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CSPPLAZA光熱發(fā)電網(wǎng)訊：作為國內(nèi)最早進(jìn)入光熱領(lǐng)域的行業(yè)開拓者之一，常州龍騰光熱科技股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱“龍騰光熱”）擁有成熟的技術(shù)、豐富的集熱器生產(chǎn)安裝交付經(jīng)驗(yàn)，以及經(jīng)優(yōu)化驗(yàn)證的槽式太陽能集熱場(chǎng)解決方案。其為烏拉特100MW槽式項(xiàng)目提供核心鏡場(chǎng)裝備，首次實(shí)現(xiàn)了光熱核心技術(shù)和裝備的國產(chǎn)化替代，圓滿完成了國家第一批示范項(xiàng)目的示范目標(biāo)。

在6月12日于杭州召開的2023第十屆中國國際光熱大會(huì)上，龍騰光熱技術(shù)總監(jiān)盧智恒博士作了題為《從理論到實(shí)際：各種客觀因素對(duì)光熱發(fā)電系統(tǒng)效率曲線的影響》的報(bào)告，從光熱發(fā)電系統(tǒng)的理論效率曲線出發(fā)，通過比照實(shí)際客觀條件，將理論效率曲線的四個(gè)簡(jiǎn)化假設(shè)逐一還原為客觀真實(shí)數(shù)值，并詳細(xì)分析了這些客觀數(shù)值對(duì)光熱發(fā)電效率曲線所產(chǎn)生的影響。

理論效率曲線及其簡(jiǎn)化假設(shè)

光熱發(fā)電系統(tǒng)的效率通常由兩部分組成：光熱集熱系統(tǒng)的集熱效率和熱力系統(tǒng)循環(huán)系統(tǒng)的發(fā)電效率。下圖是常見的光熱發(fā)電系統(tǒng)效率曲線，其中橫坐標(biāo)是系統(tǒng)的熱源工作溫度，縱坐標(biāo)是系統(tǒng)整體光電效率，每一個(gè)不同顏色的線代表不同的聚光比。此圖反映的是在不同聚光比下，系統(tǒng)整體發(fā)電效率隨熱源工作溫度的變化。

光熱發(fā)電系統(tǒng)效率的表達(dá)式

上圖這些效率曲線是理論效率曲線，要得到這些理論效率曲線，實(shí)際上采取了四個(gè)簡(jiǎn)化假設(shè)，其中包括：

1.除吸收率以外光學(xué)效率η_optics=1，也就是說以集熱系統(tǒng)總反射面積計(jì)算的所有能量都可以抵達(dá)吸熱器，中間不存在光學(xué)損失。

2.吸熱器吸收率α=1，也就是抵達(dá)吸熱器的所有能量都被吸收掉。

3.熱損失只考慮輻射換熱，忽略對(duì)流熱損失，并且假設(shè)熱輻射為黑體輻射，發(fā)射率ε=1。

4.發(fā)電循環(huán)效率按理想卡諾循環(huán)效率考慮。

將上述假設(shè)分別代入光熱發(fā)電效率，即可得到如下表達(dá)式：

實(shí)際情況導(dǎo)致的變化

上述內(nèi)容簡(jiǎn)述了理想情況和四個(gè)簡(jiǎn)化假設(shè)，如果把這些簡(jiǎn)化假設(shè)用實(shí)際條件去替代，會(huì)發(fā)生什么變化呢？

（一）實(shí)際光學(xué)效率和吸收率的影響

光學(xué)效率由于客觀存在的余弦效應(yīng)、反射鏡反射率、反射鏡面清潔度、吸熱器清潔度、沿程光強(qiáng)損失、跟蹤系統(tǒng)精度、玻璃罩管透過率、集熱管有效長(zhǎng)度、攔截率等各種各樣的損失，實(shí)際數(shù)值總是小于1。對(duì)于吸熱器的吸收率，考慮目前的工藝水平，槽式采用選擇性吸收涂層和塔式采用高吸收率涂漆，實(shí)際吸收率雖然小于1，但基本可以達(dá)到約95%的水平。

