槽式光热电站效率提升分析

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　　摘  要：文章阐述了通过槽式集热镜场的结构微调和策略优化，来提升整个槽式光热电站效率的系统性方法。通过对集热器的面型、反射镜清洁度评估、余弦效应的消除，综合提升集热器的集热效率，从真空集热管的集热原理出发，对集热管的破坏状态和系统影响系数进行有效评估，制订槽式集热场的检修策略，更加优化人力资源和设备资源，从而优化整个槽式光热电站的经济性。
　　关键词：太阳能;效率;集热场;热损失;余弦效应;流量平衡
　　中图分类号：TM615        文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）06-0141-04
　　Abstract： This paper describes a systematic method which is adopted to improve the efficiency of the whole trough photothermal power station through the structural fine-tuning and strategic optimization of the trough-type heat collector field. Through the elimination of surface shape of the collector， the cleanliness evaluation of the mirror and the cosine effect， it is intended to comprehensively improve the heat collection efficiency of the collector， and， based on the heat collection principle of the vacuum collector tube， it is supposed to effectively evaluate the failure state and system influence coefficient of the heat collector tube， formulate the maintenance strategy of the trough heat collector field， and optimize the human resources and equipment resources， so as to optimize the economy of the whole trough photothermal power station.
　　Keywords： solar energy; efficiency; heat collection field; heat loss; cosine effect; flow balance
　　1 概述
　　随着世界经济的高速发展，煤炭、石油、天然气等一次性传统能源迅速消耗。世界各国对可再生能源的开发利用均提出了明确的目标，制定了支持可再生能源发展的各种法规和政策，积极鼓励用清洁能源替代高含碳量的矿物燃料，把开发利用新能源和可再生能源作为一个优先选择的替代方案，从而使包括太阳能、生物质能、风能、水能等在内的可再生能源技术水平不断提高，产业规模在全球范围内逐渐扩大。从确保能源安全，促进可持续发展的角度而言，太阳能将是未来人类主要的能源资源之一，是解决人类目前所面临的能源危机和环境问题的有效方案。太阳能发电包括太阳能光伏发电和太阳能热发电两种形式，我国太阳能光热事业起步相对较晚，随着某项目50MW光热发电示范项目的成功投运以及其余纳入第一批光热示范项目的陆续建成投运，我国光热发展将开启可再生能源发展的新纪元。本文结合某项目50MW光热电站现场实际运行情况，针对光热电站效率提升中遇到的技术瓶颈提出改进意见，确保在后期的光热电站设计、安装、调试和运维过程中提高槽式光热电站的效率和降低运维成本。
