槽式集热器布置方式的比较研究

张智博，赵晓辉，韩 伟，苑 晔

( 中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西 西安 710075)

0 引言

槽式太阳能热发电技术是通过槽式抛物面聚光镜面将太阳光汇聚在焦线上，在焦线上安装有集热管，以吸收聚焦后的太阳辐射能。管内的流体被加热后，流经换热器加热水产生蒸汽，借助于蒸汽动力循环来发电。槽式太阳能热发电系统主要包括集热系统、储热系统、换热系统及发电系统，其中集热系统相较于其他系统的技术成熟度较低且在整个电站中成本占比较高而受到广泛关注[1-2]。

抛物槽式集热器是集热系统中最基本的聚光集热单元，由反射镜、集热器支架、集热管、集热管支撑、跟踪驱动机构和控制系统组成。槽式集热器一般采用一维跟踪方式，实时跟踪太阳，其性能的优劣直接影响电站集热系统出力，提高槽式集热器性能成为集热系统优化的关键[3]。这其中，集热器跟踪方式优化、集热器光学效率提高、集热管热性能提升是增加集热系统集热效率的主要途径[4]，也是国内外研究人员关注的热点问题。

集热器跟踪布置方式对集热系统的集热量分布影响较大，主要是因为不同的跟踪布置方式会形成不同的太阳入射角，影响集热器接收的太阳辐照以及光学效率[5]。陈维等[6]通过建立入射角模型计算了瞬时太阳能直辐射强度，以广州和北京地区一年中日辐照变化为例给出了跟踪方式对光学性能的影响趋势。裴刚等[7]根据合肥地区实测气象数据，得出了三种不同跟踪方式对槽式太阳能集热系统的影响规律。余雷等[5]以南京地区的槽式集热系统为例分析了各种单轴跟踪方式的特点。张宏丽等[8-9]分析了前人研究中入射角计算公式的可靠性，并对比了两种水平布置的抛物槽式集热器在冬夏两季的辐照量，认为在夏季使用时应采用南北布置，在冬季使用时应采用东西布置，由此提出可根据集热用途来确定集热器的布置跟踪方式。前人在集热器跟踪的研究中主要针对单体集热器，得到了不同的跟踪方式对太阳入射角的影响规律，部分研究还在小型研究实验台上采用国内特定地区(沧州[4,10]、合肥[7]、拉萨[11]）典型资源比较了集热性能。

近年来美国可再生能源实验室开发的System Advisor Model(SAM）软件被广泛用于太阳能光热电站的性能研究[2,12-15]。本文拟采用SAM 软件搭建槽式太阳能热电站，并针对集热系统的集热量进行研究，选取了我国太阳能资源较丰富的四个省(新疆、甘肃、青海、西藏）的典型区域资源，对集热器水平布置方式、高差布置方式、集热器间距三个因素对不同纬度地区集热性能的影响规律进行研究。

1 数值模拟

采用SAM 软件(2018.11.11 版本）搭建了100 MW 槽式太阳能热发电系统，系统的主要输入参数如表1 所示。选择了导热油(联苯—联苯醚）作为传热工质，其也是目前槽式太阳能热发电工程常用的传热工质，储热工质选择了二元熔盐(60%硝酸钠+40%硝酸钾）。

表1 100 MW槽式太阳能热发电系统输入参数

在SAM 软件计算过程中首先需要输入光资源数据。本文模拟计算选取的是四个项目地的实际工程太阳能资源数据，各项目地纬度及代表年法向直辐射(direct normal irradiance，DNI）参数如表2 所示。由于本研究针对的是集热器以及由集热器组成的集热场布置方式对集热性能的影响，因此模拟计算考虑的集热系统收集的热量优先进行发电，即假设电站不受电网限制，优先由汽轮机发电，其余热量储存于储罐。

表2 项目地纬度及DNI

2 集热器布置方式比较

2.1 水平布置光热效率比较

根据集热器跟踪方式的不同，抛物槽式集热器在水平方向上的布置方式一般可分成两种，即集热器南北布置和集热器东西布置。南北布置是集热器沿南北方向水平布置，集热器支架带动反射镜和集热管绕南北方向的转轴旋转，同理东西布置是集热器沿东西方向水平布置[9]。

