双级聚光集热的槽式太阳能热发电系统研究

摘要：为了提高槽式光热发电系统的性能，通过高、低聚光比镜场的耦合布置，辅以两种传热介质的搭配，建立了双级聚光集热的槽式太阳能热发电系统模型，与传统槽式光热发电系统展开对比，得到了双级系统集热、换热性能提升的机理和系统关键过程损失减小的原因。对双级系统进行能量分析和分析，展示了双级系统中的能量和流动情况，揭示了在镜场侧和动力侧的各项能量和损失的分布规律。结果表明：双级聚光集热系统中镜场的耦合布置有效地提高了系统的集热性能，两种传热介质的协同搭配改善了系统的换热性能。损失分布方面，光学损失仍是导致系统集热损失的重要因素，同时光热转化过程的不可逆损失在损失中占比较大，具有较大的提升潜力。双级系统的热效率可达到27.35%，效率达到28.84%，相较于传统单聚光比、单介质的槽式太阳能热发电系统，热效率和效率均可提升0.9%～1.5%，相同发电量下可节省镜场面积4%～6%。研究为槽式太阳能热发电系统提出了改进策略，为进一步优化研究提供了一定的理论依据。

关键词：槽式太阳能热发电；聚光比；传热介质；热效率；损失

中图分类号：TK51 文献标志码：A

DOI：10.7652/xjtuxb202502004 文章编号：0253-987X（2025）02-0032-09

An Investigation into Parabolic Trough Solar Thermal Power Generation System with Double-Stage Concentrated Heat Collection

GAI Zhongrui1，2， ZHAO Kai 3， YANG Tianlong 1，2， RAO Qiong 2，4，

PAN Ying2，5， JIN Hongguang2，5

（1. State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering， Xi’an Jiaotong University， Xi’an 710049， China;

2. Institute of Engineering Thermophysics， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190， China;

3. School of Mechanical and Power Engineering， Zhengzhou University， Zhengzhou 450001， China;

4. University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China; 5. Key Laboratory of

Long-Duration and Large-Scale Energy Storage， Chinese Academy of Sciences， Beijing 100190， China）

Abstract：To improve the performance of parabolic trough solar thermal power generation systems， a parabolic trough solar thermal power generation system model with double-stage concentrated heat collection （the double-stage system） was developed by coupling mirror fields with both high and low concentration ratios and combining two types of heat transfer fluids. The system was benchmarked against typical solar thermal power generation systems to explore the mechanisms for the improved heat collection and transfer performance， as well as the reasons for reduced exergy losses in critical processes of the double-stage system. Meanwhile， detailed energy and exergy analyses were conducted on the double-stage system， revealing the energy and exergy flow in the double-stage system and the distribution patterns of energy and exergy losses on both the mirror field section and the power generation section. The results show that coupling mirror fields effectively improved heat collection performance， while combining two types of heat transfer fluids improved the heat transfer process. As for the distribution of losses， the optical loss was still a significant factor contributing to heat collection losses in the system， and a large proportion of exergy losses stemmed from the solar-to-heat conversion process， highlighting a significant potential for improvement. The double-stage system could reach a thermal efficiency of 27.35% and an exergy efficiency of 28.84%， with increases of 0.9%—1.5% in both thermal and exergy efficiency over traditional systems using a single concentration ratio and sole heat transfer fluid. Moreover， the double-stage approach reduced the mirror field area by 4%—6% at the same power output. This study proposes an improved strategy for parabolic trough solar thermal power generation systems， providing a theoretical basis for further research and optimization.

