張智博，趙曉輝，韓 偉，苑 曄

( 中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710075)

0 引言

槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)是通過(guò)槽式拋物面聚光鏡面將太陽(yáng)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(yáng)輻射能。管內(nèi)的流體被加熱后，流經(jīng)換熱器加熱水產(chǎn)生蒸汽，借助于蒸汽動(dòng)力循環(huán)來(lái)發(fā)電。槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)主要包括集熱系統(tǒng)、儲(chǔ)熱系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)及發(fā)電系統(tǒng)，其中集熱系統(tǒng)相較于其他系統(tǒng)的技術(shù)成熟度較低且在整個(gè)電站中成本占比較高而受到廣泛關(guān)注[1-2]。

拋物槽式集熱器是集熱系統(tǒng)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(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)和控制系統(tǒng)組成。槽式集熱器一般采用一維跟蹤方式，實(shí)時(shí)跟蹤太陽(yáng)，其性能的優(yōu)劣直接影響電站集熱系統(tǒng)出力，提高槽式集熱器性能成為集熱系統(tǒng)優(yōu)化的關(guān)鍵[3]。這其中，集熱器跟蹤方式優(yōu)化、集熱器光學(xué)效率提高、集熱管熱性能提升是增加集熱系統(tǒng)集熱效率的主要途徑[4]，也是國(guó)內(nèi)外研究人員關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題。

集熱器跟蹤布置方式對(duì)集熱系統(tǒng)的集熱量分布影響較大，主要是因?yàn)椴煌母櫜贾梅绞綍?huì)形成不同的太陽(yáng)入射角，影響集熱器接收的太陽(yáng)輻照以及光學(xué)效率[5]。陳維等[6]通過(guò)建立入射角模型計(jì)算了瞬時(shí)太陽(yáng)能直輻射強(qiáng)度，以廣州和北京地區(qū)一年中日輻照變化為例給出了跟蹤方式對(duì)光學(xué)性能的影響趨勢(shì)。裴剛等[7]根據(jù)合肥地區(qū)實(shí)測(cè)氣象數(shù)據(jù)，得出了三種不同跟蹤方式對(duì)槽式太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的影響規(guī)律。余雷等[5]以南京地區(qū)的槽式集熱系統(tǒng)為例分析了各種單軸跟蹤方式的特點(diǎn)。張宏麗等[8-9]分析了前人研究中入射角計(jì)算公式的可靠性，并對(duì)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(rèn)為在夏季使用時(shí)應(yīng)采用南北布置，在冬季使用時(shí)應(yīng)采用東西布置，由此提出可根據(jù)集熱用途來(lái)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(duì)單體集熱器，得到了不同的跟蹤方式對(duì)太陽(yáng)入射角的影響規(guī)律，部分研究還在小型研究實(shí)驗(yàn)臺(tái)上采用國(guó)內(nèi)特定地區(qū)(滄州[4,10]、合肥[7]、拉薩[11]）典型資源比較了集熱性能。

近年來(lái)美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的System Advisor Model(SAM）軟件被廣泛用于太陽(yáng)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(yáng)能熱電站，并針對(duì)集熱系統(tǒng)的集熱量進(jìn)行研究，選取了我國(guó)太陽(yáng)能資源較豐富的四個(gè)省(新疆、甘肅、青海、西藏）的典型區(qū)域資源，對(duì)集熱器水平布置方式、高差布置方式、集熱器間距三個(gè)因素對(duì)不同緯度地區(qū)集熱性能的影響規(guī)律進(jìn)行研究。

1 數(shù)值模擬

采用SAM 軟件(2018.11.11 版本）搭建了100 MW 槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)，系統(tǒng)的主要輸入?yún)?shù)如表1 所示。選擇了導(dǎo)熱油(聯(lián)苯—聯(lián)苯醚）作為傳熱工質(zhì)，其也是目前槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電工程常用的傳熱工質(zhì)，儲(chǔ)熱工質(zhì)選擇了二元熔鹽(60%硝酸鈉+40%硝酸鉀）。

表1 100 MW槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)輸入?yún)?shù)

在SAM 軟件計(jì)算過(guò)程中首先需要輸入光資源數(shù)據(jù)。本文模擬計(jì)算選取的是四個(gè)項(xiàng)目地的實(shí)際工程太陽(yáng)能資源數(shù)據(jù)，各項(xiàng)目地緯度及代表年法向直輻射(direct normal irradiance，DNI）參數(shù)如表2 所示。由于本研究針對(duì)的是集熱器以及由集熱器組成的集熱場(chǎng)布置方式對(duì)集熱性能的影響，因此模擬計(jì)算考慮的集熱系統(tǒng)收集的熱量?jī)?yōu)先進(jìn)行發(fā)電，即假設(shè)電站不受電網(wǎng)限制，優(yōu)先由汽輪機(jī)發(fā)電，其余熱量?jī)?chǔ)存于儲(chǔ)罐。

