王 強

（中國廣核新能源控股有限公司，北京 100070）

太陽能熱發(fā)電是一項通過太陽聚光進行熱轉(zhuǎn)化發(fā)電的新能源應(yīng)用技術(shù)，其具有建造、生產(chǎn)和退役無污染優(yōu)勢的同時，可通過儲熱系統(tǒng)實現(xiàn)24 h不間斷發(fā)電。電站依據(jù)聚光方式不同，主要分為4種：槽式、塔式、碟式和菲涅爾式，其中槽式技術(shù)成熟，塔式技術(shù)發(fā)展迅速，碟式和菲涅爾式還處于試驗階段，美國等國早在20世紀80年代初就進行了槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)研究，目前在美國和西班牙已建成多座商業(yè)化槽式太陽能熱發(fā)電站。我國太陽能熱發(fā)電技術(shù)的商業(yè)化剛剛開始，國家能源局于2016年9月公布了首批20個光熱發(fā)電示范項目，并在2018年10月建成首個大型商業(yè)化光熱示范電站。

槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)是利用大規(guī)模排列的拋物面鏡跟蹤聚光，通過聚焦的太陽能加熱反射鏡焦線上的傳熱導(dǎo)體，實現(xiàn)光和熱的轉(zhuǎn)化，同時利用換熱裝置產(chǎn)生蒸汽帶動傳統(tǒng)汽輪機發(fā)電。評價槽式集熱系統(tǒng)的性能時，核心指標為光和熱的轉(zhuǎn)換效率，2001年4月頒布實施的歐洲標準提出了可現(xiàn)場規(guī)?；奶柲芗療崞鳠嵝试囼灧椒ǎ档土瞬凼郊療嵯到y(tǒng)的性能試驗要求，目前國內(nèi)對槽式太陽能集熱系統(tǒng)性能測試標準尚處于空白，為此本研究通過對進行延慶和德令哈槽式集熱系統(tǒng)試驗，深入分析數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)性能進行評估并優(yōu)化動態(tài)試驗測試方法。

1 集熱器性能評價

槽式集熱系統(tǒng)的熱效率定義為規(guī)定時段內(nèi)傳熱流體輸出的能量與相應(yīng)時段內(nèi)槽式集熱器采光面積收到的太陽能量之比。因系統(tǒng)長期處于非穩(wěn)態(tài)條件下，考慮運行模式下描述熱性能的相關(guān)輸入?yún)?shù)變化，確定拋物面槽式太陽能集熱器熱性能動態(tài)測試模型

式中：e0、e1、e2、a、b、c和d是7個待定動態(tài)模型常量系數(shù)，其需要使用集熱器熱性能試驗得到數(shù)據(jù)進行辨識；θ為集熱器的入射角；τ為時間；ta為環(huán)境空氣溫度；te為傳熱流體的集熱器出口溫度；ti為傳熱流體的集熱器進口溫度；Geni是考慮余弦損失、端部損失和傳熱流體經(jīng)集熱器時太陽輻照度變化影響的一個有效均化的太陽直射輻照度。

式中：Geni為上文中有效均化太陽直射輻照度；GDN為太陽法向直接輻照度；f為集熱器拋物面的焦距；L為集熱器的長度；τs為測試數(shù)據(jù)采集時間間隔；τp為傳熱流體從集熱器進口到出口的流動時間；τi為熱流體的集熱器進口溫度測量記錄時間；p為拋物面槽式金屬吸熱管沿傳熱流體流動方向劃分的等長區(qū)域，取決于傳熱流體從集熱器進口到出口的流動時間τp和測試數(shù)據(jù)采集時間間隔τs，即

式（1）中方程右側(cè)前3項決定集熱器與太陽相對位置影響，后2項代表集熱器進口溫度和環(huán)境溫度之差造成的熱損失。因集熱器吸熱內(nèi)管和玻璃外管之間為近似真空，其熱損失包括輻射熱損失和小范圍對流熱損失?？紤]多變量參數(shù)耦合下對系統(tǒng)產(chǎn)生相應(yīng)關(guān)系，采集延慶1 MW槽式太陽能熱發(fā)電驗收性能試驗和德令哈50 MW槽式光熱發(fā)電不同運行參數(shù)下的數(shù)據(jù)與氣象數(shù)據(jù)，分析評價性能的非變量滿足條件和不同影響因素的熱效率響應(yīng)。

1.1 非變量

槽式集熱系統(tǒng)性能試驗傳熱流體為導(dǎo)熱油，是閉式循環(huán)系統(tǒng)能量輸出，為抵消太陽能量波動對系統(tǒng)控制策略和設(shè)備造成的不穩(wěn)定性，導(dǎo)熱油流量需滿足系統(tǒng)容量的最大值，安全模式下試驗中選定設(shè)計數(shù)值，數(shù)據(jù)顯示可靠范圍為流量偏差小于等于1%。試驗采集數(shù)據(jù)包括3個階段：聚光工況下導(dǎo)熱油出口升溫試驗、短時間熱平衡試驗和采光口背向太陽工況下導(dǎo)熱油出口降溫試驗階段。為比較不同工況下的系統(tǒng)蓄能能力一致，導(dǎo)熱油進口溫度需在設(shè)計值±2%范圍內(nèi)。

1.2 變量

影響集熱系統(tǒng)熱損失的變量為風速和環(huán)境溫度，風速不同影響集熱器效率曲線截獲，環(huán)境溫度影響對流傳熱及輻射傳熱。試驗計算集熱系統(tǒng)有用輸出功率和接收功率，結(jié)合玻璃管與環(huán)境之間的對流換熱