Keywords：parabolic trough solar thermal power generation; concentration ratios; heat transfer fluid; thermal efficiency; exergy loss

为了助力实现“2030碳达峰，2060碳中和”的双碳目标，提升以太阳能为代表的可再生能源在能源利用中的占比至关重要［1］。目前，太阳能发电主要包括太阳能光伏发电和太阳能热发电两种途径。相比于光伏发电，太阳能热发电更适合与传统发电方式结合，更有利于构建大规模的联合循环发电系统［2］，其产生的交流电与电网的融合性更好，并且可以与储能技术相结合，保证发电的稳定性［3］。

太阳能热发电技术已经在世界范围内得到了广泛的关注［4］。现有的太阳能热发电技术主要包括槽式、碟式、塔式和菲涅尔式4种［5-6］。其中，槽式太阳能热发电技术是现今最成熟、成本最低的大规模太阳能光热发电技术，已经在全球范围内广泛应用，其容量从几千瓦到几百兆瓦不等，全球超过80%的太阳能光热电站采用槽式集热技术［7］。槽式太阳能热发电的原理是利用槽式聚光镜将太阳光聚集在焦线位置的集热管上，然后通过传热过程，将集热管吸收的太阳能转换为工质的热能，最终利用蒸汽动力循环进行发电［8］。

近年来，槽式光热电站的装机容量显著提升，但相比于塔式、碟式光热发电技术相比，槽式太阳能热发电的聚光比和集热温度相对较低，整体发电效率有待提高［9］。Zhao等［10］提出了一种在回路中分级布置不同聚光比集热器的策略，相较于单聚光比集热，通过组合4种不同聚光比的集热器，光学效率可提升6.7%，集热效率可提升4.5%。Liu等［11］提出了一种带有内管的槽式太阳能集热器，在内、外管中分别采用导热油和水作为传热介质，相比传统集热器，集热效率可提升0.61%～7.67%。Zhang等［12］将槽式集热和碟式集热相结合进行双级集热发电，与参比系统相比，在辐照强度大于550W/m2的条件下，系统效率可提升0.5%～2.5%。目前，相关研究人员提出了一些能量梯级收集和利用的策略［13-14］，但关注点主要集中于集热器层面的优化，集热器层面的优化需要与发电侧进行合适的匹配才能发挥其集热效率提升所带来的优势。考虑到发电侧工质加热过程中沿程的温度差异，基于不同的温度区间，对集热侧进行分段考虑，为各段分别设计布置方案，这是能够充分利用集热器层面优化作用的有效策略。

本文基于温度对口和梯级利用的原则，设计了双级聚光集热的太阳能集热策略，搭建了双级聚光集热的槽式太阳能热发电系统模型，并与参比系统进行对比研究，探析了双级系统集热性能和换热性能提升的机理，分析了系统关键过程损失减小的原因。同时，对双级系统开展了能量分析和分析，研究了镜场侧和动力侧的能量和流动及各项损失分布。

1 系统模型及参数设定

1.1 模型简介

本研究搭建了双级聚光集热的太阳能热发电系统（简称双级系统），双级系统的示意图如图1所示。集热侧采用的策略为双级聚光集热，即基于集热管沿程的温度区间差异，将集热镜场划分为两部分：在给水的预热、蒸发段布置低聚光比镜场，回路搭配导热油作为传热介质；在蒸汽的过热、再热段布置高聚光比镜场，回路搭配熔盐作为传热介质。

关于镜场中槽式集热器的聚光比，其调整策略主要有两种：一种是调整镜场集热器抛物槽的开口宽度；另一种是调整集热器接收管的管径，其中第一种策略较为典型。本文对高/低聚光比镜场的布置是通过改变集热器抛物槽的开口宽度来实现的。

在动力侧，系统通过朗肯循环进行发电。给水依次通过预热器、蒸发器，与导热油进行热交换后，从过冷水被加热至饱和水和饱和蒸汽；随后，饱和蒸汽经过过热器，与熔盐进行换热，被加热至过热蒸汽，并进入汽轮机高压缸做功发电；高压缸排汽通过再热器与熔盐换热后，进入汽轮机中低压缸继续做功发电。系统还包括多段抽汽，作用于高压加热器、除氧器和低压加热器。

1.2 模型搭建

在模型搭建过程中，为了简化系统的数学模型，本文做出了如下假设：连接管道中沿程的散热损失和压力损失忽略不计；系统处于稳态运行。基于以上假设，根据质量守恒、能量守恒，可以对系统各部分建立数学模型。

