王 强

（中国广核新能源控股有限公司，北京 100070）

太阳能热发电是一项通过太阳聚光进行热转化发电的新能源应用技术，其具有建造、生产和退役无污染优势的同时，可通过储热系统实现24 h不间断发电。电站依据聚光方式不同，主要分为4种：槽式、塔式、碟式和菲涅尔式，其中槽式技术成熟，塔式技术发展迅速，碟式和菲涅尔式还处于试验阶段，美国等国早在20世纪80年代初就进行了槽式太阳能热发电技术研究，目前在美国和西班牙已建成多座商业化槽式太阳能热发电站。我国太阳能热发电技术的商业化刚刚开始，国家能源局于2016年9月公布了首批20个光热发电示范项目，并在2018年10月建成首个大型商业化光热示范电站。

槽式太阳能热发电技术是利用大规模排列的抛物面镜跟踪聚光，通过聚焦的太阳能加热反射镜焦线上的传热导体，实现光和热的转化，同时利用换热装置产生蒸汽带动传统汽轮机发电。评价槽式集热系统的性能时，核心指标为光和热的转换效率，2001年4月颁布实施的欧洲标准提出了可现场规模化的太阳能集热器热效率试验方法，降低了槽式集热系统的性能试验要求，目前国内对槽式太阳能集热系统性能测试标准尚处于空白，为此本研究通过对进行延庆和德令哈槽式集热系统试验，深入分析数据，对系统性能进行评估并优化动态试验测试方法。

1 集热器性能评价

槽式集热系统的热效率定义为规定时段内传热流体输出的能量与相应时段内槽式集热器采光面积收到的太阳能量之比。因系统长期处于非稳态条件下，考虑运行模式下描述热性能的相关输入参数变化，确定抛物面槽式太阳能集热器热性能动态测试模型

式中：e0、e1、e2、a、b、c和d是7个待定动态模型常量系数，其需要使用集热器热性能试验得到数据进行辨识；θ为集热器的入射角；τ为时间；ta为环境空气温度；te为传热流体的集热器出口温度；ti为传热流体的集热器进口温度；Geni是考虑余弦损失、端部损失和传热流体经集热器时太阳辐照度变化影响的一个有效均化的太阳直射辐照度。

式中：Geni为上文中有效均化太阳直射辐照度；GDN为太阳法向直接辐照度；f为集热器抛物面的焦距；L为集热器的长度；τs为测试数据采集时间间隔；τp为传热流体从集热器进口到出口的流动时间；τi为热流体的集热器进口温度测量记录时间；p为抛物面槽式金属吸热管沿传热流体流动方向划分的等长区域，取决于传热流体从集热器进口到出口的流动时间τp和测试数据采集时间间隔τs，即

式（1）中方程右侧前3项决定集热器与太阳相对位置影响，后2项代表集热器进口温度和环境温度之差造成的热损失。因集热器吸热内管和玻璃外管之间为近似真空，其热损失包括辐射热损失和小范围对流热损失。考虑多变量参数耦合下对系统产生相应关系，采集延庆1 MW槽式太阳能热发电验收性能试验和德令哈50 MW槽式光热发电不同运行参数下的数据与气象数据，分析评价性能的非变量满足条件和不同影响因素的热效率响应。

1.1 非变量

槽式集热系统性能试验传热流体为导热油，是闭式循环系统能量输出，为抵消太阳能量波动对系统控制策略和设备造成的不稳定性，导热油流量需满足系统容量的最大值，安全模式下试验中选定设计数值，数据显示可靠范围为流量偏差小于等于1%。试验采集数据包括3个阶段：聚光工况下导热油出口升温试验、短时间热平衡试验和采光口背向太阳工况下导热油出口降温试验阶段。为比较不同工况下的系统蓄能能力一致，导热油进口温度需在设计值±2%范围内。

1.2 变量

影响集热系统热损失的变量为风速和环境温度，风速不同影响集热器效率曲线截获，环境温度影响对流传热及辐射传热。试验计算集热系统有用输出功率和接收功率，结合玻璃管与环境之间的对流换热

