槽式太阳能热发电站镜场设计探讨

卢海勇，冯云岗，蒋 浩，崔 云，程超峰

(上海电力设计院有限公司，上海 200025)

槽式太阳能热发电站镜场设计探讨

卢海勇，冯云岗，蒋 浩，崔 云，程超峰

(上海电力设计院有限公司，上海 200025)

太阳能镜场是槽式太阳能热发电系统的关键系统，是太阳能热电站设计的难点，对太阳能热电站能否稳定、高效运行至关重要。分析了槽形抛物面聚光器的光学性能和热力学性能，在此基础上探讨了槽式太阳能热电站镜场聚光器阵列设计和定位布置设计方法。

太阳能热发电系统；太阳能镜场；槽形抛物面聚光器

目前，槽式太阳能热发电技术被公认为最成熟的太阳能热发电技术[1]，其基本原理在于：通过槽式抛物面聚光器将太阳能转化为工质热能，进而驱动汽轮发电机组发电，槽式太阳能热发电原理图如图1所示。太阳能镜场作为槽式太阳能热发电系统的关键系统，虽然国外已有很多设计和运营经验，但国内对于太阳能镜场的设计还缺乏有关的经验和规范，本文对槽式太阳能热电站镜场设计方法进行初步探索和总结。

图1 槽式太阳能热发电原理图

1 槽形抛物面聚光器的性能分析

1.1 槽形抛物面聚光器的光学性能

聚光器性能要求聚光器在接收和反射太阳能的过程中，存在着损失，包括镜面损失、余弦损失、阴影和阻挡损失、大气衰减损失和溢出损失等。因此，整个镜场的光学效率

ηopt=K(θ)×ρmir×γint×τ×α

(1)

式中ρmir——镜面损失，由于定日镜是暴露在大气条件下工作，灰尘、湿度等环境因素都会使镜面反射率降低，聚光器反射面的镜面反射率通常都比较高，在0.93～0.94左右。γint——光学截取因子，由于镜面光洁度和型线加工精度不高，使得由镜面反射的太阳直射辐射中的一部分不能到达接收管而构成损失，称为光学截取因子。其典型值为0.950。τ——玻璃罩售的透过率，对高真空集热管，若罩管采用低铁白玻璃管，则其透过率τ的典型值为0.93。α——集热管吸收涂层的吸收率α，对陶瓷吸收涂层，其吸收率α的典型值为0.95。黑镍或黑铬涂层的吸收率则稍低。K(θ)——余弦损失修正系数，余弦损失是由于定日镜表面不能总与入射光线保持垂直而引起的损失。余弦损失可以引入入射角修正系数K(θ)，同时考虑对聚光集热器几何末端光学损失作综合修正。

对于集热器LS-3，余弦损失修正系数K(θ)[2]可计算为：

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)

由太阳辐射基础知识可知，太阳辐射入射角θ主要决定于太阳视位置以及槽形抛物面聚光集热器的定位。若为南北向定位，太阳辐射入射角按式(4)计算，若为东西向定位，则按式(5)计算，有

θ=arccos(1-cos2αsin2γ)1/2

(4)

θ=arccos(1-cos2αcos2γ)1/2

(5)

式中α——太阳高度角；γ——太阳方位角。

1.2 槽形抛物面聚光器的热性能

槽式太阳能集热器效率计算较为复杂，与太阳辐照度、聚光器轴向布置、聚光器光学性能、传热介质工作温度、环境空气温度、环境风速、聚光场特性有关，计算很难准确，一般由设备制造商提供效率公式，一般制造商会提供槽式真空管热损系数，图2是德国SCHOTT公司真空管的实测热损失系数HL[3]。

图2 德国SCHOTT公司真空管的实测热损失系数HL

根据槽式真空管热损系数可以计算出集热管的热效率：

(6)

式中DIN——太阳直射辐射；A——单回路聚光器开口面积；l——单回路聚光器长度。

根据上述的分析，槽形抛物面聚光集热器的总效率为：

η=ηoptηth

(7)