系统输入的太阳辐射能Qs为

Qs=IbA（1）

式中：Ib为太阳直射辐照强度，本研究设计工况时间取夏至日，设计点太阳辐照强度取800W·m－2；A为镜场面积，m2。

输入的太阳能辐射能大部分被集热器接收，小部分由于光学、散热等因素产生损失，集热器接收到的太阳辐射能为

Qa=Qsηo（2）

式中：ηo为集热器的光学效率。

集热器的光学效率ηo计算式［15-16］为

ηo=ργτακφm（3）

式中：ρ为镜面反射率，取0.935；γ为截断因子，受到聚光比C的影响，随着C的增加而减小［17］；τ为玻璃套管透射率，取0.96；α为集热管吸收率，取0.96；κ为入射角修正系数；φm为其他损失系数［18］。

在本研究中，集热器的散热损失计算式［19］为

Ql=0.141Ta+6.48×10－9T2a（4）

式中：Ql为集热器单位长度的散热损失，W/m；Ta为集热管的平均温度，℃。

流过单位长度集热器的传热介质吸收的热量为

Qu=Qa－Ql=m（ho－hi）（5）

式中：m为传热介质的质量流量，kg/s；hi、ho分别为单位质量传热介质的进、出口焓值，J/kg。

动力侧汽轮机的净做功量为

We=Wh+Wl－Wp（6）

式中：Wh为汽轮机高压缸的做功量；Wl为汽轮机中低压缸的做功量；Wp为系统中所有泵的耗功量。

太阳能转换为传热介质所携带热能的效率，即光-热转换能量效率［20］为

ηnh=QuQs（7）

传热介质携带的热能转换为电能的效率即热-电转换能量效率为

ηne=WeQu（8）

系统太阳能到电能的总能量（热）效率为

ηn=ηnhηne（9）

关于太阳辐射的计算方法有很多，本文采用Petela算法［21］，输入的太阳能辐射为

Es=Qs1－43T0Ts+13T0Ts4（10）

式中：T0为环境温度，K；Ts为太阳表面温度，取值5770K。

流过集热器的传热介质吸收的量［15］为

Eu=Qu1－T0Ta（11）

太阳辐射的转换为传热介质携带的热的效率即光-热转换效率为

ηxh=EuEs（12）

传热介质携带的热转换为电能的效率即热-电转换效率为

ηxe=WeEu（13）

系统的太阳能到电能的总效率为

ηx=ηxhηxe（14）

1.3 模型参数设定

双级系统的集热侧采用两种典型的商用集热器模型，低聚光比镜场侧集热器的抛物槽开口宽度Wa1为3.5m，聚光比C1为50；高聚光比镜场集热器的抛物槽开口宽度Wa2为5.76m，聚光比C2为82［22-23］，系统总镜场面积为156860m2；基于文献［17，24］，表1给出了双级系统镜场的其他布置参数。

本系统参考了30MW的槽式太阳能电站［20］和50MW的塔式电站［25］在动力侧的模型结构及参数，采用Aspen plus软件，搭建了系统动力侧的模型，并进行了模拟，动力子系统关键节点的参数如表2所示。考虑抽汽，高压缸各级的等熵效率ηh1=0.84、ηh2=0.85，低压缸各级的等熵效率ηl1=0.86、ηl2=0.92、ηl3=0.94、ηl4=0.88、ηl5=0.64，汽轮机机械效率ηm=0.99，泵效率ηp=0.70。

1.4 参比系统

本研究采用两类传统的槽式热发电系统作为参比系统，如图2所示。参比系统A仅采用低聚光比镜场，导热油为传热介质［26］；参比系统B仅采用高聚光比镜场，熔盐为传热介质［27］。双级系统与参比系统其他关键参数的对比如表3所示。

