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CSPPLAZA光熱發電網訊：作為國內(nei)最早進入光(guang)熱(re)領域(yu)的行(xing)業開拓(tuo)者之一，常州龍(long)(long)騰光(guang)熱(re)科技股份有限公司（以下簡稱“龍(long)(long)騰光(guang)熱(re)”）擁(yong)有成熟的技術(shu)(shu)、豐富的集熱(re)器生(sheng)產安裝(zhuang)交付(fu)經驗(yan)，以及經優化(hua)驗(yan)證的槽式(shi)太(tai)陽(yang)能(neng)集熱(re)場解決(jue)方案。其(qi)為烏拉特100MW槽式(shi)項目(mu)(mu)提供(gong)核心(xin)(xin)鏡場裝(zhuang)備(bei)，首次(ci)實現了光(guang)熱(re)核心(xin)(xin)技術(shu)(shu)和裝(zhuang)備(bei)的國產化(hua)替代，圓滿完成了國家第(di)一批示范項目(mu)(mu)的示范目(mu)(mu)標。

在6月12日于杭州召開的(de)2023第(di)十屆中(zhong)國(guo)國(guo)際(ji)光(guang)熱大會上，龍騰光(guang)熱技術總監盧智恒博士作了題為《從理(li)(li)論(lun)到實際(ji)：各種客觀(guan)因(yin)素(su)對光(guang)熱發(fa)電(dian)系(xi)(xi)統(tong)效(xiao)率曲線(xian)的(de)影(ying)響》的(de)報告，從光(guang)熱發(fa)電(dian)系(xi)(xi)統(tong)的(de)理(li)(li)論(lun)效(xiao)率曲線(xian)出發(fa)，通過比照實際(ji)客觀(guan)條件，將理(li)(li)論(lun)效(xiao)率曲線(xian)的(de)四個簡(jian)化假設逐一還(huan)原(yuan)為客觀(guan)真實數值(zhi)，并詳細分析(xi)了這(zhe)些客觀(guan)數值(zhi)對光(guang)熱發(fa)電(dian)效(xiao)率曲線(xian)所產生的(de)影(ying)響。

理論效率曲線及其簡化假設

光熱(re)(re)發電(dian)(dian)系統(tong)(tong)的(de)效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)(lv)通(tong)常(chang)由兩部(bu)分組成(cheng)：光熱(re)(re)集熱(re)(re)系統(tong)(tong)的(de)集熱(re)(re)效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)(lv)和熱(re)(re)力系統(tong)(tong)循環(huan)系統(tong)(tong)的(de)發電(dian)(dian)效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)(lv)。下(xia)(xia)圖(tu)是常(chang)見的(de)光熱(re)(re)發電(dian)(dian)系統(tong)(tong)效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)(lv)曲線(xian)，其中橫坐(zuo)標(biao)是系統(tong)(tong)的(de)熱(re)(re)源工(gong)作溫度，縱(zong)坐(zuo)標(biao)是系統(tong)(tong)整體光電(dian)(dian)效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)(lv)，每一個不(bu)同顏色的(de)線(xian)代表不(bu)同的(de)聚光比。此(ci)圖(tu)反(fan)映(ying)的(de)是在不(bu)同聚光比下(xia)(xia)，系統(tong)(tong)整體發電(dian)(dian)效(xiao)(xiao)率(lv)(lv)(lv)隨(sui)熱(re)(re)源工(gong)作溫度的(de)變化。

光熱發電系統(tong)效率(lv)的(de)表達式

上(shang)(shang)圖(tu)這些(xie)效率(lv)(lv)曲(qu)(qu)線(xian)是理論(lun)效率(lv)(lv)曲(qu)(qu)線(xian)，要得到這些(xie)理論(lun)效率(lv)(lv)曲(qu)(qu)線(xian)，實(shi)際上(shang)(shang)采取了(le)四個簡化(hua)假(jia)設，其(qi)中包(bao)括：

1.除吸收率以外(wai)光學(xue)效率η_optics=1，也就是說以集熱系(xi)統(tong)總反射面積(ji)計算的所有能量都可以抵達吸熱器(qi)，中間不存(cun)在光學(xue)損失。

2.吸(xi)(xi)熱器吸(xi)(xi)收率(lv)α=1，也就是(shi)抵(di)達吸(xi)(xi)熱器的所有能(neng)量都被吸(xi)(xi)收掉。

3.熱(re)損(sun)失只(zhi)考慮輻(fu)射(she)換熱(re)，忽略對流(liu)熱(re)損(sun)失，并且假設熱(re)輻(fu)射(she)為黑體輻(fu)射(she)，發(fa)射(she)率(lv)ε=1。

