干散貨碼頭積塵對(duì)太陽能集熱系統(tǒng)的影響

顧 明

(交通運(yùn)輸部天津水運(yùn)工程科學(xué)研究所 水路交通環(huán)境保護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300456)

當(dāng)前，全球化石能源資源日益短缺，氣候變化等環(huán)境壓力日漸增大。太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)能等新能源和可再生能源已被世界各國政府作為重要的戰(zhàn)略替代能源。目前，太陽能在港區(qū)的應(yīng)用尚處于起步階段，港口由于特有的裝卸作業(yè)條件和環(huán)境，特別是干散貨碼頭由于PM2.5、PM10、顆粒物等大氣環(huán)境質(zhì)量因素造成環(huán)境粉塵容量上升，對(duì)于太陽能光熱或光電利用均造成一定的影響。

劉繼者[1]在平板太陽能集熱器表面沉積了一定量灰塵后，通過試驗(yàn)測試了熱管平板式熱水器的效率，積塵后集熱器的效率由原來的37.3%下降為31.9%。劉剛[2]等人通過實(shí)驗(yàn)研究了平板型太陽能集熱器表面積灰對(duì)系統(tǒng)熱性能影響，得出在相同條件下，太陽能熱水系統(tǒng)日有效集熱量降低3.95%，升溫性能降低3.19%～5.31%，系統(tǒng)日集熱效率降低4.05%。季雪元[3]研究了堆場圍護(hù)設(shè)施情況下靜態(tài)起塵量的源強(qiáng)計(jì)算，研究結(jié)果表明：堆場設(shè)置防風(fēng)網(wǎng)，再結(jié)合灑水及堆垛可降低堆場的風(fēng)速，靜態(tài)起塵抑塵效率可達(dá)98%；堆場設(shè)置條形倉，再結(jié)合堆場灑水及多堆堆垛風(fēng)速的降低，靜態(tài)起塵抑塵效率可達(dá)99%以上；筒倉本身無粉塵外溢問題，起塵量幾乎為零。

干散貨碼頭堆場存放大量的煤炭、礦石等制品，在自然起風(fēng)條件下會(huì)起塵，另外港口在裝卸貨種時(shí)也會(huì)起塵，港口太陽能光熱利用主要是在侯工樓等建筑物屋頂安裝太陽能熱水器給碼頭裝卸工人洗浴使用，光伏發(fā)電主要供道路、堆場小規(guī)模供電使用，其揚(yáng)塵覆蓋在太陽能集熱器上影響集熱或光伏效果。

由于碼頭揚(yáng)塵造成目前國內(nèi)港口并不能大規(guī)模使用太陽能，天津港主要采用真空管集熱太陽能熱水器為員工提供洗浴，僅在集裝箱碼頭安裝了分布式太陽能光伏組件，裝機(jī)容量40 kW；寧波舟山港在太倉萬方公司和樂清灣港區(qū)倉庫屋頂分別安裝了分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，裝機(jī)容量分別為1.25 MW和0.25 MW；大連港在散雜貨碼頭倉庫屋頂安裝了分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，總面積約4萬m2。目前國內(nèi)對(duì)于太陽能集熱系統(tǒng)積塵情況主要針對(duì)于一般自然積塵，缺乏對(duì)于港口特定環(huán)境下積塵對(duì)于太陽能集熱系統(tǒng)的影響。本文以天津港干散貨碼頭為基礎(chǔ)，研究不同干散貨碼頭環(huán)境條件下，積塵對(duì)于平板集熱器的影響。

1 干散貨碼頭太陽能平板集熱器系統(tǒng)

本文以天津港干散貨碼頭太陽能平板集熱器系統(tǒng)為研究，通過建立數(shù)學(xué)模型，利用仿真軟件進(jìn)行模擬計(jì)算，分析港口干散貨碼頭對(duì)于平板集熱器的影響。

平板型集熱器(FPC)是太陽能集熱器中一種最基本的類型，其結(jié)構(gòu)一般包括透明蓋板、集熱體、隔熱層和殼體。投射到集熱器上的太陽輻射能，小部分被蓋板吸收和反射回天空，大部分透過透明蓋板入射到集熱板上，流通管內(nèi)的工質(zhì)吸收太陽熱能，溫度逐漸升高。與此同時(shí)，集熱器的熱損失主要是由于透明蓋板和殼體向環(huán)境散失熱量。