2 结果与讨论

2.1 双级聚光集热系统的性能提升

基于不同聚光比的集热器，本文给出了传热介质平均温度Th与集热效率ηn之间的关系，如图3所示，可知不同聚光比的集热器在不同传热介质温度下集热效率有明显差异，低聚光比的集热器在低温段的集热性能更优秀，而高聚光比的集热器在高温段具有较好的集热性能。

相比于只采用单一聚光比镜场的系统，双级聚光集热系统在多个温度段均获得较优的集热效率。双级聚光集热系统在低温段传热介质的平均温度为343℃，此时采用低聚光比的集热器具有更高的集热效率，比高聚光比的集热器高出Δη1=3.2%；在高温段传热介质的平均温度为459℃，此时采用高聚光比的集热器具有更高的集热效率，比低聚光比的集热器高出Δη2=2.1%。相比于参比系统A、B，高、低聚光比镜场的组合布置优化了镜场总的集热效率，提高了系统集热性能。

图4为采用双级系统和参比系统A、B换热过程中温度与热量的关系。由于水蒸发存在相变，其换热过程曲线为折线，增大了换热温差，这是影响系统换热性能的重要因素。单独采用导热油作为传热介质，即参比系统A，虽然导热油在低温段的流动换热系数高，与给水的换热效果好，但工作温度受限，不宜高于400℃，导致主蒸汽/再热蒸汽参数较低，蒸汽初温通常只能达到370℃。而单独采用熔盐作为传热介质，即参比系统B，虽然熔盐的工作温度区间宽，主蒸汽/再热蒸汽参数显著提高，蒸汽初温可达540℃，但流动换热系数低于导热油，传热介质与水、蒸汽之间的换热温差较大，导致换热性能相对较差［28］。

在双级系统相互独立的导热油和熔盐回路中，系统有效利用了两种传热介质的换热特性，在低温段采用换热系数较高的导热油，在高温段采用熔融盐拓宽换热介质的工作温度区间，并对两个的回路分别采用不同的流量调节策略，通过增加低温段的导热油流量，降低高温段的熔盐流量，使得这两部分换热温差显著减小，最大换热温差可缩减至80℃，远小于参比系统B的176℃；同样地，在再热段将最大换热温差缩减至20℃，小于参比系统A的最大换热温差85℃。与参比系统A、B相比，两种传热介质的耦合有效地缩减了换热温差，提高了双级系统的换热性能。

本文通过能量利用图（EUD）方法展示了双级系统和参比系统在光热转化和工质换热过程中损失的内部分布，用于进一步揭示系统集热和换热性能的提升机理［29］，图5为光热转化过程的EUD图。

双级系统的能量释放侧的品位是A1，能量接收侧的品位是A2，光热转化过程的损失为El；参比系统A的能量释放侧的品位是Ar1，能量接收侧的品位是Ar2，光热转化过程的损失为Er1。在高聚光比镜场侧，参比系统A接收侧的平均品位为0.53，而双级系统将接收侧的平均品位提升至0.59，这是双级系统在光-热转化过程中损失减少，效率提升的关键。

图6为工质换热过程的EUD图。双级系统的能量释放侧的品位是A3，能量接收侧的品位是A4，工质换热过程的损失为E2；参比系统B的能量释放侧的品位是Ar3，能量接收侧的品位是Ar4，工质换热过程的损失为Er2。在预热、蒸发和过热阶段，参比系统B释放侧的平均品位为0.57，而双级系统释放侧的平均品位0.53更低，这使得双级系统在动力侧损失减少，对热-电转化的效率提升起到增益作用。

2.2 双级聚光集热系统的能量分析

为了清晰展示双级聚光集热系统的原理，本研究通过桑基图描述了系统各部分的能量流动，如图7所示，具体的数值如表4所示。

从图7、表4可以看出，系统的总能量损失为92166.2kW，其中镜场侧的能量损失主要源于高、低聚光比镜场的光学损失14384.5、17608.6kW，分别占总能量输入的11.3%、13.9%；动力侧的能量损失主要源于冷凝器的冷却损失52146.4kW，水蒸气的冷凝会伴随大量的潜热损失，这导致了较大的能量损失，占总能量输入的39.5%。

