光煤互補(bǔ)示范電站槽式太陽能集熱系統(tǒng)性能分析

楊勇平，胡永生

(華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，北京102206)

0 引 言

在國家科技部國家高新技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃863 項(xiàng)目《太陽能熱與常規(guī)燃料互補(bǔ)發(fā)電技術(shù)》支持下，中國首個(gè)光煤互補(bǔ)示范項(xiàng)目由中國大唐集團(tuán)新能源股份有限公司(以下簡稱為大唐新能源公司)組織建設(shè)，示范電站槽式太陽能集熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸出熱功率1.5 MW。項(xiàng)目地處甘肅省河西走廊戈壁腹地，西距玉門市區(qū)約20 km，東距嘉峪關(guān)市約100 km［1］。站址緊臨大唐甘肅分公司八O三電廠。槽式太陽能光場(chǎng)位于大唐八〇三電廠在建2 ×300 MW 熱電廠北側(cè)。

示范電站將槽式太陽能集熱與燃煤機(jī)組互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)集成技術(shù)、規(guī)?；柲軣岣咝鬏敿按鎯?chǔ)技術(shù)、槽式太陽能集熱與燃煤機(jī)組互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行模式與調(diào)節(jié)技術(shù)研究成果應(yīng)用于互補(bǔ)發(fā)電示范工程，使得太陽能集熱場(chǎng)、換熱系統(tǒng)及燃煤機(jī)組能在各種氣象條件下穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)不同工況順利切換。利用太陽能集熱系統(tǒng)輸出熱量與燃煤機(jī)組熱力系統(tǒng)耦合，以油水換熱器為熱交換樞紐將太陽能熱量輸入燃煤機(jī)組熱力系統(tǒng)取代部分燃煤熱量［2，3］，從而實(shí)現(xiàn)太陽能熱發(fā)電的目的。為后續(xù)規(guī)?；_發(fā)太陽能輔助燃煤發(fā)電系統(tǒng)提供重要技術(shù)支持。

1 示范電站站址資源條件

示范電站站址位于典型的大陸性荒漠上，海拔1 500 m 左右，屬中溫帶干旱氣候區(qū)，具有降水少、蒸發(fā)大、日照長、風(fēng)沙大、植被稀少等特征。根據(jù)相關(guān)資料，嘉峪關(guān)地區(qū)年均氣溫在6.7 ～7.7 ℃之間，年日照3 000 h 以上，太陽能資源豐富。自然降水量年平均85.3 mm，蒸發(fā)量2 149 mm，全年無霜期130 天左右。屬于我國太陽能資源較為豐富的一類地區(qū)［4］。

根據(jù)當(dāng)?shù)爻Ｄ隁庀髷?shù)據(jù)與美國國家能源部可再生能源實(shí)驗(yàn)室NREL 公開數(shù)據(jù)，經(jīng)測(cè)算年均直接輻射值1 970 kW·h/m2，水平總輻射值1 699 kW·h/m2，平均風(fēng)速3.1 m/s。圖1 為太陽能輻射月度分布圖，可見當(dāng)?shù)靥柲苜Y源豐富，計(jì)算分析中以此作為典型年數(shù)據(jù)。

圖1 太陽能輻射月度分布圖Fig.1 Monthly distribution of solar radiation

2 槽式太陽能集熱系統(tǒng)參數(shù)

由于該項(xiàng)目為示范項(xiàng)目，建設(shè)一個(gè)由四組聚光器組成的聚光集熱系統(tǒng)回路，總集熱系統(tǒng)面積為3 270 m2。每個(gè)聚光器由12 個(gè)相同模塊(SCE)組成，共約150 m 長，開口長度為5.77 m，集熱器間距16 m。該示范項(xiàng)目采用的聚光集熱系統(tǒng)主要參數(shù)匯總?cè)绫?。