表2 項(xiàng)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(jù)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(dòng)反射鏡和集熱管繞南北方向的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，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(gè)不同地區(qū)各月份光熱效率的變化趨勢(shì)。光熱效率是實(shí)際集熱系統(tǒng)集熱量與所接收的太陽(yáng)能輻照能量的比值。對(duì)同一地區(qū)，太陽(yáng)輻照相同，光熱效率可以反應(yīng)集熱系統(tǒng)的集熱性能。由圖1 可以看出針對(duì)同一地區(qū)來(lái)說(shuō)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(duì)于東西布置的集熱器則全年光學(xué)效率變化較小。這一計(jì)算結(jié)果與前人文獻(xiàn)中的結(jié)果類似[7,8]，說(shuō)明本文模型搭建無(wú)誤。

圖1 不同地區(qū)各月光熱效率

針對(duì)不同地區(qū)來(lái)說(shuō)，東西布置的全年光熱效率趨勢(shì)基本一致，隨緯度降低各.月光熱效率略有下降。緯度對(duì)光熱效率的影響主要集中在南北布置的冬季時(shí)段，可以看出低緯度地區(qū)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?yàn)榧療崞鲉屋S跟蹤時(shí)，不同布置方向的入射光線與集熱器焦線角度不同，隨時(shí)間變化太陽(yáng)位置不同條件下的余弦損失和末端損失不同導(dǎo)致的光學(xué)效率差別。

需要說(shuō)明的是對(duì)于水平布置方式，經(jīng)度對(duì)槽式集熱器效率的影響較小。主要是因?yàn)橥痪暥认虏煌貐^(qū)任意一天的太陽(yáng)運(yùn)行軌跡是相同的，所以經(jīng)度的影響只是在特定的時(shí)刻，而對(duì)于全年來(lái)考慮，同一緯度不同經(jīng)度的地區(qū)太陽(yáng)運(yùn)行軌跡是一樣的，余弦損失對(duì)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(shí)可以忽略經(jīng)度的影響。

2.2 水平布置年集熱量比較

圖2 列出了四個(gè)地區(qū)年總集熱量的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以看出四個(gè)不同地區(qū)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(zhǔn)，地區(qū)1 至4 的南北布置年集熱量分別為對(duì)應(yīng)東西布置的100.4%、102.5%、107.5%、112.7%?？梢?jiàn)隨緯度的降低，南北布置在年集熱量上的優(yōu)勢(shì)越來(lái)越明顯。這主要與太陽(yáng)入射角的變化有關(guān)[9]，緯度越低，南北布置的入射角導(dǎo)致的余弦損失較小，集熱量較多。在相同的發(fā)電單元配置和運(yùn)行模式下，集熱量的多少?zèng)Q定電站的總發(fā)電量，因此對(duì)于低緯度電站，集熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)優(yōu)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(qū)水平布置方式下的年總集熱量比較

此外，對(duì)于部分以冬季供電或供熱為主的場(chǎng)景，則應(yīng)優(yōu)先選擇東西布置方式以在冬季獲得更多的熱能。需要說(shuō)明的是四個(gè)不同地區(qū)的年總輻照量不同，因此集熱量差別較大，但對(duì)于同一地區(qū)來(lái)說(shuō)，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(rèn)為僅是布置方式的影響。

2.3 高差布置年集熱量比較

國(guó)內(nèi)的光熱項(xiàng)目均位于北半球，適當(dāng)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(xué)性能。但同時(shí)集熱器傾斜角度受液壓驅(qū)動(dòng)、支架等結(jié)構(gòu)的限制，存在一個(gè)最大傾斜限制，傾斜角度僅能在一定范圍內(nèi)變化。增加集熱器傾斜角度會(huì)增加大量場(chǎng)平和加工維護(hù)費(fèi)用，所以傾斜角度的選擇是一個(gè)性價(jià)比問(wèn)題[6]。獲得傾斜角度對(duì)集熱量的影響規(guī)律可以為設(shè)計(jì)人員選擇經(jīng)濟(jì)合理的集熱系統(tǒng)參數(shù)提供依據(jù)。

