的安裝施工有關。研究表明，在對集熱器幾何形狀依據標準技術規范進行質量控制的基礎上，應更嚴格地對集熱器的現場安裝質量進行控制，可提高1～2個百分點的攔截率[2]。

3 光學效率的施工影響因素與質量控制

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在中午時段的集熱效率較高，但由于在早晨和下午時段太陽入射角很大，集熱器的集熱效率較低，導致槽式太陽能熱發電系統的日功率變化較大，使其年發電量低于集熱器南北向布置時。因此，商業化的槽式太陽能熱發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與真南北方向的偏差不應大于0.05°，因為偏差過大將影響槽式太陽能熱發電站的年發電量。

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個集熱器單元，位于集熱器中間位置的驅動立柱為集熱器的剛性支撐點，在驅動立柱兩側各安裝有6個集熱器單元，對應6個撓性立柱。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個立柱頂端的軸承支撐著整個集熱器，因此對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。如果軸線的實際偏差值超出公差值范圍，則軸線會變成曲線或折線，這將產生以下后果：1)導致集熱器的旋轉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，雖然集熱器本身的結構剛度會影響其扭轉程度，但軸與軸承之間過大的摩擦力將導致外側的集熱器單元扭轉角度始終滯后于驅動立柱兩側的集熱器單元的扭轉角度，產生扭轉誤差，從而導致攔截率的降低；3)可能會導致附加水平力的產生，使集熱器立柱傾斜或扭轉。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的直線度公差為φ10 mm，即集熱器的實際軸線全長必須位于以基準軸線為軸線、直徑為10 mm的圓柱面所構成的公差帶區域內；單個軸承的軸線相對于全長軸線的平行度公差為φ0.2 mm(驅動立柱軸承的平行度公差為φ2.0 mm)，即實際軸線必須位于直徑為公差0.2 mm、軸線平行于基準軸線N-S的圓柱面所構成的公差帶區域內。

為避免軸承的軸線變成曲線，需對軸承進行找正，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體，必須使用適配的工具對軸承座進行3個方向的定位測量，從而計算出集熱器軸線在軸承中心點上的理論相對坐標點，以及棱鏡s和棱鏡n的理論坐標點；再根據規定的直線度和平行度公差極限值，計算出軸線在軸承中心點上的極限坐標點和棱鏡s和棱鏡n的極限坐標點；然后測量s點和n點實際的三維坐標值，若測量得到的s點和n點的坐標值在計算得到的理論極限坐標值內，即為滿足要求。否則，需要反復調整立柱的地腳螺栓，直到滿足要求。雖然集熱器的縱向誤差對其光學效率的影響不大，但會影響立柱的傾斜度，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組裝模具的系統性誤差導致，組裝模具一般是由極高精度的激光跟蹤儀進行調整，集熱器組裝完成后要經過高精度的三維近景照相測量設備檢測，能夠達到足夠高的精度。因此，在集熱器組裝階段產生的位置誤差很小。此外，集熱器的現場安裝也會導致位置誤差，現場安裝后的集熱管在工作中是以集熱器的驅動立柱為剛性支點向兩端膨脹伸縮的，除驅動立柱為剛性支點外，其他支撐均為撓性支點，當集熱管內傳熱介質的運行溫度低于其設計點溫度時，集熱管均會在反射鏡焦線以下的位置，導致集熱管從剛性支點向兩端的偏離距離逐漸變大，因此，應對集熱管的剛性支點有精確的位置度要求，否則將導致全部集熱管的位置出現誤差，并產生安裝應力。

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

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導致集熱管位置誤差，雖然這個方向上的誤差可能會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導致跟蹤誤差，使集熱器的拋物線光軸不能對正太陽的位置，而是始終偏離一個角度，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，并以旋轉軸線為基準進行控制，這對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銑鉸加工工藝來保證，低精度的鉆孔工藝將導致過大的誤差，集熱管固定端組件的對正和安裝應在有溫度要求的組裝車間內完成，由于集熱器Z軸方向的位置是依靠調整墊片保證的，因此墊片的調整是安裝質量控制的重點。

3.4 集熱器單元的安裝

集熱器的安裝對正誤差是指某個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生了相位扭轉，導致這些集熱器單元不能準確跟蹤太陽，降低了攔截率。集熱器單元的對正是通過測量集熱器兩側的高度差來實現的，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°。雖然使用水準儀即可保證測量精度，但由于集熱器的迎風面面積較大，安裝過程中很容易受到風的影響，導致集熱器單元的對正仍會存在誤差。

3.5 跟蹤誤差

為了最大化利用太陽能，集熱器的設計是使其跟蹤太陽運動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。由于跟蹤驅動機構的精度或跟蹤驅動設備的設定原因，當偏離上述平面內的角度時就會產生跟蹤誤差。跟蹤誤差很大程度上取決于跟蹤驅動設備的控制精度和運動精度，而集熱器運行時間的積累也可能會產生跟蹤誤差。由于集熱器的初始絕對安裝角度是在安裝時確定的，而集熱器是以驅動立柱頂部的驅動頭為基準進行安裝的，因此作為集熱器運行時的初始位置參數，驅動頭必須準確指向天頂角位置，其精度為90°±0.02°，若驅動頭的初始位置參數不準確，即使將安裝的正誤差控制到很小，對于依靠天文計算來進行太陽跟蹤的集熱器而言，也將引起整體的系統性跟蹤誤差。雖然可以先測量出集熱器的天頂角位置后再設定驅動頭的天頂角位置參數，但太陽島中有數百個集熱器，若都采用此方法，這將是一項非常耗時的工作。

4 結論

本文以槽式集熱器光學性能的統計分析模型為基礎，對影響槽式集熱器光學效率的施工因素進行了分析。槽式集熱器是一種大型、精密的光學設備，對其光學性能和機械性能均有較高的要求，為了高效利用太陽輻射，需重視所有的光學效率影響因素，并對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節都會對集熱器的光學效率產生影響，前期在工廠車間內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、檢測手段和良好的生產制造環境條件，而且需要隨時根據檢測結果糾正偏差。雖然目前也有測量集熱器攔截率的方法，但只能用于實驗性的分析研究，無法用于商業化運行的槽式太陽能熱發電站中已安裝的集熱器的光學誤差糾正，因此集熱器現場安裝階段的質量控制十分重要。因為項目建設階段產生的光學誤差會影響槽式太陽能熱發電站幾十年壽命期內的發電效率，因此使用高精度測量儀器、選用有經驗的高技能施工人員、采用有效的施工工藝是質量保證的基本要求。