4.發電循環(huan)效(xiao)(xiao)率按(an)理想卡(ka)諾循環(huan)效(xiao)(xiao)率考慮。

將上(shang)述假設分別代入光熱發電效(xiao)率，即可得到如下表達式：

實際情況導致的變化

上述(shu)內容簡述(shu)了理想情況和四個(ge)簡化假設，如果把這些(xie)簡化假設用實(shi)際條件去替代，會發生什么(me)變化呢？

（一）實際光學效率和吸(xi)收率的影響

光(guang)學效(xiao)率(lv)(lv)由于(yu)客觀存在的余弦效(xiao)應、反(fan)射鏡(jing)反(fan)射率(lv)(lv)、反(fan)射鏡(jing)面清潔度、吸(xi)熱器清潔度、沿程光(guang)強損(sun)失(shi)(shi)、跟(gen)蹤(zong)系統精度、玻璃罩管透過率(lv)(lv)、集熱管有(you)效(xiao)長度、攔截率(lv)(lv)等(deng)各種各樣的損(sun)失(shi)(shi)，實(shi)際數值(zhi)總是小于(yu)1。對(dui)于(yu)吸(xi)熱器的吸(xi)收(shou)率(lv)(lv)，考慮(lv)目前的工藝水平(ping)(ping)，槽式(shi)采用(yong)(yong)選(xuan)擇性(xing)吸(xi)收(shou)涂層和塔式(shi)采用(yong)(yong)高吸(xi)收(shou)率(lv)(lv)涂漆(qi)，實(shi)際吸(xi)收(shou)率(lv)(lv)雖然小于(yu)1，但(dan)基(ji)本可以達到約95%的水平(ping)(ping)。

圖：余弦效應

導致上(shang)述光學效(xiao)率損失的客(ke)觀因素是自然氣象(xiang)條(tiao)件。光熱(re)電站一般(ban)建設(she)在沙(sha)漠(mo)、戈壁、荒地地區，大(da)多面臨沙(sha)塵(chen)、大(da)風(feng)、低溫等自然氣象(xiang)條(tiao)件。

我國適合建設光(guang)(guang)熱電站的(de)(de)(de)(de)區(qu)域(yu)主(zhu)要(yao)分布(bu)在西(xi)北部，氣(qi)象條件(jian)的(de)(de)(de)(de)挑戰尤為突(tu)出。頻(pin)發的(de)(de)(de)(de)沙塵天(tian)氣(qi)會降低反射(she)鏡面(mian)、吸熱器(qi)的(de)(de)(de)(de)清(qing)潔(jie)度(du)，同時(shi)也會降低大(da)(da)氣(qi)通透(tou)度(du)，沙塵、氣(qi)溶膠對光(guang)(guang)線的(de)(de)(de)(de)散射(she)會加(jia)大(da)(da)光(guang)(guang)線從反射(she)面(mian)到(dao)吸熱器(qi)的(de)(de)(de)(de)沿程光(guang)(guang)強(qiang)損(sun)失，后者對反射(she)光(guang)(guang)程較短的(de)(de)(de)(de)槽式技(ji)(ji)術較低，但對反射(she)光(guang)(guang)程較長的(de)(de)(de)(de)塔(ta)式技(ji)(ji)術影響較為顯著。

圖：沙(sha)塵天氣造成大氣通透(tou)度(du)降低

圖：不同(tong)大氣能(neng)見度下的沿程光(guang)強損失

普遍存在的(de)瞬時或日內(nei)大(da)風天氣，會影(ying)響系統的(de)攔截(jie)率(lv)。槽式技術的(de)反射(she)鏡(jing)(jing)與(yu)集熱(re)管為一體化固定(ding)安裝，相對位置固定(ding)，整體跟蹤太陽聚光(guang)，且反射(she)光(guang)程(cheng)較短，受(shou)風載荷時攔截(jie)率(lv)變化較小一些；塔式技術的(de)定(ding)日鏡(jing)(jing)與(yu)吸熱(re)器為各自獨立安裝，且反射(she)光(guang)程(cheng)較長，受(shou)風載荷時塔的(de)擺動和定(ding)日鏡(jing)(jing)的(de)抖動會使(shi)定(ding)日鏡(jing)(jing)的(de)正確(que)對焦造(zao)成較大(da)困難，導致容(rong)易(yi)出現冷熱(re)斑、焦點偏(pian)離、溢出損失等現象，攔截(jie)率(lv)的(de)變化較為明(ming)顯。