表1 聚光集熱系統(tǒng)主要特性參數(shù)Tab.1 Main character parameters of CSP system

其中，導(dǎo)熱油作為系統(tǒng)的傳熱介質(zhì)，根據(jù)成分及制造工業(yè)過程，熱載體可以分為合成型導(dǎo)熱油、礦物型導(dǎo)熱油和無機(jī)熔鹽類載熱體。由于太陽能熱發(fā)電的運(yùn)行溫度區(qū)間最高溫度需達(dá)到400 ℃，因此一般選用具有高溫穩(wěn)定性的硅油類導(dǎo)熱油。此類導(dǎo)熱油多數(shù)是有機(jī)硅系熱載體，其特點(diǎn)為高閃點(diǎn)(一般300 ℃以上)，難燃性且和有積累導(dǎo)熱油比較燃燒熱很低，化學(xué)穩(wěn)定性好，但塑料類和各種橡膠不具活性，可在這些材料的設(shè)備系統(tǒng)中使用。此類導(dǎo)熱油對(duì)人體毒性極低，幾乎無異味。由于上述特點(diǎn)，越來越受到關(guān)注。目前被廣泛使用的為苯基有機(jī)硅類熱載體，聚硅氧烷型為最近研制開發(fā)的有機(jī)硅類載熱體，它具有更好的耐熱性，且不易碳化等優(yōu)點(diǎn)。雖然有機(jī)硅類導(dǎo)熱油具有上述優(yōu)點(diǎn)，但從化學(xué)結(jié)構(gòu)上宜在溫度過高的系統(tǒng)中使用。市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品如來自陶氏化學(xué)公司的Syltherm 800/Syltherm XLT 等［5］。本示范系統(tǒng)采用采用Syltherm 800(聚二甲基硅氧烷)作為高溫導(dǎo)熱油。

其他包含的子系統(tǒng)主要包括集熱系統(tǒng)、導(dǎo)熱油冷卻系統(tǒng)、回收系統(tǒng)、膨脹系統(tǒng)、油泵系統(tǒng)、電加熱以及相應(yīng)控制系統(tǒng)等，導(dǎo)熱油設(shè)計(jì)流量為22 kg/s。

3 示范電站槽式太陽能集熱系統(tǒng)集熱特性分析

由于示范項(xiàng)目為利用槽式太陽能集熱系統(tǒng)所收集熱量通過換熱設(shè)備進(jìn)入燃煤機(jī)組熱力系統(tǒng)，不直接產(chǎn)生蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)發(fā)電。因此計(jì)算分析中將主要針對(duì)當(dāng)?shù)貧庀髼l件下的集熱系統(tǒng)集熱特性進(jìn)行詳細(xì)分析。計(jì)算分析采用由美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的太陽能發(fā)電模擬系統(tǒng)。

3.1 計(jì)算流程簡介

槽式太陽能集熱系統(tǒng)從吸收太陽能熱量開始，經(jīng)過換熱環(huán)節(jié)最終熱量被換熱流體帶走。圖2為集熱管與換熱流體換熱熱阻示意圖，槽式系統(tǒng)換熱過程包括了導(dǎo)熱、對(duì)流和熱輻射3 種基本的換熱形式。

圖2 槽式太陽能集熱管換熱熱阻示意圖Tab.2 Schematic diagram of thermal resistance for a solar collector

計(jì)算過程中，主要計(jì)算流程如下:

首先，根據(jù)廠址的經(jīng)度、緯度、年、月、日等參數(shù)計(jì)算太陽角。之后考慮下列因素計(jì)算太陽集熱場(chǎng)的能量輸出，包括:太陽輻射、太陽集熱場(chǎng)條件(包括入射太陽直接輻射、外界溫度、集熱器和吸熱管的有效輻射、平均熱損失(包括熱導(dǎo)，對(duì)流和輻射損失)，其他集熱器排列造成的陰影、余弦損失、集熱器端頭損失、波紋管遮擋損失、反射損失、塵粒和排列損失，玻璃管透明度損失，吸熱管選擇性涂層的吸收損失等。具體分析中，單位面積集熱管吸收太陽輻射計(jì)算方法見公式(1)所示:

式中:G 為太陽直射強(qiáng)度，W/m2;θ 為太陽入射角，℃;fθ為太陽入射角修正系數(shù);fs為早晚時(shí)集熱管列陰影相互影響因子;fe為集熱管末端損失影響因子;ηf為由于反射鏡面光學(xué)特性等與理想鏡面差異相關(guān)的集熱島效率;ηe為由于集熱部分光學(xué)特性等與理想情況差異相關(guān)的集熱器效率;fo為集熱島運(yùn)行與太陽跟蹤影響因子，一般可取fo= 0.99。

其次，由于吸熱管溫度、換熱流體(HTF)溫度而決定熱損。并考慮設(shè)備可用率影響、風(fēng)速影響、年小修影響、管道和設(shè)備散熱熱損失、散焦影響、啟動(dòng)影響后計(jì)算出太陽集熱場(chǎng)可以輸出的熱量及太陽集熱場(chǎng)的熱效率。

