槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電站鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)探討

盧海勇，馮云崗，蔣 浩，崔 云，程超峰

(上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200025)

槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電站鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)探討

盧海勇，馮云崗，蔣 浩，崔 云，程超峰

(上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200025)

太陽(yáng)能鏡場(chǎng)是槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵系統(tǒng)，是太陽(yáng)能熱電站設(shè)計(jì)的難點(diǎn)，對(duì)太陽(yáng)能熱電站能否穩(wěn)定、高效運(yùn)行至關(guān)重要。分析了槽形拋物面聚光器的光學(xué)性能和熱力學(xué)性能，在此基礎(chǔ)上探討了槽式太陽(yáng)能熱電站鏡場(chǎng)聚光器陣列設(shè)計(jì)和定位布置設(shè)計(jì)方法。

太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)；太陽(yáng)能鏡場(chǎng)；槽形拋物面聚光器

目前，槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)被公認(rèn)為最成熟的太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)[1]，其基本原理在于：通過(guò)槽式拋物面聚光器將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為工質(zhì)熱能，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電，槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電原理圖如圖1所示。太陽(yáng)能鏡場(chǎng)作為槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的關(guān)鍵系統(tǒng)，雖然國(guó)外已有很多設(shè)計(jì)和運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，但國(guó)內(nèi)對(duì)于太陽(yáng)能鏡場(chǎng)的設(shè)計(jì)還缺乏有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)和規(guī)范，本文對(duì)槽式太陽(yáng)能熱電站鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行初步探索和總結(jié)。

圖1 槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電原理圖

1 槽形拋物面聚光器的性能分析

1.1 槽形拋物面聚光器的光學(xué)性能

聚光器性能要求聚光器在接收和反射太陽(yáng)能的過(guò)程中，存在著損失，包括鏡面損失、余弦損失、陰影和阻擋損失、大氣衰減損失和溢出損失等。因此，整個(gè)鏡場(chǎng)的光學(xué)效率

ηopt=K(θ)×ρmir×γint×τ×α

(1)

式中ρmir——鏡面損失，由于定日鏡是暴露在大氣條件下工作，灰塵、濕度等環(huán)境因素都會(huì)使鏡面反射率降低，聚光器反射面的鏡面反射率通常都比較高，在0.93～0.94左右。γint——光學(xué)截取因子，由于鏡面光潔度和型線加工精度不高，使得由鏡面反射的太陽(yáng)直射輻射中的一部分不能到達(dá)接收管而構(gòu)成損失，稱為光學(xué)截取因子。其典型值為0.950。τ——玻璃罩售的透過(guò)率，對(duì)高真空集熱管，若罩管采用低鐵白玻璃管，則其透過(guò)率τ的典型值為0.93。α——集熱管吸收涂層的吸收率α，對(duì)陶瓷吸收涂層，其吸收率α的典型值為0.95。黑鎳或黑鉻涂層的吸收率則稍低。K(θ)——余弦損失修正系數(shù)，余弦損失是由于定日鏡表面不能總與入射光線保持垂直而引起的損失。余弦損失可以引入入射角修正系數(shù)K(θ)，同時(shí)考慮對(duì)聚光集熱器幾何末端光學(xué)損失作綜合修正。

對(duì)于集熱器LS-3，余弦損失修正系數(shù)K(θ)[2]可計(jì)算為：

cosθ>0.9

K(θ)=

-938 564.843 773 31(cosθ)6+5 222 972.539 373 1(cosθ)5

-12 093 484.903 502(cosθ)4+14 912 235.279 499(cosθ)3

-10 327 122.898 84(cosθ)2+3 808 006.984 285 5cosθ

-584 041.205 111 4

(2)

cosθ≤0.9

K(θ)=

7 995.648 834 145 5(cosθ)8-45 016.702 352 137(cosθ)7

+110 302.757 849 52(cosθ)6-153 602.391 319 07(cosθ)5

+132 938.657 796 91(cosθ)4-73 211.270 566 734(cosθ)3

+25 050.730 094 871(cosθ)2-4 867.542 978 969cosθ

+411.234 661 098 21

(3)

由太陽(yáng)輻射基礎(chǔ)知識(shí)可知，太陽(yáng)輻射入射角θ主要決定于太陽(yáng)視位置以及槽形拋物面聚光集熱器的定位。若為南北向定位，太陽(yáng)輻射入射角按式(4)計(jì)算，若為東西向定位，則按式(5)計(jì)算，有

