槽式太阳能热发电站的设计
槽 式太 阳能热 发 电站 的设计
中环光伏系统有 限公 司 ■ 徐永邦 王芳
摘 要 :针对槽式热发电系统的集热器进行分析 , 讨论 了集热器 的光学效率和集热管热损失模型 , 在此 基础上利用S l A vsr o e2 1 软件并结合经验数据 , oa d i m dl 0 0 r o 模拟和计算了槽式太 阳能热发电系
统的集热器面积,为槽式太阳能热发电站设计提供理论依据 。 关键词 : 太阳能热发 电;槽式 ;集热器 ;光学效率 ;热损失
一
引言
随 着人 口的持 续 增 长 和 经济 的不 断 发 展 ,对
的核 心部 件— — 集热 器 进 行分 析 , 别讨论 了集 热 分
器 的光学效率和集热管 的热损失模型 , 在此基础上
利 用 S lr vsr dl 0 0软 件 ,结合 美 国加 oa io e 1 Ad Mo 2
能 源 和 资 源 的需 求 将 日益增 加 。 而 , 然 目前 能 源 消 费主 要 以化 石 能 源 为 主 体 ,所导 致 的资 源 紧 缺 和 环 境 污 染 等 问题 已严 重 制 约 了经 济 社 会 的可 持 续 发展 …。因 此 ,如何 高 效 、绿 色 地开 发 利 用可 再 生 能 源 已成 为社 会 发 展 的 中心议 题 。 中 , 阳能 发 其 太
州S G 电站经验数据 , ES 模拟和计算了槽式太阳能
热 发 电站 的集 热 器 面积 。
二 槽 式太 阳能热 发 电站 的设 计
1槽式热发 电原理
槽 式 太 阳 能 热 发 电 系统 是 利 用 槽 形抛 物 面 聚 光 器 将 太 阳光 聚 焦到 集 热 管 上 ,并 将 管 内 传 热工 质 加 热 ,通 过 热 交 换 ( 用 DS 采 G技 术时 无 此 部 分 ) 产生蒸汽 , 驱动 汽 轮 机 发 电机 组 发 电 。 热 器 由集 集 热管 、 聚光 器 、 踪机 构 等 几 部 分组 成 。 据 系统 跟 根
电因其安全便利及无污染等特征 , 被认 为是未来重
要 的可 再 生 能源 之 一 。目前 , 阳能 发 电主 要分 为 太
太 阳能 光 伏 发 电和 太 阳能 热 发 电 , 者 包 括塔 式 、 后 槽 式 、 式 和 菲 涅尔 式 太 阳能 热 发 电 。 伏 发 电在 碟 光 我 国 已得 到 了大 规模 发 展 , 热 发 电仍 处 于起 步 阶 但
段 。 几种 热 发 电形 式 中 , 式太 阳能热 发 电被认 在 槽 为 是 当前 应 用最 广 、 造价 最便 宜 并 可 以大 规模 应 用
的不 同设计 方案 , 可选择是否包括蓄热子系统 、 辅 助能源子系统 等。
与塔 式 太 阳能 系统 相 比 ,槽 式 太 阳能 系统 聚
的一种成熟 的热发电技术 。
在我 国 已建 成 的 9 06 MW 太 阳能 热 发 电 项 4 .5
目中, 槽式 系统 占据 了其中的9 %, 5 但我国
尚无槽
式太 阳能热 发 电站( 一待 建 的 内 蒙古 5 MW 槽 式 唯 0
光 比低 , 以线聚焦代替 了点聚焦 , 并且聚焦 的集热
管 管 线 随着 槽 形 抛 物 面 聚 光器 一起 跟 踪 太 阳而 运 动 ,但 跟 踪 是 一 维 的 。
太阳能热发电站刚开标不久) ,而且关于槽式太 阳
能 热发 电的研 究 多集 中在 集 热 管 , 于 电 站 的 对
2集热器 的光学效率
光学效率是指 集热管所吸收的能量与射入聚
一
设计尚未见报道。 本文针对槽式太阳能热发电系统
— — —
SOL AR E NERGY 1 / 01 32 1
K) a 分 别 为吸 热 管 和 玻璃 管温 度 ,K; 、 4 ;T 、
式 中:
为天 空 有 效温 度【 ,K;e 为水 汽 ¨
