塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電吸熱器熱效率影響因素分析

孫成金 ， 葛婷婷 ， 潛 鈞， 范玲萍， 許利華

(1. 南京軍區(qū)鍋爐檢驗(yàn)所， 杭州 310002； 2. 杭州鍋爐集團(tuán)股份有限公司， 杭州 310022)

塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電是通過(guò)鏡面反射將太陽(yáng)光匯集在焦點(diǎn)、焦線或焦平面上，由于其具備了儲(chǔ)熱環(huán)節(jié)，可以把太陽(yáng)能的收集與利用進(jìn)行解耦，易于實(shí)現(xiàn)功率輸出的可調(diào)節(jié)性，因此可以在電網(wǎng)中承擔(dān)基本負(fù)荷或調(diào)峰負(fù)荷。

吸熱器是連接定日鏡場(chǎng)與儲(chǔ)、換熱系統(tǒng)的重要紐帶，吸熱器熱效率對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的熱電轉(zhuǎn)換性能有重要影響。劉可亮等[1]研究了塔式太陽(yáng)能集熱與余熱鍋爐結(jié)合的能源系統(tǒng)，研究了不同流程方式對(duì)余熱鍋爐性能的影響，該方案降低了系統(tǒng)的初投資、縮短了投資回收期。盛玲霞等[2]以某塔式太陽(yáng)能電站吸熱器為原型，采用分段集總參數(shù)法對(duì)吸熱器進(jìn)行建模分析，并把動(dòng)態(tài)仿真的結(jié)果與測(cè)試結(jié)果對(duì)比。鄭建濤等[3]利用VOF(Volume of Fluid)法研究了非均勻受熱條件下，柱面體吸熱器吸熱管內(nèi)(以水為工質(zhì))汽液兩相流的特征，得出吸熱管內(nèi)工質(zhì)換熱特性、管壁溫度分布的模擬結(jié)果。常春等[4]還研究了以熔鹽為工質(zhì)的高溫吸熱器，分別在光管條件與內(nèi)插螺旋紐帶強(qiáng)化傳熱方式下的流動(dòng)、傳熱特性等。李嘉寶等[5]對(duì)塔式熔鹽吸熱器的動(dòng)態(tài)過(guò)程進(jìn)行了模擬研究。鄭建濤等[6]還研究了多點(diǎn)聚焦模式對(duì)柱面體吸熱器表面熱流分布的影響。黃凱欣等[7]對(duì)采用超臨界CO2作為介質(zhì)的吸熱器許用能流密度進(jìn)行了研究，以吸熱管為對(duì)象，利用ANSYS軟件計(jì)算吸熱管的溫度和應(yīng)力分布，對(duì)管子的蠕變-疲勞特性進(jìn)行了分析。

上述研究主要集中在吸熱器內(nèi)部傳熱及流動(dòng)方面，這些研究對(duì)吸熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、參數(shù)選取及指導(dǎo)定日鏡控制等具有一定參考價(jià)值。筆者對(duì)太陽(yáng)能吸熱器的整體熱性能進(jìn)行建模分析，模擬了風(fēng)速、環(huán)境溫度、發(fā)射率、聚光比、吸熱器溫度等因素對(duì)吸熱器熱效率的影響，為太陽(yáng)能吸熱器的整體優(yōu)化提供參考。

1 吸熱器表面熱流特性

太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)一般包括定日鏡場(chǎng)、吸熱器系統(tǒng)、儲(chǔ)熱系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)等。圖1為典型的以熔鹽為工質(zhì)的塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)。

圖1 典型塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)成

定日鏡反射的太陽(yáng)光投向吸熱器，但通常會(huì)有一部分溢出到吸熱器受光面外。這是由于定日鏡與吸熱器距離較遠(yuǎn)，定日鏡控制誤差會(huì)導(dǎo)致光斑偏離目標(biāo)位置。這部分能量損失通常作為定日鏡場(chǎng)聚光損失的一部分，不在筆者研究的能量損失范圍內(nèi)。

以塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電柱面體、外受光式吸熱器為例，吸熱器表面的熱流關(guān)系見(jiàn)圖2。

