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CSPPLAZA光熱發電網訊：作為(wei)國內(nei)最早進入(ru)光熱(re)(re)領域(yu)的行業開拓者之(zhi)一，常州龍騰光熱(re)(re)科(ke)技股份有限公司（以下(xia)簡稱“龍騰光熱(re)(re)”）擁有成熟的技術(shu)、豐富的集熱(re)(re)器生(sheng)產安裝(zhuang)交付經驗，以及經優(you)化驗證的槽式(shi)太陽(yang)能集熱(re)(re)場(chang)解決方案。其為(wei)烏拉特100MW槽式(shi)項目提供核(he)心鏡場(chang)裝(zhuang)備，首次實現了光熱(re)(re)核(he)心技術(shu)和裝(zhuang)備的國產化替(ti)代，圓(yuan)滿完成了國家第(di)一批(pi)示范項目的示范目標。

在6月12日于杭州召開的(de)2023第十屆(jie)中國國際(ji)光(guang)(guang)熱(re)(re)大(da)會上(shang)，龍騰光(guang)(guang)熱(re)(re)技術總監盧智(zhi)恒博士(shi)作了(le)題(ti)為(wei)《從理論(lun)到實際(ji)：各種客(ke)(ke)觀(guan)因素對(dui)光(guang)(guang)熱(re)(re)發(fa)電(dian)系統效(xiao)率(lv)曲(qu)線(xian)的(de)影響》的(de)報告(gao)，從光(guang)(guang)熱(re)(re)發(fa)電(dian)系統的(de)理論(lun)效(xiao)率(lv)曲(qu)線(xian)出發(fa)，通過比(bi)照實際(ji)客(ke)(ke)觀(guan)條件，將理論(lun)效(xiao)率(lv)曲(qu)線(xian)的(de)四個(ge)簡化假設逐一還原為(wei)客(ke)(ke)觀(guan)真實數(shu)(shu)值，并詳細分析了(le)這些客(ke)(ke)觀(guan)數(shu)(shu)值對(dui)光(guang)(guang)熱(re)(re)發(fa)電(dian)效(xiao)率(lv)曲(qu)線(xian)所產生的(de)影響。

理論效率曲線及其簡化假設

光熱發電(dian)(dian)系(xi)統(tong)的(de)效率(lv)(lv)通常由兩(liang)部(bu)分組成：光熱集熱系(xi)統(tong)的(de)集熱效率(lv)(lv)和(he)熱力(li)系(xi)統(tong)循環系(xi)統(tong)的(de)發電(dian)(dian)效率(lv)(lv)。下(xia)圖是常見(jian)的(de)光熱發電(dian)(dian)系(xi)統(tong)效率(lv)(lv)曲線，其中(zhong)橫坐標是系(xi)統(tong)的(de)熱源(yuan)工作溫度，縱坐標是系(xi)統(tong)整體光電(dian)(dian)效率(lv)(lv)，每(mei)一個不(bu)同顏色的(de)線代(dai)表不(bu)同的(de)聚(ju)光比。此(ci)圖反映的(de)是在(zai)不(bu)同聚(ju)光比下(xia)，系(xi)統(tong)整體發電(dian)(dian)效率(lv)(lv)隨熱源(yuan)工作溫度的(de)變化。

光熱發電系統效率的表達式

上圖這些(xie)效率曲線(xian)(xian)是(shi)理論效率曲線(xian)(xian)，要得到(dao)這些(xie)理論效率曲線(xian)(xian)，實際上采(cai)取了四個簡化假設，其中包(bao)括：

1.除吸收率以外光(guang)學效率η_optics=1，也就是說(shuo)以集(ji)熱(re)系統總反射面積計算的所有能量都可以抵達吸熱(re)器，中間(jian)不(bu)存在光(guang)學損失(shi)。

2.吸熱器吸收(shou)率α=1，也(ye)就是(shi)抵達吸熱器的所有能量都被吸收(shou)掉。

3.熱(re)(re)損失只(zhi)考慮(lv)輻(fu)(fu)射(she)換熱(re)(re)，忽略對(dui)流熱(re)(re)損失，并(bing)且假設熱(re)(re)輻(fu)(fu)射(she)為黑(hei)體(ti)輻(fu)(fu)射(she)，發射(she)率(lv)ε=1。

