干散貨碼頭積塵對太陽能集熱系統的影響

顧 明

(交通運輸部天津水運工程科學研究所 水路交通環境保護技術交通行業重點實驗室，天津 300456)

當前，全球化石能源資源日益短缺，氣候變化等環境壓力日漸增大。太陽能、風能、生物質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略替代能源。目前，太陽能在港區的應用尚處于起步階段，港口由于特有的裝卸作業條件和環境，特別是干散貨碼頭由于PM2.5、PM10、顆粒物等大氣環境質量因素造成環境粉塵容量上升，對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]等人通過實驗研究了平板型太陽能集熱器表面積灰對系統熱性能影響，得出在相同條件下，太陽能熱水系統日有效集熱量降低3.95%，升溫性能降低3.19%～5.31%，系統日集熱效率降低4.05%。季雪元[3]研究了堆場圍護設施情況下靜態起塵量的源強計算，研究結果表明：堆場設置防風網，再結合灑水及堆垛可降低堆場的風速，靜態起塵抑塵效率可達98%；堆場設置條形倉，再結合堆場灑水及多堆堆垛風速的降低，靜態起塵抑塵效率可達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，在自然起風條件下會起塵，另外港口在裝卸貨種時也會起塵，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，光伏發電主要供道路、堆場小規模供電使用，其揚塵覆蓋在太陽能集熱器上影響集熱或光伏效果。

由于碼頭揚塵造成目前國內港口并不能大規模使用太陽能，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，裝機容量40 kW；寧波舟山港在太倉萬方公司和樂清灣港區倉庫屋頂分別安裝了分布式光伏發電系統，裝機容量分別為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電系統，總面積約4萬m2。目前國內對于太陽能集熱系統積塵情況主要針對于一般自然積塵，缺乏對于港口特定環境下積塵對于太陽能集熱系統的影響。本文以天津港干散貨碼頭為基礎，研究不同干散貨碼頭環境條件下，積塵對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

本文以天津港干散貨碼頭太陽能平板集熱器系統為研究，通過建立數學模型，利用仿真軟件進行模擬計算，分析港口干散貨碼頭對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，其結構一般包括透明蓋板、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，流通管內的工質吸收太陽熱能，溫度逐漸升高。與此同時，集熱器的熱損失主要是由于透明蓋板和殼體向環境散失熱量。

2 太陽能平板集熱器數學模型

本文所用的系統參數見表1和表2。

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

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

一年中日字數在法向平面上測得的大氣層外的輻射度[5]為

(1)

一天中某一時刻地球自轉所形成的角度為

ω=(t-12)×15×2π/360

(2)

式中：t為時間，定義24 h制，中午12時的時角為零。

(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[7]指出當集熱器正南而置時，集熱器傾角與當地緯度角ψ相同時，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數學模型

水平面上直接輻射強度Gz和散射輻射強度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[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為集熱器進口溫度，℃。

集熱器的總熱損失系數U

U=Ut+Ub

(11)

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

Klein[11]提出的計算太陽能平板集熱器面部熱損失的經驗計算式

(12)

f為集熱器有、無透明蓋板時的熱阻之比

f=1.078 66(1+0.089 h-0.1166hεp)

(13)

McAdams[12]提出風掠過透明蓋板的對流換熱系數h的近似公式計算

h=5.7+3.8v

(14)

集熱器底部熱損失系數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 平板集熱器管板結構示意圖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)

集熱器的熱轉移因子F可表示為[14]

(18)

式中：m0為集熱工質流量，kg/(m2·s)。

3 系統熱力性能分析

通過編制系統語言計算機程序，利用仿真模擬軟件對系統數學模型進行了求解。在其他參數不變的情況下，通過分析系統集熱器積塵量、碼頭類型、集熱器進口水溫溫度、工質流量4個因變量來分析系統性能。

3.1 集熱器積塵量的影響

按照天津市市容園林委發布的《城市道路以克論凈檢測考核實施辦法》中考核要求：一級道路積塵量達標標準為10 g/m2，二級道路為12 g/m2，三級道路為15 g/m2，四級道路為20 g/m2，天津港干散貨碼頭主要分布在南疆港區，北疆港區有少部分礦石，天津市生態環境局對天津市各區域街鎮均有降塵量的監測和考核，天津市2020年第一季度環境空氣降塵量結果顯示：天津港南疆港區降塵量均值為20 t/(km2·月)，北疆港區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，因此對于干散貨碼頭積塵量可以參考道路積塵量達標標準以及降塵量監測結果。

