镜面清洁度对槽式集热场效率影响的研究

内蒙古工业大学能源与动力工程学院 ■ 宋士金 赵明智 张晓明 李亚楠

0 引言

槽式太阳能热发电技术是在聚光类太阳能热发电中技术较成熟的一种热发电方式，国外已于20世纪 90年代初期实现了商业并网发电，而我国尚处于起步阶段，对槽式太阳能热发电的模拟也是如此。

太阳能的能量密度低，必须通过聚光器来得到较高的集热温度。聚光器由反射镜和支架组成，反射镜是核心，反射镜的反射率是其最重要的参数。反射率随着反射镜使用时间的增加而降低，引起这一现象的主要因素有灰尘、废气、粉末等物质；紫外线照射引起的老化及风力和自重等引起的变形或应变等[1]。

对比影响反射率的几个因素，灰尘等对镜面的影响比较容易人为控制，可通过合理的清洗使镜面在较为理想的环境下工作。

为研究灰尘等附着物对镜面反射率的影响，给出镜面清洁度的定义，即在只考虑灰尘等附着物对集热场镜面影响的前提下，集热场获得的热量与所有镜面处于出厂状态下的热量比值，镜面清洁度包含了镜面吸收率、反射率及透过率的影响。研究应用TRNSYS瞬态模拟软件(Transient System Simulation Program)，使用数据库中的气象数据，研究在不同的镜面清洁度情况下集热场效率变化趋势，并提出适宜的镜面清洁度范围，以提高电站的经济效益。

1 集热场理论计算

导热油流量qm由集热器入口处温度Tin和出口处温度Tout及集热管净吸收的热量Qnet计算得出：

式中：Qabs为吸收的热量，W；S为集热场的集热面积，m2；Qpipe为管路损失的热量，W；I为太阳法向直射辐照度，W/m2；ηth为热效率，%。

热效率ηth由下式计算：

式(4)不适用于裸管，式中：A为不考虑末端损失时，吸热管光学效率和选择性吸收涂层的吸收率系数；B、C、D分别为集热单元基于导热油和环境温差ΔT(开尔文)引起的热损失系数；K为入射角修正系数，它是入射角θ的函数[2]：

对于LS-2型聚光集热器(即鲁兹公司研制开发的第二代槽式太阳能聚光集热器)，热性能系数A、B、C、D取值见表1[2]。其中，系数A包含了镜面清洁度对热效率的影响。

表1 LS-2型集管热性能系数

2 模拟参数设置

该研究应用TRNSYS瞬态模拟软件，即瞬时系统模拟程序进行模拟。该软件最大的特色在于其模块化的分析方式[3]。

集热场参数设置见表2。

表2 集热场参数设置

3 部件连接

气象输入模块、集热场模块及显示器模块的前后连接[5]关系见表3。

在软件控制选项卡中设置模拟起止时间分别为0 h和8760 h，时间步长为1 h，进行模拟。

4 模拟结果及验证

表3 部件连接

表2中集热场的镜面清洁度数值一项为变量，清洁度低于0.60时，集热场效率低于10%，无研究意义。本文取值分别为0.60、0.625、0.63、0.65、0.70、0.75、0.80、0.85、0.90、0.95和1.00。模拟9月份系统在不同镜面清洁度下集热场效率变化曲线，并选取9月6日的数据分析。

由图1可知，从9月份整体看，镜面清洁度大小对效率影响很大，镜面清洁度在0.60～0.70之间，集热场效率都很低；在0.70以上时，9月份的效率有明显提高。在9月6日，镜面清洁度从0.60～1.00，有热效率的时段为6 h，最高时间都出现在约15：00时，而且热效率呈先增后降的趋势。9月6日系统在对应镜面清洁度下的最高热效率曲线如图2所示。

由图2可知，集热场的最高热效率与镜面清洁度之间近似呈线性关系。为了研究它们之间是否存在线性关系，现做如下研究。

图1 集热场在不同镜面清洁度下的热效

图2 不同镜面清洁度下一天内系统最大效率

设镜面清洁度用变量x表示，最高集热效率用y表示，并假设直线方程的表达式为：

最终计算得到：a=-40.09，b=76.56。

因此，拟合直线方程为：

计算得到x、y之间相关系数r=0.988，r数值非常接近于1，则x、y之间线性关系非常好，本拟合直线成立。

5 结论与展望

由以上研究表明：当镜面清洁度在0.60～0.70时，镜面集热效果不佳，太阳能利用率极低，仅为10%左右，镜场需要清洗；即使在0.70～0.80之间时，集热场热效率也在20%以下，太阳能利用率低。当镜面清洁度在0.80～1.00之间时，集热场热效率达到21%以上，并且热效率随着镜面清洁度的增加可近似认为是线性增长，其线性函数为：y=-40.09+76.56x，0≤x≤1。当镜面清洁度在0.95时，集热效率达到33.2%；低于0.95时，镜场热效率低于30%，而镜场热效率过低会造成电站后端发电量低，影响电站总效率。因此，从集热场热效率角度来讲，镜面清洁度在0.95～1.00之间为宜，不宜低于0.80，一旦低于0.80时要及时清洗，提高镜面清洁度，以提高集热场的集热效率。

本研究仅局限于软件模拟，还有待进行实验验证，以确定精确的镜面清洁度范围使系统的集热效率保持在较好的状态。另外，还有待确定镜面污染物的主要成分，比如粉尘、凝结固体烟雾等。

[1] Stoddard L， Abiecunas J， O'Connell R. Economic Energy and Environmental Benefits of Concentrating Solar Power in California[R]. Kansas： National Renewable Energy Laboratory， 2006.

[2] Frank Lippke. Simulation of the part-load behavior of a 30MWe SEGS plant[R]. Prepared for Sandia National Laboratories，Albuquerque，NM， SAND 95-1293， 1995.

[3] 韩延民， 代彦军， 王如竹. 基于TRNSYS的太阳能集热系统能量转化分析与优化[J]. 工程热物理学报， 2006， (S1)： 59－62.

[4] 熊亚选，吴玉庭，马重芳，等. 槽式太阳能聚光集热器热性能数值研究[J]. 工程热物理学报，2010， (3)： 139－142.

[5] Blair Stuetzle T. Automatic control of a 30 MWe SEGSVI parabolic trough plant[R]. Solar Energy Laboratory University of Wisconsin-Madison，2002.