最后，根據(jù)太陽集熱場(chǎng)得到的熱量、太陽集熱場(chǎng)的出口溫度，計(jì)算出換熱流體(HTF)帶走流量，即離開集熱場(chǎng)熱量。槽式集熱系統(tǒng)吸收太陽輻射部分的簡要計(jì)算流程表示于圖3［2］。

3.2 設(shè)計(jì)工況下系統(tǒng)集熱特性

設(shè)計(jì)條件下，該集熱系統(tǒng)的主要集熱參數(shù)如圖4。

圖3 槽式太陽能集熱系統(tǒng)吸收太陽輻射計(jì)算流程示意圖Fig.3 Schematic diagram of solar radiation absorbing calculation for parabolic collector system

圖4 顯示太陽能年總?cè)肷淠芰繛? 450 MW·h，而太陽能集熱場(chǎng)輸出熱量為2 225 MW·h。由于每月太陽能輻射變化，系統(tǒng)損失也隨時(shí)變化。圖5為對(duì)應(yīng)每月的系統(tǒng)集熱效率，可見太陽輻射最好的5月至7月間系統(tǒng)集熱效率可達(dá)45 %左右，而輻射較差的1月與12月份的集熱效率僅為10 %左右。根據(jù)年總輸入與輸出熱量計(jì)算太陽能集熱場(chǎng)設(shè)計(jì)條件下的年均集熱效率為34.5 %。

圖4 集熱系統(tǒng)典型年吸收熱量逐月變化圖Fig.4 Monthly absorbed energy distribution of solar collector system in a typical year

圖5 集熱系統(tǒng)典型年集熱效率逐月變化圖Fig.5 Monthly thermal efficiency distribution of solar collector system in a typical year

3.3 集熱器陣列間距對(duì)系統(tǒng)集熱性能的影響

考慮場(chǎng)地位置限制與場(chǎng)地特殊地理位置，示范項(xiàng)目設(shè)計(jì)工況下兩列集熱器間距為16 m。由于集熱器間距直接與早晚遮擋程度相關(guān)，為盡可能減少遮擋進(jìn)而影響集熱器性能，間距設(shè)置應(yīng)在考慮土地條件下盡可能擴(kuò)大間距，減小遮擋損失。本部分研究不同集熱器間距對(duì)集熱器集熱性能的影響程度。

圖6 表明隨著集熱器間距逐漸增大，系統(tǒng)遮擋損失減小，系統(tǒng)集熱效率提高。但在間距小于16 m 時(shí)曲線較為陡峭，表明間距小于16 m 時(shí)集熱系統(tǒng)性能受間距影響程度較大。而當(dāng)間距大于16 m時(shí)，曲線變得較為平滑，即增大間距隨可提高系統(tǒng)集熱效率，但提高幅度有限。圖6 可以應(yīng)用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化中，根據(jù)實(shí)際土地面積合理確定集熱器間距。

圖6 太陽能集熱效率隨間距變化圖Fig.6 Thermal efficiencies of solar collectors with different array spans

同時(shí)分析了各月太陽能集熱系統(tǒng)集熱效率隨系統(tǒng)間距的影響。選取太陽能資源較差的1月與12月份，以及資源中等的3月與資源較好的6月分別研究其影響程度。

從圖7 集熱系統(tǒng)在不同月份集熱效率隨間距變化關(guān)系圖可以看出，不同月份由于太陽能資源狀況不同，集熱系統(tǒng)間距對(duì)系統(tǒng)集熱效率的影響程度也各不相同。圖7(a)和圖7(d)分別為1月份與12月份的集熱效率與間距關(guān)系曲線，相比圖7(b)和圖7(c)所示的3月份與6月份曲線，1月、12月對(duì)間距的變化影響相對(duì)平緩，而3月、6月的曲線傾斜度較高，尤其是6月的曲線影響最大。圖5 表明間距變化對(duì)系統(tǒng)集熱效率有較大影響，且隨著太陽能資源越好的工況其對(duì)系統(tǒng)影響越大。對(duì)于資源一般的工況，間距影響相對(duì)減弱。

3.4 集熱管失去真空對(duì)集熱系統(tǒng)性能的影響

為確保集熱系統(tǒng)中集熱管在吸熱過程中散熱較少，集熱管一般在金屬集熱管與玻璃套管間采用抽真空，以降低空腔內(nèi)對(duì)流換熱。但是由于空腔外壁為玻璃，內(nèi)壁為鋼管，在實(shí)際運(yùn)行中可能發(fā)生玻璃與金屬結(jié)合不緊密導(dǎo)致空間真空被破壞，進(jìn)而影響系統(tǒng)集熱能力。為了定量分析真空破壞對(duì)系統(tǒng)的影響程度，設(shè)定該項(xiàng)目全部真空集熱管同時(shí)失去真空，其集熱效率變化關(guān)系如圖8 所示。