因(yin)此，將(jiang)實際光學(xue)效率與吸熱器吸收率代替(ti)簡化(hua)(hua)假(jia)設后(hou)，以100倍聚光比為代表的槽式技術和以500倍聚光比為代表的塔式技術，兩者的效率曲線變化(hua)(hua)如下圖(tu)所示：

圖(tu)：代(dai)入(ru)實際光(guang)學效率和吸(xi)熱器吸(xi)收率后效率曲(qu)線的變化情況

（二）實際對流熱(re)損失和輻射熱(re)損失的影響

對(dui)流(liu)熱(re)損(sun)失(shi)是客觀(guan)存(cun)在(zai)的(de)，考慮實際對(dui)流(liu)熱(re)損(sun)失(shi)情況，包括(kuo)強制(zhi)對(dui)流(liu)和自(zi)然(ran)對(dui)流(liu)兩(liang)部分，兩(liang)者組成混(hun)合(he)(he)對(dui)流(liu)熱(re)損(sun)失(shi)。按(an)照目前工藝(yi)水平，槽式技術的(de)混(hun)合(he)(he)對(dui)流(liu)熱(re)損(sun)失(shi)數(shu)值約(yue)為1300 W/㎡（按(an)3 m/s風速(su)考慮，下(xia)同(tong)），而塔式技術的(de)數(shu)值約(yue)為10400 W/㎡。

考慮(lv)實際輻射(she)(she)熱損(sun)失，按(an)照目前工(gong)藝技(ji)術(shu)水平，槽式集(ji)熱管選(xuan)擇性(xing)涂(tu)層在(zai)工(gong)作溫(wen)度(du)下的(de)發射(she)(she)率(lv)約為9.5%，塔(ta)式吸(xi)熱器的(de)高(gao)吸(xi)收率(lv)涂(tu)漆在(zai)工(gong)作溫(wen)度(du)下的(de)發射(she)(she)率(lv)一般為80%至(zhi)89%。兩(liang)者雖(sui)然都(dou)小(xiao)于1，但(dan)差別非常顯(xian)著。

我國西北部地(di)區冬季普遍(bian)存在(zai)的零下20℃至30℃的極端低(di)溫天氣，是(shi)造成上述熱(re)損(sun)失的情況顯著的客觀(guan)因素，無論是(shi)槽式還是(shi)塔式，低(di)溫都(dou)會增加吸(xi)熱(re)器、管(guan)道的輻(fu)射和對(dui)流散熱(re)損(sun)失，減少系統的有效(xiao)集熱(re)量，最(zui)終(zhong)造成系統集熱(re)效(xiao)率的降(jiang)低(di)。

但具體實(shi)踐中，兩者存(cun)在(zai)差別：槽式真(zhen)空(kong)集熱(re)(re)管(guan)(guan)的選(xuan)擇性吸(xi)收光學特性，發射(she)(she)率(lv)(lv)低，能夠有效減(jian)少輻射(she)(she)熱(re)(re)損(sun)失(shi)，玻(bo)璃(li)罩管(guan)(guan)和金屬管(guan)(guan)之間的真(zhen)空(kong)結構，可以(yi)極大減(jian)少對(dui)流(liu)換熱(re)(re)損(sun)失(shi)；而塔(ta)式吸(xi)熱(re)(re)器的高(gao)(gao)溫(wen)管(guan)(guan)屏是直接(jie)暴(bao)露在(zai)冷空(kong)氣(qi)中，對(dui)流(liu)熱(re)(re)損(sun)失(shi)較高(gao)(gao)，管(guan)(guan)屏外表面涂覆的油漆，發射(she)(she)率(lv)(lv)仍然較高(gao)(gao)，因此輻射(she)(she)熱(re)(re)損(sun)失(shi)也處于較高(gao)(gao)水(shui)平。

