塔式电站吸热器开口处热功率的计算

张宏丽，王树群，王存旭，赵　琰

(沈阳工程学院 a.新能源学院；b.能源与动力学院,辽宁 沈阳 110136)



塔式电站吸热器开口处热功率的计算

张宏丽a，王树群b，王存旭a，赵琰a

(沈阳工程学院 a.新能源学院；b.能源与动力学院,辽宁 沈阳 110136)

摘要：针对塔式太阳能热发电系统中太阳能自定日镜反射至吸热器开口处的能量利用情况，通过数值模拟，对北纬40°设计条件下吸热器开口处的热功率进行计算，并对其影响因素进行了分析。研究结果表明，可通过最近一排定日镜和当地定日镜利用效率大小来限定定日镜场的布置范围，并对定日镜进行合理地摆放，以更有效地聚集太阳辐射能。吸热器开口处所能获得热功率大小与接收塔光学高度、吸热器开口倾斜角度以及吸热器开口尺寸等因素有关，其中，吸热器开口尺寸对于吸热器开口处热功率的影响最大。在当地太阳辐射资源一定的情况下，要想在吸热器开口处获得较大热功率，需优先考虑增大吸热器开口尺寸，同时优化选取其他参数。

关键词：太阳能；定日镜；接收塔；吸热器

塔式太阳能热发电技术是大规模开发利用太阳能的一个重要途径。随着当前化石燃料的日益消耗以及对生态环境的要求，世界各国加紧了对塔式太阳能热发电技术的研究。目前，国际上已经投入商业化运行的塔式电站共有3座，分别为PS10、PS20和GemaSolar，均位于西班牙境内。随着运行经验的增加，系统成本和投资风险都在逐步降低，商业化塔式太阳能热发电项目在全球逐步推进。处于建设中最大容量的塔式电站是美国Ivanpah电站，总容量392 MW。与国际相比，我国塔式太阳能热发电技术起步较晚，目前国内还没有商业化运行的塔式电站，整体系统设计能力和集成技术也刚刚起步，缺乏电站建设运行经验，为此，我国还应加大对该项技术自主研发的力度。

在塔式太阳能热发电系统中，吸热器开口处需要聚集定口镜场中成百上千个定日镜所反射的能量，因此，计算吸热器开口处热功率大小，进行合理的定日镜场和吸热器设计，使定口镜场所汇集的能量能够被有效地接收，是提高塔式太阳能热电系统能量转换效率、降低发电成本的必然途径。

1吸热器开口处热功率的大小

1.1太阳能聚集的能流图

太阳辐射能在自定日镜反射至吸热器开口的过程中，主要存在镜面损失、余弦损失、阴影和阻挡损失、大气衰减损失和溢出损失。

由此可以绘制出太阳直射辐射能聚集到吸热器开口处的能流图，如图1所示。

图1　太阳能聚集的能流

在定日镜场布置和吸热器设计中，要考虑到这些损失产生的原因，并适当加以减免，才能更加有效地利用太阳辐射能。

1.2定日镜场的布置范围

定日镜场多采用北场布置，定日镜一般采用Radial-Staggering排列。由于定日镜场的投资成本一般占整个塔式太阳能热发电系统总投资成本的40%～50%。为此，定日镜应摆放在利用效率较高的区域，以降低投资成本。

由于余弦效率、大气透过效率以及截断效率均与定日镜所在的坐标位置有关，而与其几何尺寸及所处姿态无关，可将三者的乘积定义为当地定日镜利用效率ηlocal，其大小为

ηlocal=ηcos·ηatt·ηint

(1)

式中，ηcos为余弦效率，ηatt为大气透过效率，ηint为截断效率。具体计算详见文献[7]。

当地定日镜利用效率大小意味着在设计条件(包括目标点高度、吸热器开口情况及定日镜性能等因素)下，在当地所在位置处摆放定日镜时，对当地太阳直射辐射能可聚集的最大程度。因而，其数值大小可用于指导和限定定日镜的摆放。

