干散货码头积尘对太阳能集热系统的影响

顾 明

(交通运输部天津水运工程科学研究所 水路交通环境保护技术交通行业重点实验室，天津 300456)

当前，全球化石能源资源日益短缺，气候变化等环境压力日渐增大。太阳能、风能、生物质能等新能源和可再生能源已被世界各国政府作为重要的战略替代能源。目前，太阳能在港区的应用尚处于起步阶段，港口由于特有的装卸作业条件和环境，特别是干散货码头由于PM2.5、PM10、颗粒物等大气环境质量因素造成环境粉尘容量上升，对于太阳能光热或光电利用均造成一定的影响。

刘继者[1]在平板太阳能集热器表面沉积了一定量灰尘后，通过试验测试了热管平板式热水器的效率，积尘后集热器的效率由原来的37.3%下降为31.9%。刘刚[2]等人通过实验研究了平板型太阳能集热器表面积灰对系统热性能影响，得出在相同条件下，太阳能热水系统日有效集热量降低3.95%，升温性能降低3.19%～5.31%，系统日集热效率降低4.05%。季雪元[3]研究了堆场围护设施情况下静态起尘量的源强计算，研究结果表明：堆场设置防风网，再结合洒水及堆垛可降低堆场的风速，静态起尘抑尘效率可达98%；堆场设置条形仓，再结合堆场洒水及多堆堆垛风速的降低，静态起尘抑尘效率可达99%以上；筒仓本身无粉尘外溢问题，起尘量几乎为零。

干散货码头堆场存放大量的煤炭、矿石等制品，在自然起风条件下会起尘，另外港口在装卸货种时也会起尘，港口太阳能光热利用主要是在侯工楼等建筑物屋顶安装太阳能热水器给码头装卸工人洗浴使用，光伏发电主要供道路、堆场小规模供电使用，其扬尘覆盖在太阳能集热器上影响集热或光伏效果。

由于码头扬尘造成目前国内港口并不能大规模使用太阳能，天津港主要采用真空管集热太阳能热水器为员工提供洗浴，仅在集装箱码头安装了分布式太阳能光伏组件，装机容量40 kW；宁波舟山港在太仓万方公司和乐清湾港区仓库屋顶分别安装了分布式光伏发电系统，装机容量分别为1.25 MW和0.25 MW；大连港在散杂货码头仓库屋顶安装了分布式光伏发电系统，总面积约4万m2。目前国内对于太阳能集热系统积尘情况主要针对于一般自然积尘，缺乏对于港口特定环境下积尘对于太阳能集热系统的影响。本文以天津港干散货码头为基础，研究不同干散货码头环境条件下，积尘对于平板集热器的影响。

1 干散货码头太阳能平板集热器系统

本文以天津港干散货码头太阳能平板集热器系统为研究，通过建立数学模型，利用仿真软件进行模拟计算，分析港口干散货码头对于平板集热器的影响。

平板型集热器(FPC)是太阳能集热器中一种最基本的类型，其结构一般包括透明盖板、集热体、隔热层和壳体。投射到集热器上的太阳辐射能，小部分被盖板吸收和反射回天空，大部分透过透明盖板入射到集热板上，流通管内的工质吸收太阳热能，温度逐渐升高。与此同时，集热器的热损失主要是由于透明盖板和壳体向环境散失热量。

2 太阳能平板集热器数学模型

本文所用的系统参数见表1和表2。

表1 太阳能平板集热器模型参数表Tab.1 Model parameters of solar flat plate collector

表2 月平均日气候参数表Tab.2 Climate parameters in monthly average day

一年中日字数在法向平面上测得的大气层外的辐射度[5]为

(1)

一天中某一时刻地球自转所形成的角度为

ω=(t-12)×15×2π/360

(2)

式中：t为时间，定义24 h制，中午12时的时角为零。

(3)

cosθz=sinα=sinψ×sinδ+cosψ×cosδ×cosω

(4)

cosθ=sinδsin(ψ-β)+cosδcosωcos(ψ-β)

(5)

式中：δ为赤纬角[6]；θz为太阳天顶角；α为太阳高度角；θ为太阳入射角；γ为集热器方位角，β为集热器倾角。(文献[7]指出当集热器正南而置时，集热器倾角与当地纬度角ψ相同时，年收集量总是最多，即γ=0，β=ψ=39.13°)

