槽式太陽能集熱系統動態性能與試驗方法研究

王 強

（中國廣核新能源控股有限公司，北京 100070）

太陽能熱發電是一項通過太陽聚光進行熱轉化發電的新能源應用技術，其具有建造、生產和退役無污染優勢的同時，可通過儲熱系統實現24 h不間斷發電。電站依據聚光方式不同，主要分為4種：槽式、塔式、碟式和菲涅爾式，其中槽式技術成熟，塔式技術發展迅速，碟式和菲涅爾式還處于試驗階段，美國等國早在20世紀80年代初就進行了槽式太陽能熱發電技術研究，目前在美國和西班牙已建成多座商業化槽式太陽能熱發電站。我國太陽能熱發電技術的商業化剛剛開始，國家能源局于2016年9月公布了首批20個光熱發電示范項目，并在2018年10月建成首個大型商業化光熱示范電站。

槽式太陽能熱發電技術是利用大規模排列的拋物面鏡跟蹤聚光，通過聚焦的太陽能加熱反射鏡焦線上的傳熱導體，實現光和熱的轉化，同時利用換熱裝置產生蒸汽帶動傳統汽輪機發電。評價槽式集熱系統的性能時，核心指標為光和熱的轉換效率，2001年4月頒布實施的歐洲標準提出了可現場規模化的太陽能集熱器熱效率試驗方法，降低了槽式集熱系統的性能試驗要求，目前國內對槽式太陽能集熱系統性能測試標準尚處于空白，為此本研究通過對進行延慶和德令哈槽式集熱系統試驗，深入分析數據，對系統性能進行評估并優化動態試驗測試方法。

1 集熱器性能評價

槽式集熱系統的熱效率定義為規定時段內傳熱流體輸出的能量與相應時段內槽式集熱器采光面積收到的太陽能量之比。因系統長期處于非穩態條件下，考慮運行模式下描述熱性能的相關輸入參數變化，確定拋物面槽式太陽能集熱器熱性能動態測試模型

式中：e0、e1、e2、a、b、c和d是7個待定動態模型常量系數，其需要使用集熱器熱性能試驗得到數據進行辨識；θ為集熱器的入射角；τ為時間；ta為環境空氣溫度；te為傳熱流體的集熱器出口溫度；ti為傳熱流體的集熱器進口溫度；Geni是考慮余弦損失、端部損失和傳熱流體經集熱器時太陽輻照度變化影響的一個有效均化的太陽直射輻照度。

式中：Geni為上文中有效均化太陽直射輻照度；GDN為太陽法向直接輻照度；f為集熱器拋物面的焦距；L為集熱器的長度；τs為測試數據采集時間間隔；τp為傳熱流體從集熱器進口到出口的流動時間；τi為熱流體的集熱器進口溫度測量記錄時間；p為拋物面槽式金屬吸熱管沿傳熱流體流動方向劃分的等長區域，取決于傳熱流體從集熱器進口到出口的流動時間τp和測試數據采集時間間隔τs，即

式（1）中方程右側前3項決定集熱器與太陽相對位置影響，后2項代表集熱器進口溫度和環境溫度之差造成的熱損失。因集熱器吸熱內管和玻璃外管之間為近似真空，其熱損失包括輻射熱損失和小范圍對流熱損失。考慮多變量參數耦合下對系統產生相應關系，采集延慶1 MW槽式太陽能熱發電驗收性能試驗和德令哈50 MW槽式光熱發電不同運行參數下的數據與氣象數據，分析評價性能的非變量滿足條件和不同影響因素的熱效率響應。

1.1 非變量

槽式集熱系統性能試驗傳熱流體為導熱油，是閉式循環系統能量輸出，為抵消太陽能量波動對系統控制策略和設備造成的不穩定性，導熱油流量需滿足系統容量的最大值，安全模式下試驗中選定設計數值，數據顯示可靠范圍為流量偏差小于等于1%。試驗采集數據包括3個階段：聚光工況下導熱油出口升溫試驗、短時間熱平衡試驗和采光口背向太陽工況下導熱油出口降溫試驗階段。為比較不同工況下的系統蓄能能力一致，導熱油進口溫度需在設計值±2%范圍內。

1.2 變量

影響集熱系統熱損失的變量為風速和環境溫度，風速不同影響集熱器效率曲線截獲，環境溫度影響對流傳熱及輻射傳熱。試驗計算集熱系統有用輸出功率和接收功率，結合玻璃管與環境之間的對流換熱