θ=arccos(1-cos2αsin2γ)1/2

(4)

θ=arccos(1-cos2αcos2γ)1/2

(5)

式中α——太陽(yáng)高度角；γ——太陽(yáng)方位角。

1.2 槽形拋物面聚光器的熱性能

槽式太陽(yáng)能集熱器效率計(jì)算較為復(fù)雜，與太陽(yáng)輻照度、聚光器軸向布置、聚光器光學(xué)性能、傳熱介質(zhì)工作溫度、環(huán)境空氣溫度、環(huán)境風(fēng)速、聚光場(chǎng)特性有關(guān)，計(jì)算很難準(zhǔn)確，一般由設(shè)備制造商提供效率公式，一般制造商會(huì)提供槽式真空管熱損系數(shù)，圖2是德國(guó)SCHOTT公司真空管的實(shí)測(cè)熱損失系數(shù)HL[3]。

圖2 德國(guó)SCHOTT公司真空管的實(shí)測(cè)熱損失系數(shù)HL

根據(jù)槽式真空管熱損系數(shù)可以計(jì)算出集熱管的熱效率：

(6)

式中DIN——太陽(yáng)直射輻射；A——單回路聚光器開(kāi)口面積；l——單回路聚光器長(zhǎng)度。

根據(jù)上述的分析，槽形拋物面聚光集熱器的總效率為：

η=ηoptηth

(7)

2 槽形拋物面聚光器陣列設(shè)計(jì)

槽形拋物面聚光集熱器整列也稱集熱器場(chǎng)。由若干臺(tái)槽形拋物面聚光集熱器經(jīng)過(guò)并串聯(lián)組成，確定聚光集熱器串聯(lián)的集熱器數(shù)量及聚光集熱器的并聯(lián)回路數(shù)量是鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

2.1 聚光集熱器串聯(lián)數(shù)量

根據(jù)確定的集熱器整列工質(zhì)的額定入口溫度、出口溫度、聚光器光孔寬度、太陽(yáng)輻射DIN值和槽形拋物面聚光集熱器的總效率計(jì)算單回路集熱器長(zhǎng)度：

(8)

式中ρ——集熱器中導(dǎo)熱油平均溫度；v——集熱器中導(dǎo)熱油平均流速；Cp——集熱器中導(dǎo)熱油平均溫度的定壓比熱容； ΔT——集熱器進(jìn)出口溫差；W——聚光器光孔寬度。

根據(jù)計(jì)算的單回路集熱器長(zhǎng)度，需要驗(yàn)證光照條件好時(shí)，集熱管的導(dǎo)熱油流速過(guò)高，導(dǎo)致主油泵選型揚(yáng)程過(guò)高。

單回路集熱器串聯(lián)數(shù)量

(9)

2.2 陣列的聚光集熱器回路并聯(lián)數(shù)

根據(jù)需要太陽(yáng)能陣列額定輸出的熱功率Wth和單回路聚光集熱器額定輸出的熱功率ΔWth，求得陣列的聚光集熱器回路的并聯(lián)數(shù)為：

(10)

ΔWth=ρ×v×A×Cp×ΔT

Wth可以根據(jù)額定裝機(jī)容量除以汽輪發(fā)電機(jī)效率、管道效率、換熱器效率得到。

全陣列所需要的聚光集熱器總數(shù)n為：

n=nsnp

(11)

對(duì)于帶儲(chǔ)熱系統(tǒng)的，在確定了汽輪機(jī)對(duì)應(yīng)聚光場(chǎng)面積后，再計(jì)算儲(chǔ)熱系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的鏡場(chǎng)面積或回路數(shù)，計(jì)量?jī)?chǔ)熱量時(shí)，一般以日DNI作為計(jì)算依據(jù)，儲(chǔ)熱系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的回路數(shù)按圖3流程[3]確定。

圖3 儲(chǔ)熱系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的回路數(shù)計(jì)算流程