2 太陽能平板集熱器數(shù)學(xué)模型

本文所用的系統(tǒng)參數(shù)見表1和表2。

表1 太陽能平板集熱器模型參數(shù)表Tab.1 Model parameters of solar flat plate collector

表2 月平均日氣候參數(shù)表Tab.2 Climate parameters in monthly average day

一年中日字?jǐn)?shù)在法向平面上測得的大氣層外的輻射度[5]為

(1)

一天中某一時(shí)刻地球自轉(zhuǎn)所形成的角度為

ω=(t-12)×15×2π/360

(2)

式中：t為時(shí)間，定義24 h制，中午12時(shí)的時(shí)角為零。

(3)

cosθz=sinα=sinψ×sinδ+cosψ×cosδ×cosω

(4)

cosθ=sinδsin(ψ-β)+cosδcosωcos(ψ-β)

(5)

式中：δ為赤緯角[6]；θz為太陽天頂角；α為太陽高度角；θ為太陽入射角；γ為集熱器方位角，β為集熱器傾角。(文獻(xiàn)[7]指出當(dāng)集熱器正南而置時(shí)，集熱器傾角與當(dāng)?shù)鼐暥冉铅紫嗤瑫r(shí)，年收集量總是最多，即γ=0，β=ψ=39.13°)

2.2 太陽能平板集熱器系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

水平面上直接輻射強(qiáng)度Gz和散射輻射強(qiáng)度Gs[8]分別為

(6)

(7)

傾斜面上的太陽總輻射Gt為[9]

(8)

吸熱板吸收的太陽輻射能S為

S=Gtτζη=Gtτζ×1.287×μ-0.28

(9)

式中：η為積塵遮擋系數(shù)[10]。

集熱器的有效集熱量為吸熱板吸收的太陽輻射量與集熱器的熱損失之差Q為

Q=AF[S-U(Tf-Ta)]

(10)

式中：Tf為集熱器進(jìn)口溫度，℃。

集熱器的總熱損失系數(shù)U

U=Ut+Ub

(11)

式中：Ut為集熱器面部熱損系數(shù)，W/(m2·℃)；Ub為底部熱損系數(shù)，W/(m2·℃)；集熱器側(cè)面邊框熱損系數(shù)忽略不計(jì)。

Klein[11]提出的計(jì)算太陽能平板集熱器面部熱損失的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算式

(12)

f為集熱器有、無透明蓋板時(shí)的熱阻之比

f=1.078 66(1+0.089 h-0.1166hεp)

(13)

McAdams[12]提出風(fēng)掠過透明蓋板的對(duì)流換熱系數(shù)h的近似公式計(jì)算

h=5.7+3.8v

(14)

集熱器底部熱損失系數(shù)Ub為

(15)

Hottel[5]先后提出并完善了太陽能平板集熱器的簡化熱模型，如圖1所示。

圖1 平板集熱器管板結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structural diagram of tube sheet of FPC

管板肋片效率F0為

(16)

集熱器效率因子F1為[13]

(17)

集熱器的熱轉(zhuǎn)移因子F可表示為[14]

(18)

式中：m0為集熱工質(zhì)流量，kg/(m2·s)。

3 系統(tǒng)熱力性能分析

通過編制系統(tǒng)語言計(jì)算機(jī)程序，利用仿真模擬軟件對(duì)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了求解。在其他參數(shù)不變的情況下，通過分析系統(tǒng)集熱器積塵量、碼頭類型、集熱器進(jìn)口水溫溫度、工質(zhì)流量4個(gè)因變量來分析系統(tǒng)性能。

3.1 集熱器積塵量的影響

按照天津市市容園林委發(fā)布的《城市道路以克論凈檢測考核實(shí)施辦法》中考核要求：一級(jí)道路積塵量達(dá)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)為10 g/m2，二級(jí)道路為12 g/m2，三級(jí)道路為15 g/m2，四級(jí)道路為20 g/m2，天津港干散貨碼頭主要分布在南疆港區(qū)，北疆港區(qū)有少部分礦石，天津市生態(tài)環(huán)境局對(duì)天津市各區(qū)域街鎮(zhèn)均有降塵量的監(jiān)測和考核，天津市2020年第一季度環(huán)境空氣降塵量結(jié)果顯示：天津港南疆港區(qū)降塵量均值為20 t/(km2·月)，北疆港區(qū)降塵量均值全市最高，為35.3 t/(km2·月)[15]。通常太陽能平板集熱器放置在港區(qū)道路兩邊辦公樓屋頂上，或放置在碼頭堆場倉庫等建筑物上，因此對(duì)于干散貨碼頭積塵量可以參考道路積塵量達(dá)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)以及降塵量監(jiān)測結(jié)果。