同时，为了避免接收塔对定日镜场产生过多的遮挡，最近一排定日镜距离接收塔的距离Rmin为

Rmin=(0.8~1.0)Ht

(2)

式中，Ht为接收塔光学高度。

因此，定日镜就布置在这一内圆弧和当地定日镜利用效率限定值的这一外边界所限定的范围内，以更有效地聚集太阳辐射能，为降低投资成本和发电成本提供条件，如图2所示。

图2　定日镜场的布置范围

1.3定日镜场的占地密度

Radial-Staggering排列的优点是避免了定日镜处于相邻定日镜的反射光线正前方所造成的光学阻挡损失(图3a)。由于在这种布置中，随着布置半径的增大，定日镜之间的周向间距会急剧增加。为了有效的利用占地，需要重新进行分区(图3b)。

图3　定日镜布置

为此，定义定日镜的占地密度ρhelio可定义为

(3)

式中，Nhelio为定日镜的个数，Ahelio为单个定日镜的面积，Aland为定日镜场的占地面积。

在塔式电站中，定日镜的占地密度一般在0.2左右。

1.4吸热器开口处热功率计算

在将定日镜合理摆放在有效区域内，适当减小定日镜各项损失的基础上，吸热器开口处所能获得的热功率P大小可以由下式来进行计算

P=Aland×ρhelio×DNI×ηlocal×ηsh∝b×ηmir

(4)

式中，ηsh∝b为克服阴影和阻挡损失后镜面的利用效率，ηmir为镜面效率，DNI为当地太阳直射辐照强度。

由上式可知，在当地太阳辐射资源一定的情况下，吸热器开口处所能获得的热功率大小就与定日镜场的布置范围Aland、定日镜的占地密度ρhelio以及定日镜场的光学效率有关。

2吸热器开口处热功率的影响因素

2.1计算条件

采用Matlab编程，以接收塔地基中心为坐标原点，在其北部1 000 m×1 000 m地面范围内划分均匀网格，对设计条件下不同吸热器开口以及不同接收塔光学高度下吸热器开口处的热功率进行了计算。计算中假定吸热器开口为正方形，并向镜场布置方向上有一定的倾斜角度。定日镜布置在0.8 Ht内圆弧和当地定日镜利用效率大于0.8的外边界所限定的范围内。由于定日镜在设计摆放条件下，阴影和阻挡损失会比较小，因此，在定日镜场的光学效率计算中将其忽略。计算用参数如表1所示。

2.2计算结果及讨论

计算结果如图4、图5所示。图4为吸热器开口8 m×8 m时，不同吸热器开口倾角下吸热器开口处热功率。由图可见，在吸热器开口尺寸一定的情况下，起初随着接收塔光学高度的增加，吸热器开口处所能获得的热功率增大；但当接收塔光学高度增加到一定数值之后，吸热器开口处所能获得的热功率却逐渐减小。在吸热器开口倾斜角度从10°增加到25°、接收塔光学高度从20 m增加到180 m的过程中，吸热器开口处的热功率仅在17~26 MWh范围内变化，且吸热器开口倾角越小，曲线越显平坦，热功率变化越小。在接收塔高度小于100 m之前，吸热器开口倾斜角度大小对吸热器开口处的热功率影响不大。

表1　计算用参数

图5为吸热器开口倾角一定时，不同吸热器开口尺寸下吸热器开口处热功率情况。由图可见，在吸热器开口倾角一定的情况下，随着接收塔光学高度的增加，不同尺寸的吸热器开口处所能获得的热功率也出现了先增加而后减小的情况，即存在一个最佳的接收塔光学高度。不同吸热器开口尺寸下所对应的最佳接收塔光学高度和吸热器开口处所获得的最大热功率如表2所示。