式中：Nu為努塞爾數；Re為室外空氣雷諾數；C為對流換熱系數；n為迭代次數；m為迭代中止常量；Gr為格拉曉夫數；Pr為普朗特數。金屬管與玻璃管內壁的輻射換熱為

式中：hr，ga為輻射換熱系數；σ為斯蒂芬－玻爾茲曼常數；Tgo為發射膜表面溫度；Tsky為輻射空氣溫度；εabs為玻璃管的發射率，計算抵消溫度散熱損失，低風速下環境溫度與集熱器熱損失曲線如圖1所示。

圖1 環境溫度與集熱器熱損失

根據上圖擬合無風時熱損失曲線，修正高風速時環境溫度影響。高風速時聚光器焦點位置會產生偏移，試驗期間采集風載下集熱器的跟蹤精度，根據圖2計算均化偏移量熱能輸出影響。通過試驗研究不同環境溫度與跟蹤偏移角度下的熱損失，對風速熱損失曲線進行修正，得出近似單一變量的效率曲線，通過長期采集平均風速數據，修正計算集熱器熱效率如圖3所示。

圖2 散焦角度對截獲率影響

圖3 風速與集熱器熱效率

聚光器采光鏡面上，總接受太陽輻照度由直射太陽輻照度和散射太陽輻照度組成，因散射入射角不受太陽直射入射角的影響，因此散射數據所占比重小時可忽略，修正試驗數據采用直射輻射入射角。

2 動態試驗方法

集熱系統動態試驗依據能量守恒原理，考慮到測試過程中太陽光線的非法線入射造成的集熱器余弦損失，拋物面槽式太陽能集熱器效率為

式中：η為集熱器熱效率；Cf為傳熱流體定壓比熱；ρ為傳熱流體密度；V為傳熱流體體積流量；te為傳熱流體出口溫度；ti為傳熱流體進口溫度；Aa為集熱器采光面積；Gbpe為余弦損失與端部修正后太陽直射輻照度，根據被測拋物面槽式太陽能集熱器的布置和跟蹤方式計算太陽入射角。試驗期間同時測量得到的傳熱流體的集熱器進口溫度ti和出口溫度te與公式（6）中的這2個參量在時間上是不對應的，因此修正這2個參量的對應函數關系為

式中：F[]為跟隨函數；te為傳熱流體的集熱器出口溫度；ti為傳熱流體的集熱器進口溫度；τi為熱流體的集熱器進口溫度測量記錄時間；τp為傳熱流體從集熱器進口到出口的流動時間；τp取決于集熱器的長度和測試期間傳熱流體的平均流速，試驗時通過流量計記錄流體體積流量，需要注意的是，一般在回路入口安裝流量測點，同時為避免集熱器接頭處流體少量泄露造成計量失真，建議在回路出口安裝校核流量計，計算流體真實流量。

2.1 試驗模型工具

試驗模型參數確定的數學工具采用多元線性回歸（MLR）進行計算辨識。線性意味著模型記為前面帶有參數Pn作為乘子的多項集合。

式中：Y為判定系數；x1…x5為乘子；P0…P3為參數集合；各項中的函數F（x），H（x），I（x）可以是高階非線性的，槽式太陽能集熱器熱性能動態測試模型采用基于最小二乘類方法的多元線性回歸（MLR）作為其7個待定系數的辨識方法。

2.2 判定系數

式中：te為傳熱流體的集熱器出口溫度；τ為時間；τs為測試數據采集時間間隔；n為數據組數量；ti為傳熱流體的集熱器進口溫度，數據繪制集熱器熱效率曲線如圖4所示。

圖4 集熱器熱效率

計算得到動態試驗模型的判定系數為0.58～0.96，舍棄判定系數連續2組小于0.85的數據，繪制回歸殘差如圖5所示，殘差相對值波動較小，基本呈現對稱分布，在太陽輻照度發生突變時（此時為云遮），殘差值超出95%置信區間。

圖5 動態模型回歸殘差

3 結論

對于槽式太陽能熱發電集熱系統熱性能研究，圍繞集熱器熱效率指標展開，傳統穩態試驗方法雖然采集物理量較少，但對天氣、操作條件和測試環境等要求極高，動態試驗方法更適用于現場規模化，可實現多工況下的連續試驗，選取合理數據評價系統性能。通過分析效率影響因素，得到性能評價的主要影響指標：風速、環境溫度、導熱流體進口溫度和流量，對各主要影響因素提出了修正方式，應用于動態試驗中修正熱效率曲線，并辨識動態模型，結合多組不同工況下的數據，選取有效值。

本文使用動態試驗方法測試現場槽式集熱系統，分析大量數據后細化試驗細節，降低試驗誤差，為工程應用評價槽式太陽能熱發電集熱系統打下了基礎。