當(dāng)平板集熱器處于煤炭碼頭中，分析全年月平均日平板集熱器透明蓋板積塵量對(duì)集熱器透明蓋板和集熱板集熱量的影響，如圖2所示。

圖2 集熱器積塵量對(duì)集熱板集熱量的影響Fig.2 Influence on collector plate heat-collection by dust accumulation of collector

由圖中可以看出，平板集熱器的傾斜面和集熱板集熱量在四月份和九月份兩次達(dá)到峰值。這是由于：當(dāng)集熱器傾角為39.13°時(shí)，太陽光線在南北回歸線循環(huán)照射，在春分(3月21日)和秋分(9月23日)，太陽光線垂直入射集熱器表面，考慮到地球軌道偏心修正系數(shù)、大氣光學(xué)質(zhì)量和大氣透明度對(duì)太陽能輻射強(qiáng)度的影響，集熱器傾斜面和集熱板的集熱量在四月和九月份達(dá)到最大。當(dāng)集熱器透明蓋板的積塵量越大，集熱板吸收到的太陽輻射強(qiáng)度越小，這是主要由于積塵量越大時(shí)，太陽輻射透過透明蓋板的有效輻射量越小，導(dǎo)致集熱板吸收到的輻射量越少，積塵初期集熱板集熱量急劇下降，之后緩慢降低。對(duì)于港區(qū)道路旁建筑物使用太陽能，積塵導(dǎo)致集熱量下降32%，對(duì)于南疆港區(qū)集熱量下降44%，北疆港區(qū)下降52%，因此對(duì)于天津港干散貨碼頭而言，應(yīng)及時(shí)清理平板集熱器蓋板積塵，北疆港區(qū)降塵量最大，積塵清理應(yīng)更加頻繁。對(duì)于干散貨碼頭大面積采用太陽能集熱器系統(tǒng)，其積塵主要為礦粉煤炭，因此其除塵方式應(yīng)采用干刷式或濕刷式，回收積塵再利用。避免采用超聲波式或噴氣式除塵導(dǎo)致的積塵飛濺引起粉塵二次污染。

3.2 積塵類型的影響

針對(duì)天津港煤炭和礦石不同類型碼頭，積塵類型分別為煤粉和礦粉，其導(dǎo)熱系數(shù)不同，按照最低道路積塵量10 g/m2和最高天津港北疆港區(qū)積塵量35 g/m2為初始計(jì)算條件，集熱器集進(jìn)口水度為20℃，集熱工質(zhì)流量為0.03 kg/(m2·s)，分析不同積塵類型對(duì)平板集熱器有效集熱量的影響，如圖3所示。

圖3 不同碼頭類型對(duì)集熱器有效集熱量的影響Fig.3 Influence on collector effective heat-collection in different wharf

由圖中可以看出，平板集熱器處于不同類型碼頭時(shí)，當(dāng)積塵量一定時(shí)，集熱板的有效集熱量基本無變化。這是由于積塵量相同時(shí)，灰塵覆蓋的透明蓋板的透過率相同，集熱板收集的輻射量也相同。煤粉和礦粉導(dǎo)熱系數(shù)和透過率不同引起的集熱器熱損失相對(duì)較小，導(dǎo)致集熱器有效集熱量基本無變化。因此，針對(duì)天津港南北疆煤炭或礦石碼頭，均應(yīng)采用相同類型的除塵設(shè)施，以保證平板集熱器表面的清潔度。

3.3 集熱器進(jìn)口水溫的影響

對(duì)于干散貨碼頭而言，積塵是影響太陽能集熱系統(tǒng)熱性能的主要因素，它直接降低了集熱器吸收到的太陽輻射量。實(shí)際工程應(yīng)用中，為了保持太陽能集熱系統(tǒng)的高效率和穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)于集熱器的進(jìn)口水溫和水流量等參數(shù)也應(yīng)進(jìn)行分析和研究。