3 鏡場(chǎng)計(jì)算實(shí)例

已知某地設(shè)計(jì)點(diǎn)DNI為822W/m2，日DNI為5 175W/m2，多年平均氣溫4.3℃，考慮帶3h儲(chǔ)熱，汽輪發(fā)電機(jī)效率38.4%，擬建設(shè)50MW槽式發(fā)電站，選定春分日為設(shè)計(jì)點(diǎn)，根據(jù)上述計(jì)算方法，進(jìn)行鏡場(chǎng)計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 鏡場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

4 聚光器定位布置設(shè)計(jì)

槽形拋物面聚光器的定位布置[2]也就是拋物面槽軸線的指向，旋轉(zhuǎn)主軸軸線東西指向?yàn)闁|西向布置，軸線南北指向?yàn)槟媳毕虿贾?，理論上可以南北向定位或東西向定位。現(xiàn)代大型槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的槽形拋物面聚光集熱器陣列，無(wú)論選用哪種定位布置設(shè)計(jì)，均為水平設(shè)置，單軸跟蹤太陽(yáng)視位置。

水平南北向布置，鏡面需要配置較精確的單軸跟蹤系統(tǒng)；由于跟蹤太陽(yáng)視位置，具有較高的能量收益和集熱效率，其能量收益隨季節(jié)不同在很寬的范圍內(nèi)變化；由于聚光集熱器為水平布置，其端部全年有一定的幾何光學(xué)損失。

水平東西向布置，跟蹤裝置簡(jiǎn)單；集熱器的能量收益和集熱效率較低，但隨季節(jié)不同變化很小；一天中太陽(yáng)入射角變化很大，日出和日落太陽(yáng)入射角為90°，所以早晚幾何光學(xué)損失較大。

為提高聚光集熱器的有用能量收益和集熱效率，現(xiàn)代大型槽式熱發(fā)電站的槽形拋物面聚光集熱器都選用水平南北向布置, 單軸跟蹤。

5 結(jié)論

聚光集熱器的效率與鏡面損失、光學(xué)截取因子、玻璃罩售的透過(guò)率、集熱管吸收涂層的吸收率和余弦損失修正系數(shù)有關(guān)。本文論述了聚光器陣列的設(shè)計(jì)方法，并根據(jù)站址光資源條件，對(duì)50MW槽式熱發(fā)電站鏡場(chǎng)進(jìn)行了計(jì)算，當(dāng)儲(chǔ)熱3h時(shí)，集熱陣列單回路長(zhǎng)度600m，集熱場(chǎng)回路數(shù)150個(gè)。為了有效地提高聚光集熱器的有用能量收益和集熱效率，現(xiàn)代大型槽式熱發(fā)電站的槽形拋物面聚光集熱器，都選用水平南北向布置。本文只是對(duì)槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電站鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)進(jìn)行初步探索和總結(jié)，對(duì)后續(xù)工程實(shí)踐中太陽(yáng)能鏡場(chǎng)的設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

[1]

陳 超，聶志剛，那小桃. 槽式太陽(yáng)能集熱發(fā)電系統(tǒng)發(fā)展?fàn)顩r. 工程研究——跨學(xué)科視野中的工程，2009，1(4)：314-318.

CHENChao,NIEZhi-gang,NAXiao-tao.Onthedevelopmentofparabolictroughconcentratingsolarpowerstation[J].JournalOfEngineeringStudies,2009,1(4):314-318.

[2]劉鑒民. 太陽(yáng)能熱動(dòng)力發(fā)電技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

[3]王志峰.太陽(yáng)能熱發(fā)電站設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2012.

(本文編輯：楊林青)

Mirror Field Design for Trough Solar Thermal Power Station

LU Hai-yong, FENG Yun-gang, JIANG Hao, CUI Yun, CHENG Chao-feng

(Shanghai Electric Power Design Institute Co. , Ltd. , Shanghai 200025, China)

Solar mirror field, a key system of trough solar thermal power generation system as well as a designing difficulty, is critical for the stable and efficient operation of solar thermal power plant. This paper analyzes the trough parabolic concentrator in terms of its optical and thermodynamic properties. Then it discusses the condenser array design and positioning layout design for the trough solar thermal power plant mirror field.

solar thermal power generation system; solar mirror field; trough parabolic concentrator

10.11973/dlyny201606019

盧海勇(1983)，男，碩士，工程師，從事火力發(fā)電、新能源發(fā)電和天然氣分式供能工作。

TU18

A

2095-1256(2016)06-0754-04

2016-10-15