4.發電循(xun)環效率按理想(xiang)卡諾循(xun)環效率考慮。

將上述假設分別(bie)代入光(guang)熱發電效率，即可得(de)到如下表(biao)達式：

實際情況導致的變化

上(shang)述(shu)內(nei)容簡(jian)述(shu)了理想情(qing)況和四個簡(jian)化(hua)假設，如果把這些簡(jian)化(hua)假設用實(shi)際條件(jian)去替代，會發生什么變化(hua)呢？

（一(yi)）實際光學(xue)效率(lv)和吸收率(lv)的影響

光學效(xiao)率(lv)由于(yu)客(ke)觀(guan)存在(zai)的(de)余(yu)弦效(xiao)應、反(fan)射鏡反(fan)射率(lv)、反(fan)射鏡面清潔度、吸(xi)(xi)熱(re)器(qi)(qi)清潔度、沿程光強損失(shi)、跟蹤系統精度、玻璃罩管透過率(lv)、集熱(re)管有效(xiao)長度、攔(lan)截(jie)率(lv)等各種各樣的(de)損失(shi)，實際數值總是(shi)小于(yu)1。對于(yu)吸(xi)(xi)熱(re)器(qi)(qi)的(de)吸(xi)(xi)收(shou)率(lv)，考慮目前的(de)工(gong)藝(yi)水平，槽式(shi)采(cai)用選擇性吸(xi)(xi)收(shou)涂層和(he)塔式(shi)采(cai)用高(gao)吸(xi)(xi)收(shou)率(lv)涂漆，實際吸(xi)(xi)收(shou)率(lv)雖然小于(yu)1，但基本可以達(da)到約95%的(de)水平。

圖：余弦效應

導致上述光學效(xiao)率損失(shi)的(de)客觀(guan)因素是自(zi)然氣(qi)象(xiang)條件。光熱電站一般(ban)建設在沙(sha)漠、戈壁、荒(huang)地地區(qu)，大多面臨沙(sha)塵、大風、低溫等自(zi)然氣(qi)象(xiang)條件。

我(wo)國(guo)適合建設光熱(re)電站的(de)區(qu)域(yu)主要分布(bu)在西(xi)北部，氣(qi)象條件的(de)挑戰尤為(wei)突出(chu)。頻發的(de)沙塵(chen)天氣(qi)會(hui)降低反(fan)射(she)鏡面、吸熱(re)器的(de)清潔(jie)度(du)，同(tong)時也會(hui)降低大氣(qi)通透度(du)，沙塵(chen)、氣(qi)溶(rong)膠對光線的(de)散射(she)會(hui)加大光線從反(fan)射(she)面到(dao)吸熱(re)器的(de)沿程光強損失，后(hou)者對反(fan)射(she)光程較短的(de)槽式技(ji)術(shu)較低，但對反(fan)射(she)光程較長的(de)塔式技(ji)術(shu)影響較為(wei)顯著(zhu)。

圖：沙(sha)塵(chen)天(tian)氣(qi)造成(cheng)大氣(qi)通透度(du)降(jiang)低

圖：不同大氣(qi)能見度(du)下的沿程光強損失

普遍存在的(de)瞬時(shi)或日(ri)內大(da)(da)風天氣，會影響系統的(de)攔(lan)(lan)截率。槽式(shi)技(ji)(ji)術(shu)的(de)反射(she)鏡與集熱管為(wei)一體(ti)化固定(ding)安裝，相(xiang)對(dui)位置固定(ding)，整體(ti)跟蹤太陽聚(ju)光(guang)，且反射(she)光(guang)程(cheng)較(jiao)(jiao)短，受(shou)風載荷(he)時(shi)攔(lan)(lan)截率變化較(jiao)(jiao)小一些；塔式(shi)技(ji)(ji)術(shu)的(de)定(ding)日(ri)鏡與吸(xi)熱器為(wei)各自獨立(li)安裝，且反射(she)光(guang)程(cheng)較(jiao)(jiao)長，受(shou)風載荷(he)時(shi)塔的(de)擺動和定(ding)日(ri)鏡的(de)抖動會使定(ding)日(ri)鏡的(de)正確對(dui)焦造成較(jiao)(jiao)大(da)(da)困難，導致容易出現(xian)冷熱斑、焦點(dian)偏(pian)離(li)、溢出損失(shi)等現(xian)象，攔(lan)(lan)截率的(de)變化較(jiao)(jiao)為(wei)明顯。