　　2 提高太阳能收集效率
　　槽式光热电站使用大面積的抛物线槽式集热器组件收集太阳热，通过介质传递产生过热蒸汽来驱动汽轮发电机组旋转发电。一个典型的槽式光热发电系统原理图如图1所示。
　　一个50MW槽式光热发电站大约有760组SCA，每组SCA通过反射镜将太阳光束聚集到一条直线上，从而将能量汇集到集热管上而收集太阳直接辐射能。其中反射镜是关键光学部件，为抛物线型镜面，通常采用低铁玻璃，背面镀银。由于其较低的铁含量，该种玻璃具有很好的太阳光辐射透过性。集热管（也称之为集热元件），位于反射镜面的焦线位置，为直通真空管式结构。SCA可独立从日出到日落跟踪太阳，每个集热器在日间跟踪太阳光时均会绕其旋转轴旋转，旋转过程由两个液压缸（或其他形式）驱动两个连接在扭矩传送装置的悬杆臂来实现。每个SCA集热效率是整个光热电站发电量的决定性因素，针对集热场集热效率需在以下方面进行改进：
　　2.1 降低集热管热损失
　　集热器收集到的热量，一部分经集热管表面，以辐射和对流等方式散发到外界中;另一部分经集热场导热油主管道，以对流为主的方式散发到外界中去。对于集热管表面的散热，由于集热管为玻璃-金属封装结构，内部抽真空。因此，在集热管正常运行时，由于管内温度一般在300～400℃之间，对外散热以辐射散热为主，环境温度的变化对于散热的影响并不大。风速方面，由于风速加大，导致集热管外表面玻璃罩对流换热性能提升，会在一定程度上增大散热量。
　　为了将太阳能场中的热损失降到最低，使光热电站的发电效率达到最大，理想情况下，集热管玻璃环内应保证足够的真空。但是，集热管可能由于环隙或泄漏而失去真空。同时，可能由于安装过程中集热管对齐不良、安装精度不足，运维过程中操作不当或其他组件的物理干扰而破裂。 　　经过对正常集热管、失去真空集热管、玻璃外壳破损集热管进行对比分析，结果证实保持真空是非常重要的，但玻璃外壳破损集热管的散热损失是失去真空集热管的20倍，特别是在刮风天气，热量损失将急剧增加。通过经济分析，并确定玻璃外壳的破损是光热电站热量损失的最重要原因之一。但是，更换所有玻璃外壳破损集热管成本极高，从检修的角度来看，只有在同一回路玻璃外壳破損的集热管超过4个以上，更换从经济上分析是较合理的。因此，对于一个回路破损较少的集热管，应与厂家联系制作若干分体式玻璃套管，进行原位修复，待回路破损集热器较多需彻底更换时取下分体式玻璃套管，进行重复利用。
　　除了保持良好的真空之外，另一种减少热损失的方法是降低在集热管上的反射度。对于此问题集热管制造厂家也进行了充分考虑，在玻璃罩壳上涂有能够大大降低反射度的涂层。我国光热电站多处于风沙较大区域，如何保证集热管玻璃罩壳清洁也是将来急需解决的问题。
　　2.2 提高反射镜反射率
　　反射镜的清洁度直接影响集热场的集热效率，因此如何高效率的对全镜场进行清洗至关重要。目前通过便携式反射率测试仪来定期测算镜面反射率，以便对清洗频率做出最合理的方案。清洗还需根据镜面所处位置（例如：接近高污染地区如道路或冷却塔）和每年的时间。清洗工作通常采用专用清洗车进行，可有效地清洗正常污染下的镜子。然而，冷却塔附近的镜污率特别高，因为冷却塔排放的水汽，为了清洁这些镜子，可能使用酸性凝胶，随后用除盐水进行高压喷洗。虽然该方法在恢复反射方面是有效的，但成本较高。另外，我国槽式光热电站所处的地理位置决定冬季严寒，正常的高压水清洗车喷出水雾后立刻结冻，镜面清洗效果极差，针对这种情况，应加快超声波清洗车的研制，有效解决冬季镜面无法清洗的现状。
　　2.3 改进波束拦截
　　集热场的性能受到镜面将反射的太阳能光束聚焦在集热管上的能力影响。准确的聚焦需要镜面极高的安装精度，跟踪系统、钢结构和集热管的安装也需要较高的安装精度，安装后由于正常运动和预期结构力的影响，集热部件的对准能力可能随着时间的推移而恶化（例如重力、风和地质变化的影响）。
　　所有对拦截率必须定期进行测量，对拦截率下降较多的集热器进行专项分析，并重新调整钢架结构的扭矩管部分，此项工作应作为运维新实施的校准程序。为解决跟踪系统精度问题，可以通过安装配重器和变速箱制动器，以及纠正传输时间和太阳传感器的对准。
　　2.4 改变运行方式