Preflected—投向吸熱器受光面的反射功率；Ppanel—投向吸熱器受光面的輻射功率；Pabsorbed—傳遞給吸熱器內(nèi)介質(zhì)的熱功率；Pradiation—吸熱器向環(huán)境的輻射散熱功率；Pconvection—吸熱器向環(huán)境的對(duì)流散熱功率；Pconduction—吸熱器向支撐結(jié)構(gòu)的導(dǎo)熱散熱功率。

圖2 吸熱器表面熱流關(guān)系示意圖

投射到吸熱器表面的太陽(yáng)輻射絕大部分被吸熱管表面的涂層吸收，也有少部分被反射出去。涂層把吸收的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成熱能，大部分被吸熱管內(nèi)的工質(zhì)吸收，還有一部分以熱損失的方式散失在環(huán)境中。吸熱器表面的能流關(guān)系式為：

Plost=Pradiation+Pconvection+Pconduction

(1)

αPpanel=Pabsorbed+Plost

(2)

式中：Plost為吸熱器的散熱功率；α為吸熱器受光面對(duì)投射能量的吸收率。

對(duì)于塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電吸熱器，導(dǎo)熱損失所占的比例非常小，因此在對(duì)吸熱器熱效率的討論中忽略導(dǎo)熱損失。由式(1)和式(2)可得：

αPpanel=Pabsorbed+Pradiation+Pconvection

(3)

Ppanel、Pradiation、Pconvection分別為：

Ppanel=CI

(4)

Pradiation=εσ(Tw4-Tsky4)

(5)

Pconvection=h(Tw-T)

(6)

式中：C為聚光比(定日鏡反射面積與吸熱器采光面積之比)；I為輻射強(qiáng)度，W/m2；ε為吸熱器表面發(fā)射率；σ為斯忒藩-玻耳茲曼常數(shù)；h為對(duì)流傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；Tw、T分別為吸熱器溫度(外表面溫度)與環(huán)境溫度，K；Tsky為天空溫度，K。

筆者將天空溫度取環(huán)境溫度進(jìn)行計(jì)算，并將式(3)兩側(cè)同時(shí)除以Ppanel，代入吸熱器熱效率ηreceiver=Pabsorbed/Ppanel，將式(4)、式(5)、式(6)代入式(3)后可得：

(7)

式(7)可變化為：

ηreceiver=α-lrad-lcon

(8)

式中：lrad、lcon分別為輻射散熱率、對(duì)流散熱率(輻射散熱損失、對(duì)流散熱損失占吸熱器投入輻射能量的比)。

由上述分析可知，吸熱器熱效率的影響因素包括：吸收率、發(fā)射率、吸熱器溫度、聚光比、環(huán)境溫度及影響對(duì)流傳熱系數(shù)的風(fēng)速等。

2 熱效率影響因素分析

太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)具有聚光比高、工質(zhì)參數(shù)高等特征。對(duì)于典型的塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)，聚光比可以達(dá)到500～1 000，工質(zhì)溫度可達(dá)到1 000 ℃以上(以壓縮氣體為介質(zhì))。通常情況下，以水或熔鹽為工質(zhì)的吸熱器出口介質(zhì)的溫度接近600 ℃。筆者在不同風(fēng)速、發(fā)射率、環(huán)境溫度、吸收率的條件下，模擬吸熱器熱效率的變化規(guī)律。

2.1 風(fēng)速

在吸收率為0.95、發(fā)射率為0.85、聚光比為500、輻射強(qiáng)度為1 000 W/m2、吸熱器溫度為600 ℃的條件下，模擬了風(fēng)速對(duì)吸熱器熱效率的影響(見(jiàn)圖3)。由圖3可以看出：隨著風(fēng)速?gòu)? m/s增加到15 m/s，吸熱器熱效率從89.15%下降到82.62%，對(duì)流散熱率從0.65%上升到7.19%，增加顯著；低風(fēng)速下對(duì)流散熱率小，但當(dāng)風(fēng)速大于12 m/s時(shí)，對(duì)流散熱損失已經(jīng)超過(guò)輻射散熱損失。因此，在較高風(fēng)速條件下，對(duì)流散熱損失對(duì)熱效率的影響不應(yīng)忽略。