圖：余弦效應(yīng)

導(dǎo)致上述光學(xué)效率損失的客觀因素是自然氣象條件。光熱電站一般建設(shè)在沙漠、戈壁、荒地地區(qū)，大多面臨沙塵、大風(fēng)、低溫等自然氣象條件。

我國適合建設(shè)光熱電站的區(qū)域主要分布在西北部，氣象條件的挑戰(zhàn)尤為突出。頻發(fā)的沙塵天氣會(huì)降低反射鏡面、吸熱器的清潔度，同時(shí)也會(huì)降低大氣通透度，沙塵、氣溶膠對(duì)光線的散射會(huì)加大光線從反射面到吸熱器的沿程光強(qiáng)損失，后者對(duì)反射光程較短的槽式技術(shù)較低，但對(duì)反射光程較長(zhǎng)的塔式技術(shù)影響較為顯著。

圖：沙塵天氣造成大氣通透度降低

圖：不同大氣能見度下的沿程光強(qiáng)損失

普遍存在的瞬時(shí)或日內(nèi)大風(fēng)天氣，會(huì)影響系統(tǒng)的攔截率。槽式技術(shù)的反射鏡與集熱管為一體化固定安裝，相對(duì)位置固定，整體跟蹤太陽聚光，且反射光程較短，受風(fēng)載荷時(shí)攔截率變化較小一些；塔式技術(shù)的定日鏡與吸熱器為各自獨(dú)立安裝，且反射光程較長(zhǎng)，受風(fēng)載荷時(shí)塔的擺動(dòng)和定日鏡的抖動(dòng)會(huì)使定日鏡的正確對(duì)焦造成較大困難，導(dǎo)致容易出現(xiàn)冷熱斑、焦點(diǎn)偏離、溢出損失等現(xiàn)象，攔截率的變化較為明顯。

因此，將實(shí)際光學(xué)效率與吸熱器吸收率代替簡(jiǎn)化假設(shè)后，以100倍聚光比為代表的槽式技術(shù)和以500倍聚光比為代表的塔式技術(shù)，兩者的效率曲線變化如下圖所示：

圖：代入實(shí)際光學(xué)效率和吸熱器吸收率后效率曲線的變化情況

（二）實(shí)際對(duì)流熱損失和輻射熱損失的影響

對(duì)流熱損失是客觀存在的，考慮實(shí)際對(duì)流熱損失情況，包括強(qiáng)制對(duì)流和自然對(duì)流兩部分，兩者組成混合對(duì)流熱損失。按照目前工藝水平，槽式技術(shù)的混合對(duì)流熱損失數(shù)值約為1300 W/㎡（按3 m/s風(fēng)速考慮，下同），而塔式技術(shù)的數(shù)值約為10400 W/㎡。

考慮實(shí)際輻射熱損失，按照目前工藝技術(shù)水平，槽式集熱管選擇性涂層在工作溫度下的發(fā)射率約為9.5%，塔式吸熱器的高吸收率涂漆在工作溫度下的發(fā)射率一般為80%至89%。兩者雖然都小于1，但差別非常顯著。

我國西北部地區(qū)冬季普遍存在的零下20℃至30℃的極端低溫天氣，是造成上述熱損失的情況顯著的客觀因素，無論是槽式還是塔式，低溫都會(huì)增加吸熱器、管道的輻射和對(duì)流散熱損失，減少系統(tǒng)的有效集熱量，最終造成系統(tǒng)集熱效率的降低。

但具體實(shí)踐中，兩者存在差別：槽式真空集熱管的選擇性吸收光學(xué)特性，發(fā)射率低，能夠有效減少輻射熱損失，玻璃罩管和金屬管之間的真空結(jié)構(gòu)，可以極大減少對(duì)流換熱損失；而塔式吸熱器的高溫管屏是直接暴露在冷空氣中，對(duì)流熱損失較高，管屏外表面涂覆的油漆，發(fā)射率仍然較高，因此輻射熱損失也處于較高水平。