當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到峰值。這是由于：當集熱器傾角為39.13°時，太陽光線在南北回歸線循環照射，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、大氣光學質量和大氣透明度對太陽能輻射強度的影響，集熱器傾斜面和集熱板的集熱量在四月和九月份達到最大。當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度越小，這是主要由于積塵量越大時，太陽輻射透過透明蓋板的有效輻射量越小，導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。對于港區道路旁建筑物使用太陽能，積塵導致集熱量下降32%，對于南疆港區集熱量下降44%，北疆港區下降52%，因此對于天津港干散貨碼頭而言，應及時清理平板集熱器蓋板積塵，北疆港區降塵量最大，積塵清理應更加頻繁。對于干散貨碼頭大面積采用太陽能集熱器系統，其積塵主要為礦粉煤炭，因此其除塵方式應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，其導熱系數不同，按照最低道路積塵量10 g/m2和最高天津港北疆港區積塵量35 g/m2為初始計算條件，集熱器集進口水度為20℃，集熱工質流量為0.03 kg/(m2·s)，分析不同積塵類型對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，當積塵量一定時，集熱板的有效集熱量基本無變化。這是由于積塵量相同時，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。煤粉和礦粉導熱系數和透過率不同引起的集熱器熱損失相對較小，導致集熱器有效集熱量基本無變化。因此，針對天津港南北疆煤炭或礦石碼頭，均應采用相同類型的除塵設施，以保證平板集熱器表面的清潔度。

3.3 集熱器進口水溫的影響

對于干散貨碼頭而言，積塵是影響太陽能集熱系統熱性能的主要因素，它直接降低了集熱器吸收到的太陽輻射量。實際工程應用中，為了保持太陽能集熱系統的高效率和穩定運行，對于集熱器的進口水溫和水流量等參數也應進行分析和研究。

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

圖4 集熱器進口水溫對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月出現一個峰值，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。當集熱器進口水溫越低時，在春夏季與環境溫度溫差越大，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幅度也越大，這不利于系統的有效穩定運行。因此在工程上應用時，應保持集熱系統進口水溫恒定在一定范圍內，以確保系統額定狀態下運行。天津每年采暖季氣溫較低，其地表水溫度也相對較低，應采用電輔加熱或者供暖管道接觸換熱方式，提高供水水溫，保持系統穩定運行。

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，集熱器集進口水度為20℃，分析煤炭碼頭不同水流量對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，集熱工質流量越低時，集熱器月平均日的有效集熱量越低，當集熱工質流量大于0.05 kg/(s·m2)時，有效集熱量基本無變化。這是由于小流量流過集熱板時，工質在集熱管中與集熱板充分換熱后不能及時流出集熱器，不能吸收多余的集熱板熱量，導致集熱器有效集熱量減小。當工質流量增大時，工質在流過集熱板能吸收更多的熱量，有效集熱量增大，當工質流量增大至一定數量時，集熱板的熱量已經全部與工質發生熱量交換，此時有效集熱量達到峰值，由于集熱板集熱量只與當地氣候條件和集熱器本身有關，因此繼續增大工質流量對有效集熱量基本無影響。工程上根據太陽能平板集熱器的熱性能，運行水流量應取值臨界值附近，過小降低了系統熱性能，過大不僅增加泵耗成本，也不能顯著提高系統熱性能。

4 結論

本文分析了天津港干散貨碼頭太陽能平板集熱器系統的熱力性能。選取天津市城市道路積塵達標標準10 g/m2，以及天津港南疆港區降塵量監測數據20 t/(km2·月)和北疆港區35.3 t/(km2·月)為計算背景，對于港區道路旁建筑物使用太陽能，積塵導致集熱量下降32%，對于南疆港區集熱量下降44%，北疆港區下降52%，應采用干刷式或濕刷式定期清理集熱器蓋板積塵，對煤礦粉進行回收再利用。當積塵量一定時，積塵類型煤或礦粉對集熱量基本無影響。天津每年采暖季氣溫較低，其地表水溫度相對較低，應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。對于不同集熱器，應選擇合適的水流量臨界值，保證集熱系統的熱性能。