　　由于集热场循环所需的动力来自集热场循环泵，其消耗的电力约占总发电量的4%左右，因此，集热场运行有一个必须的条件，即法向辐照度DNI必须大于一定的值，至少应当可以抵消散热量，做到收支相抵。一般来说，DNI应大于200-250W/m2。
　　另外，受到蒸汽发生系统、储热系统容量的限制，集热器环路内的流量有一定的限制，一般不超过12kg/s，相当于2.8MW的集热量。超过这一热量，往往会考虑部分集热器停止运行的措施。
　　3 提高光热电站硬件可靠性
　　太阳能通过集热场收集热量，通过介质传递于蒸汽发生器，进而通过蒸汽发电机组完成能量转换。在此之间，在传热介质中的几个部件中，存在着严重的可靠性问题。这些问题将导致光热电站被迫停止生产，而且由于发生次数频繁，大大降低了光热电站实际运行效率。
　　（1）传热介质循环泵是故障率较高的设备之一，其循环泵的密封问题是较其难解决的问题，如泵与机封系统的选型匹配不良，将在后期运行中严重影响循环泵的可靠性。
　　（2）SCA之间的旋转连接最早采用柔性软管来完成，可是柔性软管的可靠性微乎其微，高温超导薄膜泄漏和火灾导致灾难性的事故发生。因此，又出现了另一种形式，旋转接头连接，一个50MW槽式光热电站，大约760组SCA依靠球形旋转接头进行独立旋转。有专业的团队对旋转接头进行压力测试，压力损失测试结果表明，旋转连接的压力损失在8个循环内比柔性软管减少了45%。而且注意到接头上可能出现少量蒸汽排放，不会发生灾难性的故障。通过人工填充石墨粉等工艺，可以很容易地进行修复。这些测试使人们对旋转接头的使用有了很高的信心，目前国外此项技术已经相当成熟，在后期的槽式光热项目中，希望有更多地国产旋转接头出现。
　　（3）为了使电站以最大的效率运转，集控室操作人员和专业工程师需要对通过太阳能场的导热油流量有一个准确的了解，所以可靠性流量计就显得尤为重要了。选择仪表必须易于维护，以使维护成本降到最低。目前正常使用的流量计受到水分、油温变化影响较大，经常出现虚假流量，同时维护成本极大。有人对基于旋涡脱落和声学测量方法的新流量计进行了广泛的测试，并与以前的一组基线仪表进行了比较。涡旋法比基线法和声学法更准确，是首选方法。然而，从可维护性的角度来看，声波计是最好的选择，因为它安装简易，而且很容易保证测量的精确性，因此光热电站新型声波流量计因最为首选流量计。
　　4 制定最优运行策略
　　如何在不断变化的天气条件和设备状态下制定最佳地光热电站运行策略是一个具有挑战性的问题。在此我们将着重提出目前我国光热电站制定运行策略所受到的制约因素和解决方案。帮助运维人员决定如何最优的操作以实现最大的机组出力。
　　4.1 气象预测系统
　　精确的气象预测系统对运行操作和检修维护都有很大的价值。在设备检修方面，几天的气象警告可使临时检修计划得以进行。恶劣的气象条件会限制光热电站生产，但可合理安排人员休息，或者当条件良好时，可以提前终止检修工作。另外，在得到精确气象预测的前提下，人员可以很好规划导热辅助补燃系统的投入，从而规避短暂恶劣气象条件对发电量的影响。
　　目前我国光热电站一直依靠肉眼“仰望天空”的观测和政府的天气预报来做出天气决策。对于天气预报与网络较发达的时代，此方法就显得较为落后了。考虑到成本，光热电站应与当地气象保持高度联系，可适当予以经济补偿，最终得到来自当地气象中心以及互联网的天气预报。虽然这些服务不能预测日照水平，但运营商可以查看特定区域的云图，更精确地得到目前的天气状况，以及短期和长期的气象预测，这一措施对光热电站效益最大化必将是有用的。 　　4.2 大风运行策略
　　在风速较高的时候，集热场的运行变得很有挑战性，反射镜可能被风力破坏，随后引发集热管破裂。为了保护电站安全，通常都设置有大风保护，当风速超过规定值时，所有的反光镜将旋转到安全的位置。但对于大风保护的合理性应提出质疑，是否瞬时风速达到规定值所有集熱场就应该回保护位，在大风时是否需要将所有集热器均收回保护位。我国光热电站受地域影响，都处于阵风或沙尘天气较多地区，如何减小大风、阵风造成的能量损失提出了更高要求，因此制定一个最优的大风运行策略是非常有必要的。