因此，將實(shí)際對(duì)流熱損失和輻射熱損失的影響代入效率曲線時(shí)，變?yōu)橄聢D情況：

圖：代入實(shí)際對(duì)流熱損失和輻射熱損失后效率曲線的變化情況

（三）實(shí)際發(fā)電循環(huán)效率的影響

考慮實(shí)際發(fā)電循環(huán)效率，無論是槽式還是塔式，目前采用的熱力循環(huán)都是蒸汽朗肯循環(huán)，與理想卡諾循環(huán)存在差距，可以在卡諾循環(huán)效率中乘以一個(gè)小于1的系數(shù)η_discount表示。按照目前汽輪機(jī)的工藝水平，槽式汽輪機(jī)組的主蒸汽溫度為381℃，實(shí)際汽機(jī)效率為38.5%，因此η_discount的數(shù)值約為0.707，而塔式汽輪機(jī)組的主蒸汽溫度為535℃，實(shí)際汽機(jī)效率為43.0%，因此η_discount的數(shù)值約為0.681。槽式和塔式兩種技術(shù)的數(shù)值較為接近。

因此，將實(shí)際發(fā)電循環(huán)效率的影響代入效率曲線時(shí)，則得到最終的實(shí)際效率曲線，如下圖所示：

圖：代入實(shí)際發(fā)電循環(huán)效率后效率曲線的變化情況

最終實(shí)際效率曲線

為便于對(duì)比，將理論效率曲線和最終實(shí)際效率曲線摘錄出來單獨(dú)繪制，可得下圖結(jié)果：

圖：理論效率曲線與最終實(shí)際效率曲線的對(duì)比情況

經(jīng)過上圖的對(duì)比情況可知：

-以100倍聚光比為代表的槽式技術(shù)，理論最高效率為49.7%，理論最佳熱源溫度為445℃，而實(shí)際情況下的最高效率變?yōu)?2.7%，最佳熱源溫度變?yōu)?75℃。

-以500倍聚光比為代表的塔式技術(shù)，理論最高效率為62.3%，理論最佳熱源溫度為695℃，而實(shí)際情況下的最高效率變?yōu)?3.6%，最佳熱源溫度變?yōu)?10℃。

-與理論效率曲線相比，槽式和塔式的實(shí)際情況出現(xiàn)了“反轉(zhuǎn)”。

-按照目前的工藝水平，槽式技術(shù)在實(shí)際工作溫度395℃下對(duì)應(yīng)的整體發(fā)電效率為27.5%，塔式技術(shù)在實(shí)際工作溫度565℃下對(duì)應(yīng)的整體發(fā)電效率為23.5%。

結(jié)論

綜合上述分析，盧智恒博士得出了關(guān)于光熱發(fā)電系統(tǒng)效率曲線的相關(guān)結(jié)論如下:

1、光熱發(fā)電系統(tǒng)的理論效率曲線是通過一系列假設(shè)簡(jiǎn)化后得到的結(jié)果。

2、理論效率曲線顯示，在相同聚光比下，存在一個(gè)最佳熱源溫度，使系統(tǒng)的整體發(fā)電效率達(dá)到最高值。

3、考慮客觀情況，將實(shí)際數(shù)值逐一代替簡(jiǎn)化假設(shè)后，可得到實(shí)際效率曲線。

4、實(shí)際效率曲線與理論效率曲線相差較大，槽式和塔式的最高效率、最佳熱源溫度情況甚至發(fā)生了“反轉(zhuǎn)”。實(shí)際效率曲線顯示，槽式技術(shù)在實(shí)際工作溫度下的整體發(fā)電效率為27.5%，塔式則為23.5%。