在镜场侧，低聚光比镜场的集热效率为72.7%，高聚光镜场效率为65.6%，组合优化后的镜场总光-热转化能量效率为69.9%；在动力侧，耦合两种传热介质进行换热，换热损失较小，占比仅为1.4%；使热-电转化的能量效率达到了39.2%，系统的总能量效率为27.3%。

2.3 双级聚光集热系统的分析

为了阐明双级聚光集热系统的各部分不可逆损失，本研究通过桑基图展示了系统各部分的流，如图8所示，具体的数值如表5所示。从图8、表5可以看出，系统的总损失为85445.6kW，其中镜场侧损失主要由高聚光比镜场光学损失13622.2kW、低聚光比镜场光学损失16675.3kW、 高聚光比侧光热转化损失13312.6kW、低聚光比侧光热转化损失24660.0kW这几项组成，分别占总量输入的11.3%、13.9%、11.1%和20.2%。光热转化损失较大，主要原因是太阳直接辐射能量释放侧与传热介质接收侧能量品位差很大，其中高聚光比镜场的光热转化损失占其输入量的27.4%，低聚光比镜场由于处于低温段，光热转化损失占比更大，占该镜场输入量的33.9%。动力侧的损失12765.0kW主要由换热器损失、冷凝器损失和汽轮机损失组成，分别占总量输入的3.0%、2.3%、和4.5%，均相对较小。在镜场侧，高/低聚光比镜场的光热转化效率相差不大，组合优化后镜场总的光-热转化效率为40.5%；在动力侧，系统热-电转化的效率为71.2%；系统总的量效率为28.84%。

2.4 双级系统与参比系统的能量效率和效率对比

根据本文建立的双级系统和参比系统A、B的模型，对3种系统能量效率和效率进行了对比分析，具体的数值如表6所示。由表6可以看出，在设计点工况下，参比系统A、B的能量效率分别为25.90%、26.36%，而双级系统具有最高的能量效率，约27.35%。对于采用低聚光比镜场的参比系统A，虽然其集热效率最高，但是由于其动力侧参数低，导致了热-电转化效率也较低。参比系统B虽然维持了较高的热-电转化效率，但由于其采用高聚光比镜场，集热效率低，影响了总体的热效率。相比于这两种参比系统，双级系统在保证高热-电转化效率的基础上，通过高、低聚光比镜场的组合布置，优化了集热效率，系统热效率提升了0.9%～1.5%。

在设计点工况下，参比系统A、B的效率分别为27.42%、27.94%，双级系统的效率最高，约28.84%。参比系统A由于其光热转化过程的不可逆损失大，导致了光-热转化效率偏低；参比系统B受到了换热损失的影响，其热-电转化效率较低。相比于这两种参比系统，双级系统效率提升了0.9%～1.5%。

双级系统在镜场、传热介质方面的优化有效地减少了所需镜场面积，相同发电量下，参比系统A、B所需镜场面积分别为166305、163300m2，而双级系统所需镜场面积为156860m2，节省了4%～6%的镜场面积，有效降低了镜场成本。

3 结 论

（1） 通过高、低聚光比镜场的耦合布置和传热介质的搭配，双级聚光集热的太阳能热发电系统的热效率为27.35%，效率为28.84%，相比于两种典型的参比系统，热效率和效率均提升了0.9%～1.5%，相同发电量下，可节约4%～6%的镜场面积。

（2） 在双级系统镜场侧，能量损失占总能量输入的30.1%，主要源于两类镜场的光学损失，散热损失占比小，损失占总输入的59.4%，除光学损失外，光热转化过程产生的不可逆损失较大，具有较大改善空间。在双级系统的动力侧，能量损失占总能量输入的41.6%，主要源于冷凝器的冷却损失；损失占总输入的10.6%，各项不可逆损失均较小。

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（编辑 赵炜）