圖3 風(fēng)速對(duì)吸熱器熱效率的影響

2.2 發(fā)射率

在吸收率為0.95、聚光比為500、輻射強(qiáng)度為1 000 W/m2、風(fēng)速為0 m/s、吸熱器溫度為600 ℃的條件下，模擬了發(fā)射率對(duì)吸熱器熱效率的影響(見(jiàn)圖4)。

圖4 發(fā)射率對(duì)吸熱器熱效率的影響

由圖4可以看出：隨著吸熱器發(fā)射率的變化(從0.10增加到0.85)，吸熱器熱效率從93.7%下降到88.8%，同時(shí)輻射散熱率從0.65%增加到5.52%。發(fā)射率對(duì)輻射散熱有直接影響，對(duì)于高聚光比的太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)，選擇性涂層有助于吸熱器熱效率的提高。但由于輻射散熱率不高(在上述吸熱器溫度與聚光比的條件下)，發(fā)射率改變對(duì)吸熱器熱效率的影響不顯著。

2.3 環(huán)境溫度

在吸收率為0.95、發(fā)射率為0.85、聚光比為500、輻射強(qiáng)度為1 000 W/m2、風(fēng)速為0 m/s，吸熱器溫度為600 ℃的條件下，模擬了環(huán)境溫度對(duì)吸熱器熱效率的影響(見(jiàn)圖5)。

由圖5可以看出：環(huán)境溫度從-35 ℃升高到40 ℃，吸熱器熱效率從89.04%增加到89.18%，

圖5 環(huán)境溫度對(duì)吸熱器熱效率的影響

吸熱器熱效率隨環(huán)境溫度的升高而提高，但變化幅度很小。吸熱器熱效率對(duì)環(huán)境溫度的變化不敏感，因此在我國(guó)太陽(yáng)能資源豐富的西北地區(qū)，冬季較低氣溫對(duì)吸熱器熱效率的影響有限。

2.4 吸收率

在發(fā)射率為0.85、聚光比為500、輻射強(qiáng)度為1 000 W/m2，風(fēng)速為0 m/s、吸熱器溫度為600 ℃的條件下，模擬了吸收率對(duì)吸熱器熱效率的影響(見(jiàn)圖6)。

圖6 吸收率對(duì)吸熱器熱效率的影響

由圖6可以看出：吸收率從0.45變化至0.95時(shí)，吸熱器熱效率從39.15%增加到89.15%，吸熱器熱效率與吸收率呈線性變化。與前述各因素對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，吸收率是影響吸熱器熱效率最為顯著的因素，因此性能優(yōu)良的吸熱器需要性能優(yōu)良的吸熱特性作為保證。

3 吸熱器熱電綜合效率

聚光比通常決定了吸熱器溫度與吸熱器出口的工質(zhì)溫度，吸熱器工質(zhì)溫度又與熱電轉(zhuǎn)換效率密切相關(guān)。考慮聚光比對(duì)吸熱器熱效率影響的情況時(shí)，還需要考慮聚光比對(duì)動(dòng)力循環(huán)效率的影響，以及由此帶來(lái)的熱電綜合效率變化。

在太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)中，吸熱器收集的熱量通常用于蒸汽發(fā)生系統(tǒng)產(chǎn)生高參數(shù)蒸汽，再將蒸汽送往蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)做功發(fā)電。吸熱器溫度與吸熱器出口的工質(zhì)參數(shù)決定了蒸汽品質(zhì)，并最終影響到蒸汽動(dòng)力循環(huán)的發(fā)電效率，具體的關(guān)系式為：

ηcombined=ηreceiver×ηpower

(9)

(10)

式中：ηpower、ηcombined分別為動(dòng)力循環(huán)的發(fā)電效率、綜合吸熱和發(fā)電環(huán)節(jié)的熱電綜合效率；T1、T2分別為卡諾循環(huán)對(duì)應(yīng)的高溫?zé)嵩磁c低溫?zé)嵩礈囟龋琄；ξ為實(shí)際循環(huán)相對(duì)于卡諾循環(huán)的完善度。

