鏡面清潔度對(duì)槽式集熱場(chǎng)效率影響的研究

內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)能源與動(dòng)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(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)是在聚光類太陽(yáng)能熱發(fā)電中技術(shù)較成熟的一種熱發(fā)電方式，國(guó)外已于20世紀(jì) 90年代初期實(shí)現(xiàn)了商業(yè)并網(wǎng)發(fā)電，而我國(guó)尚處于起步階段，對(duì)槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電的模擬也是如此。

太陽(yáng)能的能量密度低，必須通過(guò)聚光器來(lái)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(shí)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(duì)比影響反射率的幾個(gè)因素，灰塵等對(duì)鏡面的影響比較容易人為控制，可通過(guò)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(duì)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(duì)集熱場(chǎng)鏡面影響的前提下，集熱場(chǎng)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(guò)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(kù)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(chǎng)效率變化趨勢(shì)，并提出適宜的鏡面清潔度范圍，以提高電站的經(jīng)濟(jì)效益。

1 集熱場(chǎng)理論計(jì)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(jì)算得出：

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

熱效率ηth由下式計(jì)算：

式(4)不適用于裸管，式中：A為不考慮末端損失時(shí)，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(duì)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(yáng)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(duì)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(shí)系統(tǒng)模擬程序進(jìn)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(chǎng)參數(shù)設(shè)置見表2。

表2 集熱場(chǎng)參數(shù)設(shè)置

3 部件連接

氣象輸入模塊、集熱場(chǎng)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(xiàng)卡中設(shè)置模擬起止時(shí)間分別為0 h和8760 h，時(shí)間步長(zhǎng)為1 h，進(jìn)行模擬。

4 模擬結(jié)果及驗(yàn)證

表3 部件連接

表2中集熱場(chǎng)的鏡面清潔度數(shù)值一項(xiàng)為變量，清潔度低于0.60時(shí)，集熱場(chǎng)效率低于10%，無(wú)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(chǎng)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(duì)效率影響很大，鏡面清潔度在0.60～0.70之間，集熱場(chǎng)效率都很低；在0.70以上時(shí)，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(shí)段為6 h，最高時(shí)間都出現(xiàn)在約15：00時(shí)，而且熱效率呈先增后降的趨勢(shì)。9月6日系統(tǒng)在對(duì)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(chǎng)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(chǎng)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(dá)式為：

最終計(jì)算得到：a=-40.09，b=76.56。

因此，擬合直線方程為：

計(jì)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(shí)，鏡面集熱效果不佳，太陽(yáng)能利用率極低，僅為10%左右，鏡場(chǎng)需要清洗；即使在0.70～0.80之間時(shí)，集熱場(chǎng)熱效率也在20%以下，太陽(yáng)能利用率低。當(dāng)鏡面清潔度在0.80～1.00之間時(shí)，集熱場(chǎng)熱效率達(dá)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(zhǎng)，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(shí)，集熱效率達(dá)到33.2%；低于0.95時(shí)，鏡場(chǎng)熱效率低于30%，而鏡場(chǎng)熱效率過(guò)低會(huì)造成電站后端發(fā)電量低，影響電站總效率。因此，從集熱場(chǎng)熱效率角度來(lái)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(shí)要及時(shí)清洗，提高鏡面清潔度，以提高集熱場(chǎng)的集熱效率。

本研究?jī)H局限于軟件模擬，還有待進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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。

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