£分别为吸热管和玻璃 管发射率; o ) D ( g D ( 、 。) a b 分别 为吸热管和玻璃 管外径 ,m。 其中发射率可通过集热 管壁面温度 。 估算 ,
当温 度在 3 3 0 K时 ,计 算 公 式 如 下 : 7 ~9 0
b00 0 2 w - .9 5 = .0 4 T a 00 9 n () 7
压 ,P ; 为 日照百 分 率 ,等 于 实 际 日照 时 间 与可 a
能 日照 时 间的 比值 。
⑤ 由支 架等 引 起 的 热损 失
Q 。 【 。 )x, bk -  ̄ , b 。 e f = h lr b - 4 Ab  ̄
() 1 7
式 中: 为支架的平均对流传热系数 , / W( ・ H 为支架 周长 ,m; 为导热 系数 ,W/ ・ ; 为 ( K)A m
②吸 热 管 与玻 璃 管 之 间 的 导热 损 失
Q( g.MT-g d -=n ( T一 a ) b 2  ̄ )
I 【 n 旦
( 8 )
支架最小横截面积 , ;7 为支架基础温度 ,K。
⑥玻璃管吸收来 自反射器的太 阳能辐射
式 中 : 为空 气 导 热 系数 ,W/ ・ ;R(为 ( K) i m g ) 玻 璃 管 内管半 径 ,T R㈨ 为 吸 热 管外 管 半 径 , 1; 。 I m;
Z 吸 热 管 长 度 ,m。 为
= 1 bc %g j O A
(8 1)
式 中:h 面 接 收到 的直 接 太 阳辐射 , m2 , 为地 w, . A 为 集热 器 总开 口面 积 , ;%. 。 m2 为玻 璃 管 吸收 率 ; 2 " a为玻 璃 管 的透过 率 和 吸热 管 的吸 收率 的乘 积 。
③ 吸热 管 与 玻 璃 管之 间 的对 流 损 失
Q (—= g 一 g D。h b ) b ) g (_( T) ()  ̄ a () 9
综 上 所 述 ,集热 器 的 总热 损 失 :Q = № _】 Q a + Q( aQh , c
一1 同时 由热 力 学可 知: LA (一 , + Q= 曲 )
cg : k () ; a= b= : a i r
c 1 。
由此可计算 出总热损失 系数 【 , , 并以此计算 出集 L
热 器 的 能量 效 率 。
孚 r ] 9 … - 5
r 23 1 1 × = .3x 0 。
… )
(2 1)
() 验模 型 2经
在经验模型 中,热损失主要分为两部分 :集 热单元热损失Q 和 电站管道热损失Q m。计算 酬 。
公 式如 下 :QtlQHE Qs 【 o = ct 1 t 1 F + P (9 1)
式 中: ( 为环 面 气体 对 流传 热 系数 , ( ・ 。 w/ m2
K) a为标 况 下 环面 气体 导 热 系数 ,W/ ・ ;a .ki ( K) m
为表 面 与气 体之 间相互 影 响 系数 , 面 很干 净 时取 表 1 为 环面 气 体热 比率 ,30 ;r 0 K时 取 1 ,60 _ 0K时取 4
①集热 单 元热 损 失 Q
QHE= Ct 1 ×— + H2 H3 Q L Q  ̄I L+ LI H4 Q Q -
- 一
(0 2)
1 7 伪 平均 自由分子之间的碰撞路径 , m 为 .; 3 c; 平均温度 , m (a T) ,K; 为环面气体平均压 T =T + g2 b / P
强, mmHg 为 空 气分 子 直 径 , 23 x 0 c ; 取 .2 1~, m。
QHl( 0 5 i) 0 ) = + ( u L d F 厂
QH2 ( lF 6 i ) L + A = d
( 2) 1
④玻 璃 管 T g 界 产生 的辐 射 和 对 流损 失 nb
Q。-=fg ) T)D (a |(a — a ) g ) z _( n (3 1)
! !