因此，將實際光(guang)學效率(lv)與吸(xi)熱器吸(xi)收率(lv)代(dai)替簡化假設(she)后(hou)，以100倍聚光(guang)比(bi)為(wei)代(dai)表的槽式技術和以500倍聚光(guang)比(bi)為(wei)代(dai)表的塔式技術，兩(liang)者的效率(lv)曲線變化如下(xia)圖所(suo)示(shi)：

圖：代入實(shi)際光學效(xiao)率(lv)和吸(xi)熱器吸(xi)收(shou)率(lv)后效(xiao)率(lv)曲線的(de)變化(hua)情(qing)況

（二）實(shi)際對流熱(re)(re)損失和輻射熱(re)(re)損失的影響

對(dui)流(liu)熱損(sun)失(shi)是客觀(guan)存在的，考(kao)慮(lv)實際對(dui)流(liu)熱損(sun)失(shi)情況，包括強制對(dui)流(liu)和(he)自然對(dui)流(liu)兩(liang)部分(fen)，兩(liang)者(zhe)組成混(hun)合對(dui)流(liu)熱損(sun)失(shi)。按照目前工藝水平(ping)，槽式(shi)技術的混(hun)合對(dui)流(liu)熱損(sun)失(shi)數值約(yue)為1300 W/㎡（按3 m/s風速考(kao)慮(lv)，下同），而塔(ta)式(shi)技術的數值約(yue)為10400 W/㎡。

考慮實際(ji)輻射(she)熱(re)損失(shi)，按照目前(qian)工藝技(ji)術水平，槽式(shi)(shi)集熱(re)管選擇(ze)性(xing)涂(tu)層(ceng)在(zai)工作溫度下(xia)的(de)發射(she)率約為9.5%，塔式(shi)(shi)吸(xi)熱(re)器的(de)高吸(xi)收(shou)率涂(tu)漆在(zai)工作溫度下(xia)的(de)發射(she)率一般為80%至89%。兩者雖然都(dou)小于1，但差別非常(chang)顯著。

我(wo)國(guo)西北部(bu)地區冬季普遍存在的(de)(de)零(ling)下20℃至30℃的(de)(de)極端(duan)低溫(wen)天氣(qi)，是(shi)造(zao)成上(shang)述(shu)熱(re)損(sun)失的(de)(de)情況顯著的(de)(de)客觀(guan)因素，無(wu)論是(shi)槽式還是(shi)塔式，低溫(wen)都會增加吸熱(re)器、管(guan)道的(de)(de)輻射和對流散熱(re)損(sun)失，減(jian)少系統(tong)的(de)(de)有效集(ji)熱(re)量，最終造(zao)成系統(tong)集(ji)熱(re)效率(lv)的(de)(de)降低。

但(dan)具(ju)體實踐中，兩者存在(zai)差別：槽式(shi)真(zhen)空集(ji)熱(re)(re)管的選擇性吸收(shou)光學特性，發射(she)(she)率低，能(neng)夠有效(xiao)減(jian)少(shao)輻射(she)(she)熱(re)(re)損(sun)(sun)失(shi)(shi)，玻璃罩管和(he)金屬管之間的真(zhen)空結構，可以極大減(jian)少(shao)對(dui)流(liu)(liu)換熱(re)(re)損(sun)(sun)失(shi)(shi)；而塔式(shi)吸熱(re)(re)器的高(gao)(gao)(gao)溫管屏是直接暴露(lu)在(zai)冷空氣中，對(dui)流(liu)(liu)熱(re)(re)損(sun)(sun)失(shi)(shi)較(jiao)高(gao)(gao)(gao)，管屏外表面涂覆的油漆，發射(she)(she)率仍然較(jiao)高(gao)(gao)(gao)，因(yin)此輻射(she)(she)熱(re)(re)損(sun)(sun)失(shi)(shi)也處于較(jiao)高(gao)(gao)(gao)水(shui)平。

因(yin)此，將實際對流(liu)熱損失和(he)輻射熱損失的(de)影響代(dai)入效率曲線時，變為下(xia)圖情況(kuang)：

圖：代(dai)入實際對流熱(re)損(sun)(sun)失和輻射熱(re)損(sun)(sun)失后(hou)效率(lv)曲(qu)線(xian)的變(bian)化情況(kuang)