图1 列出了四个不同地区各月份光热效率的变化趋势。光热效率是实际集热系统集热量与所接收的太阳能辐照能量的比值。对同一地区，太阳辐照相同，光热效率可以反应集热系统的集热性能。由图1 可以看出针对同一地区来说南北布置的集热器在冬季光热效率较低而夏季的效率较高；对于东西布置的集热器则全年光学效率变化较小。这一计算结果与前人文献中的结果类似[7,8]，说明本文模型搭建无误。

图1 不同地区各月光热效率

针对不同地区来说，东西布置的全年光热效率趋势基本一致，随纬度降低各.月光热效率略有下降。纬度对光热效率的影响主要集中在南北布置的冬季时段，可以看出低纬度地区的1 月、2 月、11 月和12 月的光热效率明显较高，而其他月份的光热效率相差不大。这主要是因为集热器单轴跟踪时，不同布置方向的入射光线与集热器焦线角度不同，随时间变化太阳位置不同条件下的余弦损失和末端损失不同导致的光学效率差别。

需要说明的是对于水平布置方式，经度对槽式集热器效率的影响较小。主要是因为同一纬度下不同地区任意一天的太阳运行轨迹是相同的，所以经度的影响只是在特定的时刻，而对于全年来考虑，同一纬度不同经度的地区太阳运行轨迹是一样的，余弦损失对集热器效率的影响是相同的。因此在比较全年效率和全年集热量时可以忽略经度的影响。

2.2 水平布置年集热量比较

图2 列出了四个地区年总集热量的统计结果，可以看出四个不同地区南北布置的年总集热量均高于东西布置，但程度有所不同。以东西布置的年集热量为基准，地区1 至4 的南北布置年集热量分别为对应东西布置的100.4%、102.5%、107.5%、112.7%。可见随纬度的降低，南北布置在年集热量上的优势越来越明显。这主要与太阳入射角的变化有关[9]，纬度越低，南北布置的入射角导致的余弦损失较小，集热量较多。在相同的发电单元配置和运行模式下，集热量的多少决定电站的总发电量，因此对于低纬度电站，集热系统设计过程中应优先选择南北布置方式，以获得较多的年输出电量。

图2 不同地区水平布置方式下的年总集热量比较

此外，对于部分以冬季供电或供热为主的场景，则应优先选择东西布置方式以在冬季获得更多的热能。需要说明的是四个不同地区的年总辐照量不同，因此集热量差别较大，但对于同一地区来说，年总辐照量相同，不同布置方式下的年总集热量差别可以认为仅是布置方式的影响。

2.3 高差布置年集热量比较

国内的光热项目均位于北半球，适当将南北布置的集热器自北向南倾斜一定角度有利于减小余弦损失，提高光学性能。但同时集热器倾斜角度受液压驱动、支架等结构的限制，存在一个最大倾斜限制，倾斜角度仅能在一定范围内变化。增加集热器倾斜角度会增加大量场平和加工维护费用，所以倾斜角度的选择是一个性价比问题[6]。获得倾斜角度对集热量的影响规律可以为设计人员选择经济合理的集热系统参数提供依据。

图3 列出了四个不同地区年总集热量随倾斜角度的变化趋势。倾斜角度为集热器轴线与水平面的夹角，倾斜角度的变化范围为-2°～3°，0°表示水平布置，负值表示集热器南端的海拔高度高于北端，正值表示集热器南端的海拔高度低于北端。由图3 可以看出四个地区集热量的变化趋势基本一致，即年集热量随倾斜角度的增加而增加。这主要是因为在不同地区，南北向的倾斜角度越大，太阳越接近垂直入射，入射角造成的余弦损失越小[5]。以集热器水平布置为基准，表3 列出了四个地区年集热量随倾斜角度的变化率。当集热器由水平布置向北旋转时，即南高北低布置条件下年集热量随高差的变化较为明显；而当北高南低布置时，年集热量随高差的变化相对较小。因此在不考虑土地原始高差的情况下应尽量避免集热器南高北低的布置方式。

