塔式太阳能热发电吸热器热效率影响因素分析

孙成金 ， 葛婷婷 ， 潜 钧， 范玲萍， 许利华

(1. 南京军区锅炉检验所， 杭州 310002； 2. 杭州锅炉集团股份有限公司， 杭州 310022)

塔式太阳能热发电是通过镜面反射将太阳光汇集在焦点、焦线或焦平面上，由于其具备了储热环节，可以把太阳能的收集与利用进行解耦，易于实现功率输出的可调节性，因此可以在电网中承担基本负荷或调峰负荷。

吸热器是连接定日镜场与储、换热系统的重要纽带，吸热器热效率对整个系统的热电转换性能有重要影响。刘可亮等[1]研究了塔式太阳能集热与余热锅炉结合的能源系统，研究了不同流程方式对余热锅炉性能的影响，该方案降低了系统的初投资、缩短了投资回收期。盛玲霞等[2]以某塔式太阳能电站吸热器为原型，采用分段集总参数法对吸热器进行建模分析，并把动态仿真的结果与测试结果对比。郑建涛等[3]利用VOF(Volume of Fluid)法研究了非均匀受热条件下，柱面体吸热器吸热管内(以水为工质)汽液两相流的特征，得出吸热管内工质换热特性、管壁温度分布的模拟结果。常春等[4]还研究了以熔盐为工质的高温吸热器，分别在光管条件与内插螺旋纽带强化传热方式下的流动、传热特性等。李嘉宝等[5]对塔式熔盐吸热器的动态过程进行了模拟研究。郑建涛等[6]还研究了多点聚焦模式对柱面体吸热器表面热流分布的影响。黄凯欣等[7]对采用超临界CO2作为介质的吸热器许用能流密度进行了研究，以吸热管为对象，利用ANSYS软件计算吸热管的温度和应力分布，对管子的蠕变-疲劳特性进行了分析。

上述研究主要集中在吸热器内部传热及流动方面，这些研究对吸热器的结构设计、参数选取及指导定日镜控制等具有一定参考价值。笔者对太阳能吸热器的整体热性能进行建模分析，模拟了风速、环境温度、发射率、聚光比、吸热器温度等因素对吸热器热效率的影响，为太阳能吸热器的整体优化提供参考。

1 吸热器表面热流特性

太阳能热发电系统一般包括定日镜场、吸热器系统、储热系统、蒸汽发生系统、蒸汽动力系统等。图1为典型的以熔盐为工质的塔式太阳能热发电系统。

图1 典型塔式太阳能热发电系统的构成

定日镜反射的太阳光投向吸热器，但通常会有一部分溢出到吸热器受光面外。这是由于定日镜与吸热器距离较远，定日镜控制误差会导致光斑偏离目标位置。这部分能量损失通常作为定日镜场聚光损失的一部分，不在笔者研究的能量损失范围内。

以塔式太阳能热发电柱面体、外受光式吸热器为例，吸热器表面的热流关系见图2。

Preflected—投向吸热器受光面的反射功率；Ppanel—投向吸热器受光面的辐射功率；Pabsorbed—传递给吸热器内介质的热功率；Pradiation—吸热器向环境的辐射散热功率；Pconvection—吸热器向环境的对流散热功率；Pconduction—吸热器向支撑结构的导热散热功率。

图2 吸热器表面热流关系示意图

投射到吸热器表面的太阳辐射绝大部分被吸热管表面的涂层吸收，也有少部分被反射出去。涂层把吸收的太阳能转换成热能，大部分被吸热管内的工质吸收，还有一部分以热损失的方式散失在环境中。吸热器表面的能流关系式为：

Plost=Pradiation+Pconvection+Pconduction

(1)

αPpanel=Pabsorbed+Plost

(2)

式中：Plost为吸热器的散热功率；α为吸热器受光面对投射能量的吸收率。

对于塔式太阳能热发电吸热器，导热损失所占的比例非常小，因此在对吸热器热效率的讨论中忽略导热损失。由式(1)和式(2)可得：

αPpanel=Pabsorbed+Pradiation+Pconvection

(3)