! 二 !【 ! ! 二
2
() 2 2
QL( +A ! H= mF Q )堡 3F 二 【
Q L F H4 A =
() 2 3
(4 2)
其 中 :h() c- g= a
Dg o】 f
(4 1)
式 中 :h() 温 度 ̄ (gT) c- g为 a T- a2时的 空气 对 流传 / 热 系数 ,w/ ・ . 为环 境 温 度 ,K; ( 为温 ( K) m2 )
式 中: 。 为集热单元热损失 因子 ; 热管 出口温度 ,℃;
F。 ~
为集
度( ) 时的空气热导率, ( K; ‰为努 丁 / 2 W/ m・ )
塞 尔数 ,量 纲 为 1 ,与风 速 相 关 [ 。
Q她_ 】 ( 一 y Do1 a ) 【 = 兀 g
:
为集热管入 口温度 ,℃;
为 集 热 单 元 热 损 失 系数 ;V i 电场 风 w 为
(5 1)
1
速 ,m s /。
[9 y02 .6 ).0sr o -.—0 4 ( +7 ̄4 . ( 02  ̄0 .) a 3 3 ]
r6 l)
— —
式(0 ~式(4中相关参数见表 2 , 2) 2) [1 2 7 ,表 给 8 出了几种常见型号的集热管在不 同状态下的热损
一 卜 一 一
SOl R ENERGY1 /01 ^ 32 1
温 度 3 3 ;设 计管 道热 损失 1W/ 9℃ 0 m。
一
些基 本 的 检 测手 段 也 欠 缺 。
根 据 以上 参 数 和 公式 可 计 算 出 :
ro=75.9% /p 1
本 文 结合 S lr vsr dl 0 0软 件 ,利 oa i e 1 Ad o Mo 2 用经 验 数 据 对 槽 式 太 阳 能热 发 电 系统 的 核 心 部件
O Ct 2 .8 W/ HE= 82 9 m t OS t 25 7 W/ Fl .2 2 m P =1
Q ui_ u 2 . 7 T be p= 9 MW rni t 1 7 n 1
QThe D ul— u r iI nn
A = 3 4 16 5 31 ・ m
集热器 的光学效率、 热损失进行分析 , 以此计算槽
式太阳能热发 电站所需要的集热 面积 ,为槽式太
阳 能热 发 电站 的 初 步设 计 提 供 理论 依 据 。
参 考文 献
需 要 集 热 单 元数 为 :3 4 1./1 . 4 3 5 3 68 75 3 . 1 = 4
44 3 ,所 以 电场 面 积 为 4 4 8 75 3 4 9 m 3 x 1 .= 5 7 5 。
[] 1 杨金 焕, 于化 丛, 葛亮. 阳能光伏 发 电应 用技 术【 . 太 M]北京: 电
子 工 业 出版 社 , 0 9 20 . [】 r e LifrE, anyD,t 1Ad ac snprb l o g 2 P i i et Ker e e . v n e aa oit u h c H, p a i cr
通过 S AM2 1 软 件 模 拟 可 知 , 无 储 能 、太 00 在 阳 倍 数 为 l 的 情 况 下 , 该 电 站 年 均 发 电 量 19 1MW h 27 3 ,每 月平 均 发 电量 见 图 2 。
s lr o rtc n lg [] J un l fS lr n ryE gn eig oa we h oo y J.o r a o oa eg n iern , p e E
2 2 2 1 9. 00 .1 4: 0
[ 王 军, 3 ] 张耀 明, 王俊毅 . 式太 阳能热 发 电中的真 空集 热管【] 槽 J .
