鏡面清潔度對槽式集熱場效率影響的研究

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動力工程學(xué)院 ■ 宋士金 趙明智 張曉明 李亞楠

0 引言

槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)是在聚光類太陽能熱發(fā)電中技術(shù)較成熟的一種熱發(fā)電方式，國外已于20世紀(jì) 90年代初期實現(xiàn)了商業(yè)并網(wǎng)發(fā)電，而我國尚處于起步階段，對槽式太陽能熱發(fā)電的模擬也是如此。

太陽能的能量密度低，必須通過聚光器來得到較高的集熱溫度。聚光器由反射鏡和支架組成，反射鏡是核心，反射鏡的反射率是其最重要的參數(shù)。反射率隨著反射鏡使用時間的增加而降低，引起這一現(xiàn)象的主要因素有灰塵、廢氣、粉末等物質(zhì)；紫外線照射引起的老化及風(fēng)力和自重等引起的變形或應(yīng)變等[1]。

對比影響反射率的幾個因素，灰塵等對鏡面的影響比較容易人為控制，可通過合理的清洗使鏡面在較為理想的環(huán)境下工作。

為研究灰塵等附著物對鏡面反射率的影響，給出鏡面清潔度的定義，即在只考慮灰塵等附著物對集熱場鏡面影響的前提下，集熱場獲得的熱量與所有鏡面處于出廠狀態(tài)下的熱量比值，鏡面清潔度包含了鏡面吸收率、反射率及透過率的影響。研究應(yīng)用TRNSYS瞬態(tài)模擬軟件(Transient System Simulation Program)，使用數(shù)據(jù)庫中的氣象數(shù)據(jù)，研究在不同的鏡面清潔度情況下集熱場效率變化趨勢，并提出適宜的鏡面清潔度范圍，以提高電站的經(jīng)濟效益。

1 集熱場理論計算

導(dǎo)熱油流量qm由集熱器入口處溫度Tin和出口處溫度Tout及集熱管凈吸收的熱量Qnet計算得出：

式中：Qabs為吸收的熱量，W；S為集熱場的集熱面積，m2；Qpipe為管路損失的熱量，W；I為太陽法向直射輻照度，W/m2；ηth為熱效率，%。

熱效率ηth由下式計算：

式(4)不適用于裸管，式中：A為不考慮末端損失時，吸熱管光學(xué)效率和選擇性吸收涂層的吸收率系數(shù)；B、C、D分別為集熱單元基于導(dǎo)熱油和環(huán)境溫差ΔT(開爾文)引起的熱損失系數(shù)；K為入射角修正系數(shù)，它是入射角θ的函數(shù)[2]：

對于LS-2型聚光集熱器(即魯茲公司研制開發(fā)的第二代槽式太陽能聚光集熱器)，熱性能系數(shù)A、B、C、D取值見表1[2]。其中，系數(shù)A包含了鏡面清潔度對熱效率的影響。

表1 LS-2型集管熱性能系數(shù)

2 模擬參數(shù)設(shè)置

該研究應(yīng)用TRNSYS瞬態(tài)模擬軟件，即瞬時系統(tǒng)模擬程序進行模擬。該軟件最大的特色在于其模塊化的分析方式[3]。

集熱場參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 集熱場參數(shù)設(shè)置

3 部件連接

氣象輸入模塊、集熱場模塊及顯示器模塊的前后連接[5]關(guān)系見表3。

在軟件控制選項卡中設(shè)置模擬起止時間分別為0 h和8760 h，時間步長為1 h，進行模擬。

4 模擬結(jié)果及驗證

表3 部件連接

表2中集熱場的鏡面清潔度數(shù)值一項為變量，清潔度低于0.60時，集熱場效率低于10%，無研究意義。本文取值分別為0.60、0.625、0.63、0.65、0.70、0.75、0.80、0.85、0.90、0.95和1.00。模擬9月份系統(tǒng)在不同鏡面清潔度下集熱場效率變化曲線，并選取9月6日的數(shù)據(jù)分析。

由圖1可知，從9月份整體看，鏡面清潔度大小對效率影響很大，鏡面清潔度在0.60～0.70之間，集熱場效率都很低；在0.70以上時，9月份的效率有明顯提高。在9月6日，鏡面清潔度從0.60～1.00，有熱效率的時段為6 h，最高時間都出現(xiàn)在約15：00時，而且熱效率呈先增后降的趨勢。9月6日系統(tǒng)在對應(yīng)鏡面清潔度下的最高熱效率曲線如圖2所示。

由圖2可知，集熱場的最高熱效率與鏡面清潔度之間近似呈線性關(guān)系。為了研究它們之間是否存在線性關(guān)系，現(xiàn)做如下研究。

圖1 集熱場在不同鏡面清潔度下的熱效

圖2 不同鏡面清潔度下一天內(nèi)系統(tǒng)最大效率

設(shè)鏡面清潔度用變量x表示，最高集熱效率用y表示，并假設(shè)直線方程的表達式為：

最終計算得到：a=-40.09，b=76.56。

因此，擬合直線方程為：

計算得到x、y之間相關(guān)系數(shù)r=0.988，r數(shù)值非常接近于1，則x、y之間線性關(guān)系非常好，本擬合直線成立。

5 結(jié)論與展望

由以上研究表明：當(dāng)鏡面清潔度在0.60～0.70時，鏡面集熱效果不佳，太陽能利用率極低，僅為10%左右，鏡場需要清洗；即使在0.70～0.80之間時，集熱場熱效率也在20%以下，太陽能利用率低。當(dāng)鏡面清潔度在0.80～1.00之間時，集熱場熱效率達到21%以上，并且熱效率隨著鏡面清潔度的增加可近似認(rèn)為是線性增長，其線性函數(shù)為：y=-40.09+76.56x，0≤x≤1。當(dāng)鏡面清潔度在0.95時，集熱效率達到33.2%；低于0.95時，鏡場熱效率低于30%，而鏡場熱效率過低會造成電站后端發(fā)電量低，影響電站總效率。因此，從集熱場熱效率角度來講，鏡面清潔度在0.95～1.00之間為宜，不宜低于0.80，一旦低于0.80時要及時清洗，提高鏡面清潔度，以提高集熱場的集熱效率。

本研究僅局限于軟件模擬，還有待進行實驗驗證，以確定精確的鏡面清潔度范圍使系統(tǒng)的集熱效率保持在較好的狀態(tài)。另外，還有待確定鏡面污染物的主要成分，比如粉塵、凝結(jié)固體煙霧等。

[1] Stoddard L， Abiecunas J， O'Connell R. Economic Energy and Environmental Benefits of Concentrating Solar Power in California[R]. Kansas： National Renewable Energy Laboratory， 2006.

[2] Frank Lippke. Simulation of the part-load behavior of a 30MWe SEGS plant[R]. Prepared for Sandia National Laboratories，Albuquerque，NM， SAND 95-1293， 1995.

[3] 韓延民， 代彥軍， 王如竹. 基于TRNSYS的太陽能集熱系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)化分析與優(yōu)化[J]. 工程熱物理學(xué)報， 2006， (S1)： 59－62.

[4] 熊亞選，吳玉庭，馬重芳，等. 槽式太陽能聚光集熱器熱性能數(shù)值研究[J]. 工程熱物理學(xué)報，2010， (3)： 139－142.

[5] Blair Stuetzle T. Automatic control of a 30 MWe SEGSVI parabolic trough plant[R]. Solar Energy Laboratory University of Wisconsin-Madison，2002.