Ppanel、Pradiation、Pconvection分别为：

Ppanel=CI

(4)

Pradiation=εσ(Tw4-Tsky4)

(5)

Pconvection=h(Tw-T)

(6)

式中：C为聚光比(定日镜反射面积与吸热器采光面积之比)；I为辐射强度，W/m2；ε为吸热器表面发射率；σ为斯忒藩-玻耳兹曼常数；h为对流传热系数，W/(m2·K)；Tw、T分别为吸热器温度(外表面温度)与环境温度，K；Tsky为天空温度，K。

笔者将天空温度取环境温度进行计算，并将式(3)两侧同时除以Ppanel，代入吸热器热效率ηreceiver=Pabsorbed/Ppanel，将式(4)、式(5)、式(6)代入式(3)后可得：

(7)

式(7)可变化为：

ηreceiver=α-lrad-lcon

(8)

式中：lrad、lcon分别为辐射散热率、对流散热率(辐射散热损失、对流散热损失占吸热器投入辐射能量的比)。

由上述分析可知，吸热器热效率的影响因素包括：吸收率、发射率、吸热器温度、聚光比、环境温度及影响对流传热系数的风速等。

2 热效率影响因素分析

太阳能热发电技术具有聚光比高、工质参数高等特征。对于典型的塔式太阳能热发电系统，聚光比可以达到500～1 000，工质温度可达到1 000 ℃以上(以压缩气体为介质)。通常情况下，以水或熔盐为工质的吸热器出口介质的温度接近600 ℃。笔者在不同风速、发射率、环境温度、吸收率的条件下，模拟吸热器热效率的变化规律。

2.1 风速

在吸收率为0.95、发射率为0.85、聚光比为500、辐射强度为1 000 W/m2、吸热器温度为600 ℃的条件下，模拟了风速对吸热器热效率的影响(见图3)。由图3可以看出：随着风速从0 m/s增加到15 m/s，吸热器热效率从89.15%下降到82.62%，对流散热率从0.65%上升到7.19%，增加显著；低风速下对流散热率小，但当风速大于12 m/s时，对流散热损失已经超过辐射散热损失。因此，在较高风速条件下，对流散热损失对热效率的影响不应忽略。

图3 风速对吸热器热效率的影响

2.2 发射率

在吸收率为0.95、聚光比为500、辐射强度为1 000 W/m2、风速为0 m/s、吸热器温度为600 ℃的条件下，模拟了发射率对吸热器热效率的影响(见图4)。

图4 发射率对吸热器热效率的影响

由图4可以看出：随着吸热器发射率的变化(从0.10增加到0.85)，吸热器热效率从93.7%下降到88.8%，同时辐射散热率从0.65%增加到5.52%。发射率对辐射散热有直接影响，对于高聚光比的太阳能热发电系统，选择性涂层有助于吸热器热效率的提高。但由于辐射散热率不高(在上述吸热器温度与聚光比的条件下)，发射率改变对吸热器热效率的影响不显著。

2.3 环境温度

在吸收率为0.95、发射率为0.85、聚光比为500、辐射强度为1 000 W/m2、风速为0 m/s，吸热器温度为600 ℃的条件下，模拟了环境温度对吸热器热效率的影响(见图5)。

由图5可以看出：环境温度从-35 ℃升高到40 ℃，吸热器热效率从89.04%增加到89.18%，

图5 环境温度对吸热器热效率的影响

吸热器热效率随环境温度的升高而提高，但变化幅度很小。吸热器热效率对环境温度的变化不敏感，因此在我国太阳能资源丰富的西北地区，冬季较低气温对吸热器热效率的影响有限。

2.4 吸收率

在发射率为0.85、聚光比为500、辐射强度为1 000 W/m2，风速为0 m/s、吸热器温度为600 ℃的条件下，模拟了吸收率对吸热器热效率的影响(见图6)。

图6 吸收率对吸热器热效率的影响

由图6可以看出：吸收率从0.45变化至0.95时，吸热器热效率从39.15%增加到89.15%，吸热器热效率与吸收率呈线性变化。与前述各因素对比可以发现，吸收率是影响吸热器热效率最为显著的因素，因此性能优良的吸热器需要性能优良的吸热特性作为保证。