圖7 集熱系統(tǒng)在不同月份集熱效率隨間距變化關(guān)系圖Fig.7 Thermal efficiencies of solar collectors with different array spans in different months

圖8 集熱管失去真空工況與設(shè)計(jì)工況時(shí)集熱效率變化圖Fig.8 Thermal efficiencies in the conditions of designed and absorbers broken

圖8 中顯示由于真空集熱管失去真空，加大了集熱管對(duì)流換熱損失，系統(tǒng)集熱能力嚴(yán)重削弱。失去真空后集熱系統(tǒng)集熱效率由設(shè)計(jì)時(shí)的34.49 %下降到27.24 %，嚴(yán)重影響機(jī)組運(yùn)行。因此，在實(shí)際運(yùn)行中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)真空集熱管的安全穩(wěn)定運(yùn)行及檢查巡視工作，避免出現(xiàn)玻璃罩管破裂、漏氣等影響集熱管真空壓力的事件。

3.5 集熱器軸向安裝角度對(duì)集熱系統(tǒng)特性的影響

為確保集熱系統(tǒng)通過實(shí)時(shí)跟蹤系統(tǒng)能最大可能地吸收太陽能熱量，集熱系統(tǒng)一般南北軸布置、東西向跟蹤。即早晨時(shí)太陽能集熱器向東側(cè)傾斜跟蹤，12:00 處于正中，14:00 則面向西向跟蹤太陽。本示范項(xiàng)目由于地處戈壁灘，土地資源較為豐富，按南北軸向布置。但在其他項(xiàng)目實(shí)際情況中，由于土地位置、周圍遮擋等限制，需偏離南北軸布置。偏離南北軸的布置方案必然對(duì)系統(tǒng)集熱產(chǎn)生影響，本部分通過研究計(jì)算偏離軸向不同角度(東經(jīng)、西經(jīng)每1°為間隔)的系統(tǒng)集熱特性，為系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供依據(jù)。

圖9 中可見，對(duì)于特定經(jīng)緯度范圍內(nèi)的廠址，安裝方位角與系統(tǒng)集熱能力直接相關(guān)。對(duì)于本項(xiàng)目，經(jīng)計(jì)算分析安裝角度為偏東13°左右時(shí)集熱效率最高。實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)綜合分析站址條件，使系統(tǒng)集熱能力得到優(yōu)化。

圖9 太陽能集熱效率隨安裝方位角度變化曲線Fig.9 Thermal efficiencies of solar collectors with different installation angles

4 結(jié) 論

太陽能槽式熱發(fā)電技術(shù)作為一種國際上較為成熟的太陽能熱發(fā)電技術(shù)，具有規(guī)?；_發(fā)的技術(shù)條件。論文通過對(duì)大唐甘肅礦區(qū)光煤互補(bǔ)示范項(xiàng)目的集熱系統(tǒng)計(jì)算分析，研究槽式太陽能集熱系統(tǒng)在設(shè)計(jì)工況、陣列間距變化、軸向安裝角度變化、集熱管失去真空條件下的系統(tǒng)集熱特性。結(jié)果顯示集熱器集熱效率隨太陽能輻射增加而提高。集熱器軸向安裝角度會(huì)對(duì)集熱器集熱性能產(chǎn)生影響，對(duì)于該項(xiàng)目經(jīng)計(jì)算分析安裝角度為偏東13°左右時(shí)集熱效率最高。但總體影響程度較小，集熱效率差值僅為0.3 %左右。最后，對(duì)集熱管失去真空狀態(tài)下的集熱特性進(jìn)行了分析，失去真空后集熱器效率急劇下降。在實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)嚴(yán)格運(yùn)維程序、嚴(yán)密監(jiān)控系統(tǒng)中集熱管完整性，提高系統(tǒng)集熱能力。

［1］溫克剛.中國氣象災(zāi)害大典(甘肅卷)［M］.北京:氣象出版社，2004.

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［3］Qin Yan，Eric Hu，Yongping Yang，et al.Dynamic modeling and simulation of a solar direct steam generating system ［J］.International Journal of Energy Research，2010，34，(15):1341 －1355.

［4］白虎志，劉德祥.甘肅氣候影響評(píng)估:1951 －2004［M］.北京:氣象出版社，2004.

［5］http://baike.baidu.com/view/477271.htm