2.2 太阳能平板集热器系统数学模型

水平面上直接辐射强度Gz和散射辐射强度Gs[8]分别为

(6)

(7)

倾斜面上的太阳总辐射Gt为[9]

(8)

吸热板吸收的太阳辐射能S为

S=Gtτζη=Gtτζ×1.287×μ-0.28

(9)

式中：η为积尘遮挡系数[10]。

集热器的有效集热量为吸热板吸收的太阳辐射量与集热器的热损失之差Q为

Q=AF[S-U(Tf-Ta)]

(10)

式中：Tf为集热器进口温度，℃。

集热器的总热损失系数U

U=Ut+Ub

(11)

式中：Ut为集热器面部热损系数，W/(m2·℃)；Ub为底部热损系数，W/(m2·℃)；集热器侧面边框热损系数忽略不计。

Klein[11]提出的计算太阳能平板集热器面部热损失的经验计算式

(12)

f为集热器有、无透明盖板时的热阻之比

f=1.078 66(1+0.089 h-0.1166hεp)

(13)

McAdams[12]提出风掠过透明盖板的对流换热系数h的近似公式计算

h=5.7+3.8v

(14)

集热器底部热损失系数Ub为

(15)

Hottel[5]先后提出并完善了太阳能平板集热器的简化热模型，如图1所示。

图1 平板集热器管板结构示意图Fig.1 Structural diagram of tube sheet of FPC

管板肋片效率F0为

(16)

集热器效率因子F1为[13]

(17)

集热器的热转移因子F可表示为[14]

(18)

式中：m0为集热工质流量，kg/(m2·s)。

3 系统热力性能分析

通过编制系统语言计算机程序，利用仿真模拟软件对系统数学模型进行了求解。在其他参数不变的情况下，通过分析系统集热器积尘量、码头类型、集热器进口水温温度、工质流量4个因变量来分析系统性能。

3.1 集热器积尘量的影响

按照天津市市容园林委发布的《城市道路以克论净检测考核实施办法》中考核要求：一级道路积尘量达标标准为10 g/m2，二级道路为12 g/m2，三级道路为15 g/m2，四级道路为20 g/m2，天津港干散货码头主要分布在南疆港区，北疆港区有少部分矿石，天津市生态环境局对天津市各区域街镇均有降尘量的监测和考核，天津市2020年第一季度环境空气降尘量结果显示：天津港南疆港区降尘量均值为20 t/(km2·月)，北疆港区降尘量均值全市最高，为35.3 t/(km2·月)[15]。通常太阳能平板集热器放置在港区道路两边办公楼屋顶上，或放置在码头堆场仓库等建筑物上，因此对于干散货码头积尘量可以参考道路积尘量达标标准以及降尘量监测结果。

当平板集热器处于煤炭码头中，分析全年月平均日平板集热器透明盖板积尘量对集热器透明盖板和集热板集热量的影响，如图2所示。

图2 集热器积尘量对集热板集热量的影响Fig.2 Influence on collector plate heat-collection by dust accumulation of collector

由图中可以看出，平板集热器的倾斜面和集热板集热量在四月份和九月份两次达到峰值。这是由于：当集热器倾角为39.13°时，太阳光线在南北回归线循环照射，在春分(3月21日)和秋分(9月23日)，太阳光线垂直入射集热器表面，考虑到地球轨道偏心修正系数、大气光学质量和大气透明度对太阳能辐射强度的影响，集热器倾斜面和集热板的集热量在四月和九月份达到最大。当集热器透明盖板的积尘量越大，集热板吸收到的太阳辐射强度越小，这是主要由于积尘量越大时，太阳辐射透过透明盖板的有效辐射量越小，导致集热板吸收到的辐射量越少，积尘初期集热板集热量急剧下降，之后缓慢降低。对于港区道路旁建筑物使用太阳能，积尘导致集热量下降32%，对于南疆港区集热量下降44%，北疆港区下降52%，因此对于天津港干散货码头而言，应及时清理平板集热器盖板积尘，北疆港区降尘量最大，积尘清理应更加频繁。对于干散货码头大面积采用太阳能集热器系统，其积尘主要为矿粉煤炭，因此其除尘方式应采用干刷式或湿刷式，回收积尘再利用。避免采用超声波式或喷气式除尘导致的积尘飞溅引起粉尘二次污染。