因此，將實際對流(liu)熱損失和(he)輻射熱損失的(de)影(ying)響代入效率曲線時(shi)，變為下(xia)圖情況：

圖(tu)：代入實際對流熱損失和輻射熱損失后效(xiao)率(lv)曲線的變化情況

（三）實際發電循(xun)環效率的(de)影(ying)響

考(kao)慮實際發(fa)電循(xun)(xun)環效(xiao)率(lv)(lv)(lv)(lv)，無(wu)論是槽式還是塔式，目前采用的(de)熱力循(xun)(xun)環都是蒸(zheng)汽(qi)朗肯循(xun)(xun)環，與理想卡諾循(xun)(xun)環存在(zai)差距(ju)，可以在(zai)卡諾循(xun)(xun)環效(xiao)率(lv)(lv)(lv)(lv)中乘以一個小于1的(de)系(xi)數(shu)(shu)η_discount表(biao)示。按(an)照目前汽(qi)輪(lun)機的(de)工藝(yi)水(shui)平，槽式汽(qi)輪(lun)機組(zu)的(de)主蒸(zheng)汽(qi)溫度為(wei)(wei)(wei)381℃，實際汽(qi)機效(xiao)率(lv)(lv)(lv)(lv)為(wei)(wei)(wei)38.5%，因此(ci)η_discount的(de)數(shu)(shu)值(zhi)約為(wei)(wei)(wei)0.707，而塔式汽(qi)輪(lun)機組(zu)的(de)主蒸(zheng)汽(qi)溫度為(wei)(wei)(wei)535℃，實際汽(qi)機效(xiao)率(lv)(lv)(lv)(lv)為(wei)(wei)(wei)43.0%，因此(ci)η_discount的(de)數(shu)(shu)值(zhi)約為(wei)(wei)(wei)0.681。槽式和塔式兩種技術(shu)的(de)數(shu)(shu)值(zhi)較為(wei)(wei)(wei)接近。

因此，將(jiang)實際發電循(xun)環效(xiao)率(lv)的(de)影響代入效(xiao)率(lv)曲(qu)線時(shi)，則得到(dao)最終的(de)實際效(xiao)率(lv)曲(qu)線，如下(xia)圖所示：

圖：代(dai)入(ru)實際發電(dian)循環效率后效率曲線的變(bian)化情況

最終實際效率曲線

為便于(yu)對比，將(jiang)理論(lun)效率曲線和最終實際(ji)效率曲線摘(zhai)錄出來單獨繪制，可得下圖結(jie)果(guo)：

圖：理論效率曲(qu)線(xian)與最(zui)終實際效率曲(qu)線(xian)的對(dui)比情況

經過上圖的對比情況可(ke)知：

-以100倍聚(ju)光比為(wei)(wei)代(dai)表的(de)槽式技術，理(li)論(lun)最高(gao)效率為(wei)(wei)49.7%，理(li)論(lun)最佳熱源(yuan)溫度(du)為(wei)(wei)445℃，而實(shi)際(ji)情況(kuang)下的(de)最高(gao)效率變為(wei)(wei)32.7%，最佳熱源(yuan)溫度(du)變為(wei)(wei)775℃。

-以500倍聚光(guang)比為(wei)(wei)代表的(de)塔式技術，理(li)論最(zui)高效率為(wei)(wei)62.3%，理(li)論最(zui)佳熱源溫(wen)度(du)為(wei)(wei)695℃，而實際情況下(xia)的(de)最(zui)高效率變為(wei)(wei)23.6%，最(zui)佳熱源溫(wen)度(du)變為(wei)(wei)610℃。

-與理論效(xiao)率(lv)曲線相(xiang)比(bi)，槽式和(he)塔式的實際情(qing)況出現了“反轉”。

-按照目前的工藝水平，槽式(shi)技術在實際工作溫(wen)度(du)395℃下對應的整體(ti)(ti)發(fa)電效(xiao)率為27.5%，塔(ta)式(shi)技術在實際工作溫(wen)度(du)565℃下對應的整體(ti)(ti)發(fa)電效(xiao)率為23.5%。

結論

綜(zong)合上(shang)述(shu)分析，盧智恒(heng)博士(shi)得出(chu)了關(guan)于光熱發電系(xi)統效率曲線(xian)的(de)相關(guan)結論(lun)如下:

1、光熱發(fa)電系(xi)統的(de)(de)理論效率曲線是通過一系(xi)列(lie)假設簡化后得到的(de)(de)結果。

2、理(li)論(lun)效率(lv)曲線顯示，在相同聚光比(bi)下，存(cun)在一個最(zui)佳熱源(yuan)溫度，使系統的整體發電效率(lv)達到(dao)最(zui)高值。

3、考慮客(ke)觀情況，將(jiang)實際數值(zhi)逐(zhu)一(yi)代(dai)替簡化假(jia)設(she)后(hou)，可得到實際效率曲線。

4、實(shi)際(ji)效率(lv)曲(qu)(qu)線(xian)與理論效率(lv)曲(qu)(qu)線(xian)相差較大，槽式(shi)和塔(ta)式(shi)的最高效率(lv)、最佳熱源(yuan)溫度(du)情況甚(shen)至發生了“反(fan)轉”。實(shi)際(ji)效率(lv)曲(qu)(qu)線(xian)顯示(shi)，槽式(shi)技術在實(shi)際(ji)工(gong)作溫度(du)下的整體發電效率(lv)為27.5%，塔(ta)式(shi)則為23.5%。