2 槽形抛物面聚光器阵列设计

槽形抛物面聚光集热器整列也称集热器场。由若干台槽形抛物面聚光集热器经过并串联组成，确定聚光集热器串联的集热器数量及聚光集热器的并联回路数量是镜场设计的关键。

2.1 聚光集热器串联数量

根据确定的集热器整列工质的额定入口温度、出口温度、聚光器光孔宽度、太阳辐射DIN值和槽形抛物面聚光集热器的总效率计算单回路集热器长度：

(8)

式中ρ——集热器中导热油平均温度；v——集热器中导热油平均流速；Cp——集热器中导热油平均温度的定压比热容； ΔT——集热器进出口温差；W——聚光器光孔宽度。

根据计算的单回路集热器长度，需要验证光照条件好时，集热管的导热油流速过高，导致主油泵选型扬程过高。

单回路集热器串联数量

(9)

2.2 阵列的聚光集热器回路并联数

根据需要太阳能阵列额定输出的热功率Wth和单回路聚光集热器额定输出的热功率ΔWth，求得阵列的聚光集热器回路的并联数为：

(10)

ΔWth=ρ×v×A×Cp×ΔT

Wth可以根据额定装机容量除以汽轮发电机效率、管道效率、换热器效率得到。

全阵列所需要的聚光集热器总数n为：

n=nsnp

(11)

对于带储热系统的，在确定了汽轮机对应聚光场面积后，再计算储热系统对应的镜场面积或回路数，计量储热量时，一般以日DNI作为计算依据，储热系统对应的回路数按图3流程[3]确定。

图3 储热系统对应的回路数计算流程

3 镜场计算实例

已知某地设计点DNI为822W/m2，日DNI为5 175W/m2，多年平均气温4.3℃，考虑带3h储热，汽轮发电机效率38.4%，拟建设50MW槽式发电站，选定春分日为设计点，根据上述计算方法，进行镜场计算，计算结果如表1所示。

表1 镜场计算结果

4 聚光器定位布置设计

槽形抛物面聚光器的定位布置[2]也就是抛物面槽轴线的指向，旋转主轴轴线东西指向为东西向布置，轴线南北指向为南北向布置，理论上可以南北向定位或东西向定位。现代大型槽式太阳能热发电站的槽形抛物面聚光集热器阵列，无论选用哪种定位布置设计，均为水平设置，单轴跟踪太阳视位置。

水平南北向布置，镜面需要配置较精确的单轴跟踪系统；由于跟踪太阳视位置，具有较高的能量收益和集热效率，其能量收益随季节不同在很宽的范围内变化；由于聚光集热器为水平布置，其端部全年有一定的几何光学损失。

水平东西向布置，跟踪装置简单；集热器的能量收益和集热效率较低，但随季节不同变化很小；一天中太阳入射角变化很大，日出和日落太阳入射角为90°，所以早晚几何光学损失较大。

为提高聚光集热器的有用能量收益和集热效率，现代大型槽式热发电站的槽形抛物面聚光集热器都选用水平南北向布置, 单轴跟踪。

5 结论

聚光集热器的效率与镜面损失、光学截取因子、玻璃罩售的透过率、集热管吸收涂层的吸收率和余弦损失修正系数有关。本文论述了聚光器阵列的设计方法，并根据站址光资源条件，对50MW槽式热发电站镜场进行了计算，当储热3h时，集热阵列单回路长度600m，集热场回路数150个。为了有效地提高聚光集热器的有用能量收益和集热效率，现代大型槽式热发电站的槽形抛物面聚光集热器，都选用水平南北向布置。本文只是对槽式太阳能热发电站镜场设计进行初步探索和总结，对后续工程实践中太阳能镜场的设计具有一定的指导意义。

[1]

陈 超，聂志刚，那小桃. 槽式太阳能集热发电系统发展状况. 工程研究——跨学科视野中的工程，2009，1(4)：314-318.

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

[2]刘鉴民. 太阳能热动力发电技术[M].北京：化学工业出版社，2012.

[3]王志峰.太阳能热发电站设计[M].北京：化学工业出版社，2012.

(本文编辑：杨林青)

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

卢海勇(1983)，男，硕士，工程师，从事火力发电、新能源发电和天然气分式供能工作。

TU18

A

2095-1256(2016)06-0754-04

2016-10-15