在吸收率為0.95，發(fā)射率為0.85，輻射強(qiáng)度為1 000 W/m2、風(fēng)速為0 m/s的條件下，模擬了在不同聚光比條件下，吸熱器溫度對(duì)吸熱器熱效率的影響(見(jiàn)圖7)。

圖7 吸熱器溫度對(duì)熱效率的影響

由圖7可以看出：在同一聚光比條件下，隨著吸熱器溫度的提高，熱效率下降。熱效率在低中溫段下降的速度較小，而在高溫段下降迅速。吸熱器溫度升高到一定值時(shí)，散熱量和吸熱量平衡，輸出功率和熱效率為0。因此，在特定聚光比的條件下，選擇合適的吸熱器溫度是必要的，而并非是越高越好。聚光比增加時(shí)，相同吸熱器溫度對(duì)應(yīng)更高的熱效率，但在某些區(qū)段，這種效應(yīng)并不太明顯。吸熱器溫度為600 ℃時(shí)，聚光比從500增加到1 100，而熱效率僅僅提升了約3百分點(diǎn)。在這種情況下，單純提高聚光比的效果并不明顯。

在吸收率為0.95、發(fā)射率為0.85、輻射強(qiáng)度為1 000 W/m2、風(fēng)速為0 m/s條件下，模擬了在不同聚光比條件下，吸熱器溫度對(duì)熱電綜合效率的影響(見(jiàn)圖8)。

圖8 吸熱器溫度對(duì)熱電綜合效率的影響

由圖8可以看出：在特定的聚光比條件下，熱電綜合效率有一個(gè)最高值，并對(duì)應(yīng)了一個(gè)特定的吸熱器溫度。隨著聚光比的增加，熱電綜合效率的最高值也逐漸增加，由此對(duì)應(yīng)的吸熱器溫度也不斷升高。但是，隨著聚光比的增加，熱電綜合效率提升幅度卻在逐步減小。目前，常見(jiàn)的塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站聚光比通常在300～1 000。聚光比為500時(shí)，吸熱器溫度在750 ℃具有最高的熱電綜合效率；聚光比高于500時(shí)，熱電綜合效率在最高值附近的變化較為平坦(聚光比越高，峰值附件的曲線越平坦)。在吸熱器材料、吸熱介質(zhì)(影響工質(zhì)溫度范圍)、蒸汽動(dòng)力系統(tǒng)材料受限的前提下，選擇相對(duì)較低的溫度以達(dá)到經(jīng)濟(jì)性最佳的熱電綜合效率。

4 結(jié)語(yǔ)

筆者建立了塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電吸熱器的熱效率模型，分析了多種因素對(duì)吸熱器熱效率的影響。在筆者給定的約束條件下：環(huán)境溫度對(duì)吸熱器熱效率的影響很小，在我國(guó)西北地區(qū)的氣象條件下，吸熱器熱效率的變化小于0.2百分點(diǎn)；選擇性涂層可以提高吸熱器的熱效率，但對(duì)于高聚光比的塔式熱發(fā)電技術(shù)，效率提升的空間有限，可提高吸熱器熱效率約5.0百分點(diǎn)；風(fēng)速對(duì)吸熱器熱效率的影響不應(yīng)忽略，當(dāng)風(fēng)速高于12 m/s時(shí)，對(duì)流散熱率超過(guò)了輻射散熱率；吸收率對(duì)太陽(yáng)能吸熱器的熱效率影響最為顯著，高吸收率是吸熱器良好性能的保證。筆者最后對(duì)不同聚光比條件下，系統(tǒng)的熱電綜合性能進(jìn)行了模擬，分析結(jié)果表明：系統(tǒng)的熱電綜合效率在給定聚光比條件下存在最大值；并且在高聚光比區(qū)域，熱電綜合效率的頂部曲線相對(duì)平坦。

筆者所采用的研究方法和得到的模擬結(jié)果，可以給塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)整體參數(shù)優(yōu)化提供參考。