太 阳能,0 75 2 — 2. 2 0, :4 8
【]熊亚 选, 4 吴玉庭 , 马重芳 . 式太 阳能 集热 管传 热损 失性 能的 槽
数值研 究[ . J 中国科 学,0 04 ()2 3— 2 1 1 2 1,
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[]Kao io oa h r l olcosa da piain [] 6 lgruS A. lr ema l tr n p l to sJ. S t c e c
P o r s n r ya d c mb s o in e 2 0 , 0 3 : 3 —2 5 r g e s ne e g n o u t ns e c , 0 4 3 ( ) 2 i i c 1 9.
【] or tlR. a a s ra ayi a dmo eigo p a oi 7 F ri al Hetrn f n lss n d l f a b l s t e n ar c t u hs l c ie lmetdi n ier g q ainsle[ ] r g a r ev rmpe ne e gn e n u t ov r . o or e i n i e o M
Nain l n wa eEn r yLa o aoy, to a Re e bl eg b rt r NREL/ TP一 5 — 41 9 2 03 5 03 6 , 0 .
【】 oa d i r d l sr ud [ ]US Nain l n wa l 8 S lr vs a o mo e e ieM . A: t a e be u g o Re
En r yLa r tr 2 0:1 — 3 8. e g bo ao y, 01 1
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6 7 8 9 1 1 0 1 1 2
[0 Ico ea , W i F n a nas f a d as rn fr 1 ]n rp r De tD. u d met tn s a s F t l o He a M T e [ ]Ne r :o nW i ya dS n , 9 0 M . w Yok Jh l o s 1 9 . en
月 份
图 2 月 发 电量
【1 刘森 元, 1】 黄远锋 . 空有 效温度 的探 讨[ . 阳 能学报,9 3 天 J太 ] 18,
4f 1 6 — 68 1: 3 .
四 结语
我 国 太 阳能 热 发 电产 业 发 展 与 国外 仍 存 在 较 大 的 差距 ,太 阳能 热 发 电站 系统 优 化设
计 技 术及 集 成 技 术还 未掌 握 。而 且 目前 还 没 有 实 际 建 成并 运 行 的 电站 , 此一 些具 体 技 术 还 缺 乏实 用 经 验、 因 ,
( 第 5 页) 接 7
[2 B rh le F K t hr H a L sT sn f c o ' 0 8 T 7 1] uk odr , us eC. et os et g S hts 0 R 0 c i o t 2 P P rb l ru hR cie【 JNR LReot . P 5 04 6 3 2 0 . aa oiT o g eeVrR . E p rNoT -5 ・5 3 , 0 9 c 【3 Mo ts JAb nd s Mat e — lJ ,t1S l lpe 1 】 ne , a a e M A, rn zVa e . oa mut l i M a r i
o tmi ain f ras a — ny te m a owe a t u ig O1a e t pi z to o olro l h r l p rpln ; sn ’ sh a
t n fr udi ep rb l ru hc l co sJ. oa n ry r se i nt aa oi to g ol tr[] S lrE eg , a l f h c e
20 ,31)2 6 09 8 (2: 15—2 7.团盟 16
近 年 来 , 由于槽 式 太 阳能 热 发 电 系统 具 有 储
清 华 大学 电子 工程 系通过 科技 部 “ 八五” 科
技 攻 关项 目和 “ 一 五 ”8 3 目的研 究 ,对 槽 式 十 6项
热、 调峰输 出、 易于与传统发电站结合及示范 电站 运行 时间长等优势 受到世界各主 要国家的重视 。 我 国亦有近十家企业开展 了槽式太阳能热发电高
温 真 空 集 热 管 的研 制 工 作 ,“ 二 五 ”是 我 国槽 式 十 太 阳能 热 发 迈 入 实 用 的起 步 阶段 ,随 着 国 内各企
太阳能热发电高温真空集热管研发中遇到的理论与 实验问题进行了深层次的研究, 在正确理论的指导 下攻克了研制工作 中的诸多难题 , 并在此基础上与 山东力诺光热集团合作 ,于 2 1 年 6月成功研制 01
业研 发工作 的不断进步 ,太阳能热发电产业在我
出4 米标准版槽式太阳能热发电高温真空集热管。
— — —
国有着广阔的发展前景。园殂
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