圖3 列出了四個(gè)不同地區(qū)年總集熱量隨傾斜角度的變化趨勢(shì)。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(fù)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(gè)地區(qū)集熱量的變化趨勢(shì)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?yàn)樵诓煌貐^(qū)，南北向的傾斜角度越大，太陽(yáng)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(zhǔn)，表3 列出了四個(gè)地區(qū)年集熱量隨傾斜角度的變化率。當(dāng)集熱器由水平布置向北旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(dāng)北高南低布置時(shí)，年集熱量隨高差的變化相對(duì)較小。因此在不考慮土地原始高差的情況下應(yīng)盡量避免集熱器南高北低的布置方式。

圖3 不同地區(qū)高差布置對(duì)年集熱量的影響

對(duì)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(duì)于地區(qū)1、2、3，高差每增加1°，年集熱量增加約1%。對(duì)于低緯度的地區(qū)4，高差每增加1°，年集熱量增加約0.7%，這說(shuō)明緯度對(duì)高差布置的年集熱量也有一定影響。項(xiàng)目地處于高緯度地區(qū)時(shí)集熱場(chǎng)設(shè)計(jì)應(yīng)更多考慮高差布置對(duì)集熱場(chǎng)年集熱量的影響。

表3 不同地區(qū)傾斜角度對(duì)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(huì)大幅增加集熱場(chǎng)占地面積，導(dǎo)致土地成本提高；集熱器間距加大會(huì)導(dǎo)致管道量增加，增加管道成本的同時(shí)還會(huì)增加集熱場(chǎng)的散熱損失，因此在槽式集熱場(chǎng)的設(shè)計(jì)中應(yīng)選擇合理的集熱器間距值。圖4 列出了不同地區(qū)集熱器間距變化對(duì)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(kāi)口尺寸作為衡量單位。

由圖4 可以看出對(duì)于四個(gè)地區(qū)的南北布置來(lái)說(shuō)變化趨勢(shì)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(qū)1 為例，以1.5 倍間距時(shí)的年總集熱量為基準(zhǔn)，集熱器間距每增加0.5 倍帶來(lái)的年總集熱量增加分別為11.3%、17.7%、19.6%、20.3%。地區(qū)2—地區(qū)4 的變化趨勢(shì)與地區(qū)1 基本一致，增加的拐點(diǎn)出現(xiàn)在2.5 倍間距附近，當(dāng)集熱器間距由1.5 倍間距增加至2.5 倍間距過(guò)程中年總集熱器快速增加，這主要是因?yàn)榧療崞鏖g距的增加使相鄰集熱器間的遮擋損失迅速減??；當(dāng)集熱器間距由2.5 倍間距增加至3.5 倍間距過(guò)程中，遮擋損失已較小，增加間距帶來(lái)的年集熱量增加有限。因此對(duì)于南北跟蹤，集熱器間距不宜大于集熱器開(kāi)口尺寸的3 倍。對(duì)于東西布置，各地區(qū)年總集熱量隨集熱器間距的變化幅度較小。當(dāng)集熱器間距由1.5 倍間距增加至2.5倍間距過(guò)程中年總集熱器快速增加，當(dāng)集熱器間距超過(guò)2.5 倍時(shí)集熱場(chǎng)的年總集熱量基本保持不變。因此對(duì)于東西跟蹤，集熱器間距不宜大于集熱器開(kāi)口尺寸的2.5 倍。根據(jù)圖4 可知，在集熱場(chǎng)工程設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)合理選擇集熱器間距，增加集熱器間距只能在一定范圍內(nèi)降低遮擋損失，降低遮擋損失帶來(lái)的年集熱量的增加會(huì)隨集熱器間距的增加而快速降低，同時(shí)土地及管道費(fèi)用隨間距的增加可能導(dǎo)致電站整體經(jīng)濟(jì)性的下降。

圖4 不同地區(qū)集熱器間距對(duì)年集熱量的影響

4 結(jié)論

本文采用SAM 軟件以槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電的集熱器布置方式為研究對(duì)象，選取了四個(gè)不同緯度的太陽(yáng)能資源數(shù)據(jù)作為輸入條件，分別計(jì)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(duì)各因素下槽式集熱系統(tǒng)集熱性能的變化規(guī)律進(jìn)行了比較研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)三種布置方式均對(duì)集熱系統(tǒng)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(chǎng)在各個(gè)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(duì)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(duì)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(duì)集熱場(chǎng)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(shí)會(huì)增加集熱場(chǎng)占地面積，相應(yīng)增加土地和管道成本，增加集熱場(chǎng)的散熱損失。建議對(duì)于南北布置的集熱場(chǎng)，集熱器間距不宜大于集熱器開(kāi)口尺寸的3 倍；對(duì)于東西布置的集熱場(chǎng)集熱器間距不宜大于集熱器開(kāi)口尺寸的2.5 倍。