3.2 积尘类型的影响

针对天津港煤炭和矿石不同类型码头，积尘类型分别为煤粉和矿粉，其导热系数不同，按照最低道路积尘量10 g/m2和最高天津港北疆港区积尘量35 g/m2为初始计算条件，集热器集进口水度为20℃，集热工质流量为0.03 kg/(m2·s)，分析不同积尘类型对平板集热器有效集热量的影响，如图3所示。

图3 不同码头类型对集热器有效集热量的影响Fig.3 Influence on collector effective heat-collection in different wharf

由图中可以看出，平板集热器处于不同类型码头时，当积尘量一定时，集热板的有效集热量基本无变化。这是由于积尘量相同时，灰尘覆盖的透明盖板的透过率相同，集热板收集的辐射量也相同。煤粉和矿粉导热系数和透过率不同引起的集热器热损失相对较小，导致集热器有效集热量基本无变化。因此，针对天津港南北疆煤炭或矿石码头，均应采用相同类型的除尘设施，以保证平板集热器表面的清洁度。

3.3 集热器进口水温的影响

对于干散货码头而言，积尘是影响太阳能集热系统热性能的主要因素，它直接降低了集热器吸收到的太阳辐射量。实际工程应用中，为了保持太阳能集热系统的高效率和稳定运行，对于集热器的进口水温和水流量等参数也应进行分析和研究。

按照天津港南疆煤炭码头积尘量20 g/m2，集热工质流量为0.03 kg/(m2·s)，分析煤炭码头集热器进口水温对集热器有效集热量和效率的影响，如图4所示。

图4 集热器进口水温对集热器有效集热量和效率的影响Fig.4 Influence on collector effective heat-collection and efficiency by collector inlet temperature

由图中可以看出，随着集热器进口水温的变化，有效集热量均是在2月、3月和8月、9月出现一个峰值，这是由于3月和9月太阳光线垂直入射集热器表面以及集热器热损失变化的综合作用引起的。当集热器进口水温越低时，在春夏季与环境温度温差越大，其有效集热量和效率越大，集热器全年有效集热量越大，但是月平均日的有效集热量和效率波动幅度也越大，这不利于系统的有效稳定运行。因此在工程上应用时，应保持集热系统进口水温恒定在一定范围内，以确保系统额定状态下运行。天津每年采暖季气温较低，其地表水温度也相对较低，应采用电辅加热或者供暖管道接触换热方式，提高供水水温，保持系统稳定运行。

3.4 集热器水流量的影响

按照天津港南疆煤炭码头积尘量20 g/m2，集热器集进口水度为20℃，分析煤炭码头不同水流量对集热器有效集热量的影响，如图5所示。

图5 集热器水流量对集热器有效集热量的影响Fig.5 Influence on collector effective heat-collection by collector water flow rate

由图中可以看出，集热工质流量越低时，集热器月平均日的有效集热量越低，当集热工质流量大于0.05 kg/(s·m2)时，有效集热量基本无变化。这是由于小流量流过集热板时，工质在集热管中与集热板充分换热后不能及时流出集热器，不能吸收多余的集热板热量，导致集热器有效集热量减小。当工质流量增大时，工质在流过集热板能吸收更多的热量，有效集热量增大，当工质流量增大至一定数量时，集热板的热量已经全部与工质发生热量交换，此时有效集热量达到峰值，由于集热板集热量只与当地气候条件和集热器本身有关，因此继续增大工质流量对有效集热量基本无影响。工程上根据太阳能平板集热器的热性能，运行水流量应取值临界值附近，过小降低了系统热性能，过大不仅增加泵耗成本，也不能显著提高系统热性能。

4 结论

本文分析了天津港干散货码头太阳能平板集热器系统的热力性能。选取天津市城市道路积尘达标标准10 g/m2，以及天津港南疆港区降尘量监测数据20 t/(km2·月)和北疆港区35.3 t/(km2·月)为计算背景，对于港区道路旁建筑物使用太阳能，积尘导致集热量下降32%，对于南疆港区集热量下降44%，北疆港区下降52%，应采用干刷式或湿刷式定期清理集热器盖板积尘，对煤矿粉进行回收再利用。当积尘量一定时，积尘类型煤或矿粉对集热量基本无影响。天津每年采暖季气温较低，其地表水温度相对较低，应采用电辅加热或者供暖管道接触换热方式，以提高供水水温。对于不同集热器，应选择合适的水流量临界值，保证集热系统的热性能。