按照天津港南疆煤炭碼頭積塵量20 g/m2，集熱工質(zhì)流量為0.03 kg/(m2·s)，分析煤炭碼頭集熱器進(jìn)口水溫對(duì)集熱器有效集熱量和效率的影響，如圖4所示。

圖4 集熱器進(jìn)口水溫對(duì)集熱器有效集熱量和效率的影響Fig.4 Influence on collector effective heat-collection and efficiency by collector inlet temperature

由圖中可以看出，隨著集熱器進(jìn)口水溫的變化，有效集熱量均是在2月、3月和8月、9月出現(xiàn)一個(gè)峰值，這是由于3月和9月太陽光線垂直入射集熱器表面以及集熱器熱損失變化的綜合作用引起的。當(dāng)集熱器進(jìn)口水溫越低時(shí)，在春夏季與環(huán)境溫度溫差越大，其有效集熱量和效率越大，集熱器全年有效集熱量越大，但是月平均日的有效集熱量和效率波動(dòng)幅度也越大，這不利于系統(tǒng)的有效穩(wěn)定運(yùn)行。因此在工程上應(yīng)用時(shí)，應(yīng)保持集熱系統(tǒng)進(jìn)口水溫恒定在一定范圍內(nèi)，以確保系統(tǒng)額定狀態(tài)下運(yùn)行。天津每年采暖季氣溫較低，其地表水溫度也相對(duì)較低，應(yīng)采用電輔加熱或者供暖管道接觸換熱方式，提高供水水溫，保持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

3.4 集熱器水流量的影響

按照天津港南疆煤炭碼頭積塵量20 g/m2，集熱器集進(jìn)口水度為20℃，分析煤炭碼頭不同水流量對(duì)集熱器有效集熱量的影響，如圖5所示。

圖5 集熱器水流量對(duì)集熱器有效集熱量的影響Fig.5 Influence on collector effective heat-collection by collector water flow rate

由圖中可以看出，集熱工質(zhì)流量越低時(shí)，集熱器月平均日的有效集熱量越低，當(dāng)集熱工質(zhì)流量大于0.05 kg/(s·m2)時(shí)，有效集熱量基本無變化。這是由于小流量流過集熱板時(shí)，工質(zhì)在集熱管中與集熱板充分換熱后不能及時(shí)流出集熱器，不能吸收多余的集熱板熱量，導(dǎo)致集熱器有效集熱量減小。當(dāng)工質(zhì)流量增大時(shí)，工質(zhì)在流過集熱板能吸收更多的熱量，有效集熱量增大，當(dāng)工質(zhì)流量增大至一定數(shù)量時(shí)，集熱板的熱量已經(jīng)全部與工質(zhì)發(fā)生熱量交換，此時(shí)有效集熱量達(dá)到峰值，由于集熱板集熱量只與當(dāng)?shù)貧夂驐l件和集熱器本身有關(guān)，因此繼續(xù)增大工質(zhì)流量對(duì)有效集熱量基本無影響。工程上根據(jù)太陽能平板集熱器的熱性能，運(yùn)行水流量應(yīng)取值臨界值附近，過小降低了系統(tǒng)熱性能，過大不僅增加泵耗成本，也不能顯著提高系統(tǒng)熱性能。

4 結(jié)論

本文分析了天津港干散貨碼頭太陽能平板集熱器系統(tǒng)的熱力性能。選取天津市城市道路積塵達(dá)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)10 g/m2，以及天津港南疆港區(qū)降塵量監(jiān)測數(shù)據(jù)20 t/(km2·月)和北疆港區(qū)35.3 t/(km2·月)為計(jì)算背景，對(duì)于港區(qū)道路旁建筑物使用太陽能，積塵導(dǎo)致集熱量下降32%，對(duì)于南疆港區(qū)集熱量下降44%，北疆港區(qū)下降52%，應(yīng)采用干刷式或濕刷式定期清理集熱器蓋板積塵，對(duì)煤礦粉進(jìn)行回收再利用。當(dāng)積塵量一定時(shí)，積塵類型煤或礦粉對(duì)集熱量基本無影響。天津每年采暖季氣溫較低，其地表水溫度相對(duì)較低，應(yīng)采用電輔加熱或者供暖管道接觸換熱方式，以提高供水水溫。對(duì)于不同集熱器，應(yīng)選擇合適的水流量臨界值，保證集熱系統(tǒng)的熱性能。