（三）實際發電循環效率的影(ying)響

考慮實(shi)(shi)際發(fa)電循環效(xiao)率(lv)，無論是槽(cao)式還是塔(ta)式，目(mu)前采(cai)用的(de)(de)熱力循環都(dou)是蒸汽(qi)朗(lang)肯循環，與理(li)想卡諾循環存(cun)在差距，可以在卡諾循環效(xiao)率(lv)中乘以一個小(xiao)于1的(de)(de)系數(shu)η_discount表示。按(an)照(zhao)目(mu)前汽(qi)輪機的(de)(de)工(gong)藝水平，槽(cao)式汽(qi)輪機組的(de)(de)主蒸汽(qi)溫(wen)(wen)度為(wei)381℃，實(shi)(shi)際汽(qi)機效(xiao)率(lv)為(wei)38.5%，因此η_discount的(de)(de)數(shu)值約為(wei)0.707，而(er)塔(ta)式汽(qi)輪機組的(de)(de)主蒸汽(qi)溫(wen)(wen)度為(wei)535℃，實(shi)(shi)際汽(qi)機效(xiao)率(lv)為(wei)43.0%，因此η_discount的(de)(de)數(shu)值約為(wei)0.681。槽(cao)式和塔(ta)式兩種技(ji)術的(de)(de)數(shu)值較為(wei)接近。

因(yin)此(ci)，將實(shi)際發電循環效(xiao)率的(de)影響代(dai)入(ru)效(xiao)率曲線時，則得到(dao)最(zui)終的(de)實(shi)際效(xiao)率曲線，如下圖所示：

圖：代(dai)入實際發電(dian)循(xun)環效率(lv)后效率(lv)曲線的變化(hua)情況

最終實際效率曲線

為便于對比，將理論效(xiao)率曲(qu)線(xian)和(he)最終(zhong)實際效(xiao)率曲(qu)線(xian)摘錄出來(lai)單獨繪制，可得下圖結(jie)果：

圖：理論效率曲(qu)線與最終實際(ji)效率曲(qu)線的對比情況

經(jing)過上圖的(de)對比情況可知：

-以100倍(bei)聚光比為(wei)(wei)代表的槽式技術，理論(lun)最高效(xiao)率(lv)為(wei)(wei)49.7%，理論(lun)最佳熱源溫度為(wei)(wei)445℃，而實際情況(kuang)下(xia)的最高效(xiao)率(lv)變為(wei)(wei)32.7%，最佳熱源溫度變為(wei)(wei)775℃。

-以500倍聚(ju)光(guang)比為代(dai)表的(de)塔式技術，理論最(zui)(zui)高效率為62.3%，理論最(zui)(zui)佳熱源溫度為695℃，而實際(ji)情況下的(de)最(zui)(zui)高效率變為23.6%，最(zui)(zui)佳熱源溫度變為610℃。

-與理論(lun)效率曲線相比，槽式和塔式的實際(ji)情況(kuang)出現了“反轉”。

-按照目(mu)前的工(gong)藝水平，槽式技術在(zai)實(shi)際(ji)工(gong)作(zuo)溫度395℃下(xia)對應(ying)的整(zheng)體發(fa)電效率(lv)為27.5%，塔式技術在(zai)實(shi)際(ji)工(gong)作(zuo)溫度565℃下(xia)對應(ying)的整(zheng)體發(fa)電效率(lv)為23.5%。

結論

綜合(he)上述分(fen)析(xi)，盧智恒(heng)博士(shi)得出了關(guan)(guan)于光熱發電(dian)系統效率曲線的相關(guan)(guan)結論如下:

1、光熱發電(dian)系統(tong)的理(li)論效率曲線是通過一系列假設簡(jian)化(hua)后得到的結果。

2、理論效(xiao)(xiao)率曲線顯示(shi)，在相同聚(ju)光比下，存在一個最(zui)佳熱源溫(wen)度，使系統的整(zheng)體發電效(xiao)(xiao)率達到(dao)最(zui)高(gao)值(zhi)。

3、考慮客觀(guan)情況，將實際(ji)數值逐一代替簡化(hua)假設后，可得(de)到實際(ji)效率曲線。

4、實際(ji)效(xiao)率(lv)曲線與理論(lun)效(xiao)率(lv)曲線相差較大，槽式(shi)和塔式(shi)的最(zui)高效(xiao)率(lv)、最(zui)佳熱源溫度情(qing)況甚至發生了“反轉”。實際(ji)效(xiao)率(lv)曲線顯(xian)示，槽式(shi)技術(shu)在實際(ji)工作溫度下的整體發電(dian)效(xiao)率(lv)為27.5%，塔式(shi)則為23.5%。