式中：Nu为努塞尔数；Re为室外空气雷诺数；C为对流换热系数；n为迭代次数；m为迭代中止常量；Gr为格拉晓夫数；Pr为普朗特数。金属管与玻璃管内壁的辐射换热为

式中：hr，ga为辐射换热系数；σ为斯蒂芬－玻尔兹曼常数；Tgo为发射膜表面温度；Tsky为辐射空气温度；εabs为玻璃管的发射率，计算抵消温度散热损失，低风速下环境温度与集热器热损失曲线如图1所示。

图1 环境温度与集热器热损失

根据上图拟合无风时热损失曲线，修正高风速时环境温度影响。高风速时聚光器焦点位置会产生偏移，试验期间采集风载下集热器的跟踪精度，根据图2计算均化偏移量热能输出影响。通过试验研究不同环境温度与跟踪偏移角度下的热损失，对风速热损失曲线进行修正，得出近似单一变量的效率曲线，通过长期采集平均风速数据，修正计算集热器热效率如图3所示。

图2 散焦角度对截获率影响

图3 风速与集热器热效率

聚光器采光镜面上，总接受太阳辐照度由直射太阳辐照度和散射太阳辐照度组成，因散射入射角不受太阳直射入射角的影响，因此散射数据所占比重小时可忽略，修正试验数据采用直射辐射入射角。

2 动态试验方法

集热系统动态试验依据能量守恒原理，考虑到测试过程中太阳光线的非法线入射造成的集热器余弦损失，抛物面槽式太阳能集热器效率为

式中：η为集热器热效率；Cf为传热流体定压比热；ρ为传热流体密度；V为传热流体体积流量；te为传热流体出口温度；ti为传热流体进口温度；Aa为集热器采光面积；Gbpe为余弦损失与端部修正后太阳直射辐照度，根据被测抛物面槽式太阳能集热器的布置和跟踪方式计算太阳入射角。试验期间同时测量得到的传热流体的集热器进口温度ti和出口温度te与公式（6）中的这2个参量在时间上是不对应的，因此修正这2个参量的对应函数关系为

式中：F[]为跟随函数；te为传热流体的集热器出口温度；ti为传热流体的集热器进口温度；τi为热流体的集热器进口温度测量记录时间；τp为传热流体从集热器进口到出口的流动时间；τp取决于集热器的长度和测试期间传热流体的平均流速，试验时通过流量计记录流体体积流量，需要注意的是，一般在回路入口安装流量测点，同时为避免集热器接头处流体少量泄露造成计量失真，建议在回路出口安装校核流量计，计算流体真实流量。

2.1 试验模型工具

试验模型参数确定的数学工具采用多元线性回归（MLR）进行计算辨识。线性意味着模型记为前面带有参数Pn作为乘子的多项集合。

式中：Y为判定系数；x1…x5为乘子；P0…P3为参数集合；各项中的函数F（x），H（x），I（x）可以是高阶非线性的，槽式太阳能集热器热性能动态测试模型采用基于最小二乘类方法的多元线性回归（MLR）作为其7个待定系数的辨识方法。

2.2 判定系数

式中：te为传热流体的集热器出口温度；τ为时间；τs为测试数据采集时间间隔；n为数据组数量；ti为传热流体的集热器进口温度，数据绘制集热器热效率曲线如图4所示。

图4 集热器热效率

计算得到动态试验模型的判定系数为0.58～0.96，舍弃判定系数连续2组小于0.85的数据，绘制回归残差如图5所示，残差相对值波动较小，基本呈现对称分布，在太阳辐照度发生突变时（此时为云遮），残差值超出95%置信区间。

图5 动态模型回归残差

3 结论

对于槽式太阳能热发电集热系统热性能研究，围绕集热器热效率指标展开，传统稳态试验方法虽然采集物理量较少，但对天气、操作条件和测试环境等要求极高，动态试验方法更适用于现场规模化，可实现多工况下的连续试验，选取合理数据评价系统性能。通过分析效率影响因素，得到性能评价的主要影响指标：风速、环境温度、导热流体进口温度和流量，对各主要影响因素提出了修正方式，应用于动态试验中修正热效率曲线，并辨识动态模型，结合多组不同工况下的数据，选取有效值。

本文使用动态试验方法测试现场槽式集热系统，分析大量数据后细化试验细节，降低试验误差，为工程应用评价槽式太阳能热发电集热系统打下了基础。