表2　不同吸热器开口尺寸下对应的最佳参数

由图5和表2所示，最佳接收塔光学高度的数值随着吸热器开口尺寸的增加而增大。在最佳接收塔光学高度附近，吸热器开口处热功率大小随接收塔光学高度的变化不太明显，而随吸热器开口尺寸的增加而有较大的增长。当吸热器开口尺寸从4 m×4 m增加到8 m×8 m和12 m×12 m时，吸热器开口处所能获得的最大热功率也从6.67 MWh增大到25.10 MWh和51.96 MWh，分别增加了近4倍和8倍。而当吸热器开口尺寸4 m×4 m时，在最佳接收塔光学高度之上若继续增加接收塔的高度，仅会使大气衰减损失和溢出损失增大而导致当地定日镜利用效率降低和定日镜场的布置范围显著缩小，而无法有效地在吸热器开口聚集到太阳直射辐射能，导致吸热器开口处所获得的热功率反而越来越小。

由以上计算结果分析可知，在当地太阳辐射资源一定的情况下，接收塔光学高度、吸热器开口的倾斜角度、吸热器开口尺寸等参数大小都将影响公式(4)中当地定日镜利用效率ηlocal和定日镜场的布置范围Aland，进而影响吸热器开口处热功率大小。其中，吸热器开口倾斜角度的变化对吸热器开口处热功率的影响较小，接收塔光学高度对吸热器开口处热功率的影响较大，而吸热器开口尺寸大小对于吸热器开口处热功率大小的影响最大。要想在吸热器开口处获得较大的热功率，应优先考虑增大吸热器开口尺寸。

图4　不同吸热器开口倾角下吸热器开口处热功率与接

图5　不同吸热器开口尺寸下吸热器开口处热功率与接收

3结论

分析了塔式太阳能热发电系统中太阳能自定日镜反射至吸热器开口处整个过程中对太阳辐射能的利用情况，进而分析了影响吸热器开口处热功率大小的因素。主要结论如下：

1)太阳辐射能在自定日镜反射至吸热器开口的过程中，主要存在镜面损失、余弦损失、阴影和阻挡损失、大气衰减损失和溢出损失。可由最近一排定日镜和当地定日镜利用效率大小来限定定日镜场的布置范围，并通过定日镜的合理摆放，以更有效地聚集太阳能。

2)在以上研究基础上，吸热器开口处所能获得的热功率大小与接收塔光学高度、吸热器开口倾斜角度以及吸热器开口尺寸大小等因素有关，其中，吸热器开口尺寸大小对于吸热器开口处热功率大小的影响最大。在当地太阳辐射资源一定的情况下，要想在吸热器开口处获得较大的热功率，需优先考虑增大吸热器开口尺寸，同时优化选取接收塔光学高度及吸热器开口倾斜角度等其它参数。

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(责任编辑佟金锴校对张凯)

Thermal Power Calculation of Heat Receiver Aperture in Solar Power Tower Plant

ZHANG Hong-lia,WANG Shu-qunb,WANG Cun-xua,ZHAO Yana

(a.School of Renewable Energy;b.School of Energy and Power Engineering,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province)

Abstract：Based on the solar energy flow from the heliostats to the receiver aperture in the solar tower power system,the thermal power received at the receiver aperture and its affecting factors was inverstigated by numerical simulation.The results showed that the local land efficiency and the first row of the heliostats could be used to confine the domain of the heliostat field,furthermore,the heliostats needed to be placed in reasonable postions,so as to collect more solar energy.The thermal power received at the receiver aperture depended mainly on the height of the tower,the tilted angle and size of the receiver aperture,etc.,and the size of the receiver aperture had the greatest impact.As a result,it was preferred when larger power was expected at the receiver aperture.

Key words：solar power tower system;heliostat;tower;receiver

中图分类号：TK513.1

文献标识码：A

文章编号：1673-1603(2016)01-0006-05

DOI：10.13888/j.cnki.jsie(ns).2016.01.002

作者简介：张宏丽(1971-)，女，黑龙江海林人，副教授，博士，主要从事太阳能热利用方面的研究。

收稿日期：2015-10-15