图3 不同地区高差布置对年集热量的影响

对于北高南低的布置，由表3 可以看出随高差变化，集热量基本呈线性增加。对于地区1、2、3，高差每增加1°，年集热量增加约1%。对于低纬度的地区4，高差每增加1°，年集热量增加约0.7%，这说明纬度对高差布置的年集热量也有一定影响。项目地处于高纬度地区时集热场设计应更多考虑高差布置对集热场年集热量的影响。

表3 不同地区倾斜角度对年集热量的变化率%

3 集热器间距比较

集热器间距主要影响相邻集热器间遮挡损失，集热器间距越大遮挡损失越小，总集热量越多[10]。增加集热器间距会大幅增加集热场占地面积，导致土地成本提高；集热器间距加大会导致管道量增加，增加管道成本的同时还会增加集热场的散热损失，因此在槽式集热场的设计中应选择合理的集热器间距值。图4 列出了不同地区集热器间距变化对年总集热量的影响，南北布置和东西布置的分别列出。图中的集热器间距是指相邻排(列）集热器中心线间的距离，以X倍的集热器开口尺寸作为衡量单位。

由图4 可以看出对于四个地区的南北布置来说变化趋势基本相同，即随集热器间距的增加，年总集热量不断增加，但增加幅度不断降低。以地区1 为例，以1.5 倍间距时的年总集热量为基准，集热器间距每增加0.5 倍带来的年总集热量增加分别为11.3%、17.7%、19.6%、20.3%。地区2—地区4 的变化趋势与地区1 基本一致，增加的拐点出现在2.5 倍间距附近，当集热器间距由1.5 倍间距增加至2.5 倍间距过程中年总集热器快速增加，这主要是因为集热器间距的增加使相邻集热器间的遮挡损失迅速减小；当集热器间距由2.5 倍间距增加至3.5 倍间距过程中，遮挡损失已较小，增加间距带来的年集热量增加有限。因此对于南北跟踪，集热器间距不宜大于集热器开口尺寸的3 倍。对于东西布置，各地区年总集热量随集热器间距的变化幅度较小。当集热器间距由1.5 倍间距增加至2.5倍间距过程中年总集热器快速增加，当集热器间距超过2.5 倍时集热场的年总集热量基本保持不变。因此对于东西跟踪，集热器间距不宜大于集热器开口尺寸的2.5 倍。根据图4 可知，在集热场工程设计过程中应合理选择集热器间距，增加集热器间距只能在一定范围内降低遮挡损失，降低遮挡损失带来的年集热量的增加会随集热器间距的增加而快速降低，同时土地及管道费用随间距的增加可能导致电站整体经济性的下降。

图4 不同地区集热器间距对年集热量的影响

4 结论

本文采用SAM 软件以槽式太阳能热发电的集热器布置方式为研究对象，选取了四个不同纬度的太阳能资源数据作为输入条件，分别计算了不同集热器布置方式(水平布置方式、高差布置方式、集热器间距)下的年集热量，对各因素下槽式集热系统集热性能的变化规律进行了比较研究，结果发现三种布置方式均对集热系统的集热性能有显著的影响。不同的水平布置方式下，南北布置的集热场在各个纬度下的年集热量均高于东西布置，随纬度的降低，年集热量的差距越为明显。对于南北布置的集热器，将集热器自南向北倾斜集热量随高差的变化较为明显，将集热器自北向南倾斜集热量的变化相对较小，倾斜角度每提高1°，年集热量增加0.7%～1%。集热器间距对集热场的年集热量也有较为明显的影响，集热器间距增加可以减少遮挡损失增加集热量，但同时会增加集热场占地面积，相应增加土地和管道成本，增加集热场的散热损失。建议对于南北布置的集热场，集热器间距不宜大于集热器开口尺寸的3 倍；对于东西布置的集热场集热器间距不宜大于集热器开口尺寸的2.5 倍。