式中：Nu為努塞爾數(shù)；Re為室外空氣雷諾數(shù)；C為對流換熱系數(shù)；n為迭代次數(shù)；m為迭代中止常量；Gr為格拉曉夫數(shù)；Pr為普朗特數(shù)。金屬管與玻璃管內(nèi)壁的輻射換熱為

式中：hr，ga為輻射換熱系數(shù)；σ為斯蒂芬－玻爾茲曼常數(shù)；Tgo為發(fā)射膜表面溫度；Tsky為輻射空氣溫度；εabs為玻璃管的發(fā)射率，計算抵消溫度散熱損失，低風速下環(huán)境溫度與集熱器熱損失曲線如圖1所示。

圖1 環(huán)境溫度與集熱器熱損失

根據(jù)上圖擬合無風時熱損失曲線，修正高風速時環(huán)境溫度影響。高風速時聚光器焦點位置會產(chǎn)生偏移，試驗期間采集風載下集熱器的跟蹤精度，根據(jù)圖2計算均化偏移量熱能輸出影響。通過試驗研究不同環(huán)境溫度與跟蹤偏移角度下的熱損失，對風速熱損失曲線進行修正，得出近似單一變量的效率曲線，通過長期采集平均風速數(shù)據(jù)，修正計算集熱器熱效率如圖3所示。

圖2 散焦角度對截獲率影響

圖3 風速與集熱器熱效率

聚光器采光鏡面上，總接受太陽輻照度由直射太陽輻照度和散射太陽輻照度組成，因散射入射角不受太陽直射入射角的影響，因此散射數(shù)據(jù)所占比重小時可忽略，修正試驗數(shù)據(jù)采用直射輻射入射角。

2 動態(tài)試驗方法

集熱系統(tǒng)動態(tài)試驗依據(jù)能量守恒原理，考慮到測試過程中太陽光線的非法線入射造成的集熱器余弦損失，拋物面槽式太陽能集熱器效率為

式中：η為集熱器熱效率；Cf為傳熱流體定壓比熱；ρ為傳熱流體密度；V為傳熱流體體積流量；te為傳熱流體出口溫度；ti為傳熱流體進口溫度；Aa為集熱器采光面積；Gbpe為余弦損失與端部修正后太陽直射輻照度，根據(jù)被測拋物面槽式太陽能集熱器的布置和跟蹤方式計算太陽入射角。試驗期間同時測量得到的傳熱流體的集熱器進口溫度ti和出口溫度te與公式（6）中的這2個參量在時間上是不對應(yīng)的，因此修正這2個參量的對應(yīng)函數(shù)關(guān)系為

式中：F[]為跟隨函數(shù)；te為傳熱流體的集熱器出口溫度；ti為傳熱流體的集熱器進口溫度；τi為熱流體的集熱器進口溫度測量記錄時間；τp為傳熱流體從集熱器進口到出口的流動時間；τp取決于集熱器的長度和測試期間傳熱流體的平均流速，試驗時通過流量計記錄流體體積流量，需要注意的是，一般在回路入口安裝流量測點，同時為避免集熱器接頭處流體少量泄露造成計量失真，建議在回路出口安裝校核流量計，計算流體真實流量。

2.1 試驗?zāi)Ｐ凸ぞ?/h3>

試驗?zāi)Ｐ蛥?shù)確定的數(shù)學(xué)工具采用多元線性回歸（MLR）進行計算辨識。線性意味著模型記為前面帶有參數(shù)Pn作為乘子的多項集合。

式中：Y為判定系數(shù)；x1…x5為乘子；P0…P3為參數(shù)集合；各項中的函數(shù)F（x），H（x），I（x）可以是高階非線性的，槽式太陽能集熱器熱性能動態(tài)測試模型采用基于最小二乘類方法的多元線性回歸（MLR）作為其7個待定系數(shù)的辨識方法。

2.2 判定系數(shù)

式中：te為傳熱流體的集熱器出口溫度；τ為時間；τs為測試數(shù)據(jù)采集時間間隔；n為數(shù)據(jù)組數(shù)量；ti為傳熱流體的集熱器進口溫度，數(shù)據(jù)繪制集熱器熱效率曲線如圖4所示。

圖4 集熱器熱效率

計算得到動態(tài)試驗?zāi)Ｐ偷呐卸ㄏ禂?shù)為0.58～0.96，舍棄判定系數(shù)連續(xù)2組小于0.85的數(shù)據(jù)，繪制回歸殘差如圖5所示，殘差相對值波動較小，基本呈現(xiàn)對稱分布，在太陽輻照度發(fā)生突變時（此時為云遮），殘差值超出95%置信區(qū)間。

圖5 動態(tài)模型回歸殘差

3 結(jié)論

對于槽式太陽能熱發(fā)電集熱系統(tǒng)熱性能研究，圍繞集熱器熱效率指標展開，傳統(tǒng)穩(wěn)態(tài)試驗方法雖然采集物理量較少，但對天氣、操作條件和測試環(huán)境等要求極高，動態(tài)試驗方法更適用于現(xiàn)場規(guī)模化，可實現(xiàn)多工況下的連續(xù)試驗，選取合理數(shù)據(jù)評價系統(tǒng)性能。通過分析效率影響因素，得到性能評價的主要影響指標：風速、環(huán)境溫度、導(dǎo)熱流體進口溫度和流量，對各主要影響因素提出了修正方式，應(yīng)用于動態(tài)試驗中修正熱效率曲線，并辨識動態(tài)模型，結(jié)合多組不同工況下的數(shù)據(jù)，選取有效值。

本文使用動態(tài)試驗方法測試現(xiàn)場槽式集熱系統(tǒng)，分析大量數(shù)據(jù)后細化試驗細節(jié)，降低試驗誤差，為工程應(yīng)用評價槽式太陽能熱發(fā)電集熱系統(tǒng)打下了基礎(chǔ)。