　　制定优化大风作业策略的关键是掌握集热器的实际风荷载，需要在不同的风速下利用专业工具进行实地测量。在风速较低时，可考虑电站四周集热器动作至保护位，有效减少中间集热器所受风载荷，中间集热器在受风载荷未达到规定值时可继续集热。在风速较大但未达到最大值时，集热器可选择性进行回路保护动作，最大限度地增加大风天气下集热场的集热能力。
　　另一种改善大风天气下集热场性能的方法是减少保护位（储存位）集热器的导热油流量，减少将储存位集热器的大量冷导热油与跟踪太阳集热器的热导热油混在一起。在目前国内槽式光热电站设计中，这一方法无法实现。但随着国内光热行业的发展，大量远程控制的电动阀门安装在集热场中，这一设想是可以实现的。
　　4.3 机组运行方式建模
　　考虑槽式光热电站机组运行方式的复杂性，根据设计、地理位置不同，每个槽式光热电站的运行方式在6-9种模式，如何利用现场实时实际日照和气象条件、设备运行工况，电网等数据和指令，根据模型预测电站的电性能和热性能。分析最优运行方式，以便自动控制系统或操作人员能够及时调整机组运行方式，从而纠正运行措施，提高整个电站的经济性。
　　5 流量平衡与余弦效应的消除
　　对于槽式集热器，其集热管运行过程中收集到的太阳辐照热量为Q0：
　　式中，I为直射辐射强度，W/m2;θ为入射角度;fθ为入射角修正系数;fe为槽式集热器末端损失;fs为槽式集热器阵列阴影损失;ηe为槽式集热管光学效率;ηf为集热场反射镜面光学效率;ηSF，avail为集热场中可用的集热管占总集热管的份额。分别简要介绍如下：
　　直射辐射：太阳照射到地面上的辐射分为直射辐射（DNI）和散射辐射（GHI）两部分，二者之和构成了水平面总辐射强度（GHI）。
　　式中，水平面总辐射强度为EGHI，W/m2;散射辐射为EDHI，W/m2。如公式（2）所示，直射辐射与入射角的乘积，再加上散射辐射的总和，才是水平面总辐射。
　　余弦效应：太阳直射辐射与落到反射镜腔体开口面积上的辐照需要考虑余弦效应的影响。其计算方法为：
　　式中，θz为太阳高度角度;δ为太阳赤纬角度;ω为太阳时角度。
　　从光学原理出发，槽式太阳能集热器以南北水平式放置，每天自东向西随太阳高度角的变化而跟踪太阳，而忽略太阳方位的变化，也就是余弦效应的存在。余弦效应的存在导致集热器接受的辐射能量减少，高纬度、高海拔地区尤为严重，损失的能力越多。曾有人提出，集热器的运行由一维运行轨迹改造成二维运行轨迹，其理论是可以完全消除余弦效应，但对于150m长的集热器施工是很难实现的。
　　另外，流量调平也是槽式光热电站另一个难点话题。一个成熟的光热电站需要几年甚至是十几年才能将全场回路的导热油流量调至一个较平衡的状态，也是我们所说的各回路出口温度差值在规定范围内。
　　对此，通过对国内发展较早的光热电站长期观察，余弦效应和流量平衡可合并统一解决。有效方法是：将现有的150m集热器加长至156m重新配重，也就是增加2根集热管的长度，对集热器前段多出的6m集热器增加自动遮阳装置。在夏季集热器受余弦效应较少的情况下增加遮阳长度，在冬季则减小遮阳长度，从而消除余弦效应对集热器集热能力造成的影响;除此之外，遮掩装置配合回路调节阀调整因流量不平造成的回路温度差较大问题。此方法可进一步缩短光热电站性能提升的周期，有效解决降低集热器因各类差异所造成的对整场集热效果的影响。
　　6 结束语
　　通过使用优化的集热器结构，缓解项目由于流量平衡的季节差带来的调节窗口期较短以及调节难度较大的困难。更加有效地利用中纬度地区的坡度性能提升优势，全面提升高原地区的槽式光热电站效率。既可以充分利用我国青藏地区的荒漠资源，又可以更加合理有效地提升固定范围镜场的发电能力，从而全面实现槽式太阳能光热利用的国产化新篇。
　　参考文献：
　　[1]王军，张耀明，金保升，等.太阳能热发电中的聚光器[J].太阳能，2007，9：30-34.
　　[2]罗智慧，龙新峰.槽式太阳能热发电技术研究现状与发展[J].电力设备，2006，7（11）：29-32.
　　[3]张耀明，王军，张文进，等.聚光类太阳能热发电概述[J].太阳能，2006，1：39-41.
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