3 吸热器热电综合效率

聚光比通常决定了吸热器温度与吸热器出口的工质温度，吸热器工质温度又与热电转换效率密切相关。考虑聚光比对吸热器热效率影响的情况时，还需要考虑聚光比对动力循环效率的影响，以及由此带来的热电综合效率变化。

在太阳能热发电系统中，吸热器收集的热量通常用于蒸汽发生系统产生高参数蒸汽，再将蒸汽送往蒸汽动力系统做功发电。吸热器温度与吸热器出口的工质参数决定了蒸汽品质，并最终影响到蒸汽动力循环的发电效率，具体的关系式为：

ηcombined=ηreceiver×ηpower

(9)

(10)

式中：ηpower、ηcombined分别为动力循环的发电效率、综合吸热和发电环节的热电综合效率；T1、T2分别为卡诺循环对应的高温热源与低温热源温度，K；ξ为实际循环相对于卡诺循环的完善度。

在吸收率为0.95，发射率为0.85，辐射强度为1 000 W/m2、风速为0 m/s的条件下，模拟了在不同聚光比条件下，吸热器温度对吸热器热效率的影响(见图7)。

图7 吸热器温度对热效率的影响

由图7可以看出：在同一聚光比条件下，随着吸热器温度的提高，热效率下降。热效率在低中温段下降的速度较小，而在高温段下降迅速。吸热器温度升高到一定值时，散热量和吸热量平衡，输出功率和热效率为0。因此，在特定聚光比的条件下，选择合适的吸热器温度是必要的，而并非是越高越好。聚光比增加时，相同吸热器温度对应更高的热效率，但在某些区段，这种效应并不太明显。吸热器温度为600 ℃时，聚光比从500增加到1 100，而热效率仅仅提升了约3百分点。在这种情况下，单纯提高聚光比的效果并不明显。

在吸收率为0.95、发射率为0.85、辐射强度为1 000 W/m2、风速为0 m/s条件下，模拟了在不同聚光比条件下，吸热器温度对热电综合效率的影响(见图8)。

图8 吸热器温度对热电综合效率的影响

由图8可以看出：在特定的聚光比条件下，热电综合效率有一个最高值，并对应了一个特定的吸热器温度。随着聚光比的增加，热电综合效率的最高值也逐渐增加，由此对应的吸热器温度也不断升高。但是，随着聚光比的增加，热电综合效率提升幅度却在逐步减小。目前，常见的塔式太阳能热发电站聚光比通常在300～1 000。聚光比为500时，吸热器温度在750 ℃具有最高的热电综合效率；聚光比高于500时，热电综合效率在最高值附近的变化较为平坦(聚光比越高，峰值附件的曲线越平坦)。在吸热器材料、吸热介质(影响工质温度范围)、蒸汽动力系统材料受限的前提下，选择相对较低的温度以达到经济性最佳的热电综合效率。

4 结语

笔者建立了塔式太阳能热发电吸热器的热效率模型，分析了多种因素对吸热器热效率的影响。在笔者给定的约束条件下：环境温度对吸热器热效率的影响很小，在我国西北地区的气象条件下，吸热器热效率的变化小于0.2百分点；选择性涂层可以提高吸热器的热效率，但对于高聚光比的塔式热发电技术，效率提升的空间有限，可提高吸热器热效率约5.0百分点；风速对吸热器热效率的影响不应忽略，当风速高于12 m/s时，对流散热率超过了辐射散热率；吸收率对太阳能吸热器的热效率影响最为显著，高吸收率是吸热器良好性能的保证。笔者最后对不同聚光比条件下，系统的热电综合性能进行了模拟，分析结果表明：系统的热电综合效率在给定聚光比条件下存在最大值；并且在高聚光比区域，热电综合效率的顶部曲线相对平坦。

笔者所采用的研究方法和得到的模拟结果，可以给塔式太阳能热发电系统整体参数优化提供参考。