作為國內最早進入光熱(re)領域(yu)的行業開拓者之(zhi)一，常州(zhou)龍騰(teng)(teng)光熱科(ke)技股份有限公司(si)（以下簡稱“龍(long)騰(teng)(teng)光熱”）擁有成熟的(de)技術、豐(feng)富的(de)集熱器生產安裝交付經驗，以及(ji)經優化驗證的槽式太陽能集熱場解決方案。龍騰(teng)光熱為烏拉特100MW槽(cao)式項目提供核心鏡(jing)場裝備，首次(ci)實現了光熱核心(xin)技術(shu)和(he)裝備(bei)的(de)國(guo)產化替代(dai)，圓滿完成了國(guo)家第一批(pi)示(shi)范項目的(de)示(shi)范目標。

在6月12日于杭(hang)州(zhou)召開(kai)的2023第十(shi)屆(jie)中國(guo)國(guo)際光熱(re)(re)大會上(shang)，龍(long)騰光熱(re)(re)技術總監盧智恒博士作(zuo)了(le)題為《從(cong)(cong)理(li)論(lun)到實際：各種客(ke)觀因素對光熱(re)(re)發電系統(tong)效(xiao)率(lv)(lv)曲線(xian)(xian)的影響(xiang)》的報(bao)告，從(cong)(cong)光熱(re)(re)發電系統(tong)的理(li)論(lun)效(xiao)率(lv)(lv)曲線(xian)(xian)出發，通過比照實際客(ke)觀條件，將理(li)論(lun)效(xiao)率(lv)(lv)曲線(xian)(xian)的四個簡(jian)化假(jia)設逐(zhu)一還原為客(ke)觀真實數值(zhi)，并(bing)詳細(xi)分析(xi)了(le)這些客(ke)觀數值(zhi)對光熱(re)(re)發電效(xiao)率(lv)(lv)曲線(xian)(xian)所產生的影響(xiang)。

圖(tu)：龍騰光(guang)熱技術(shu)總監盧智(zhi)恒博士(shi)做報告(gao)

理論效率(lv)曲(qu)線及(ji)其簡(jian)化假(jia)設

光(guang)(guang)(guang)熱(re)(re)發(fa)電系統(tong)(tong)(tong)的(de)(de)效(xiao)率(lv)通常由兩(liang)部分組成：光(guang)(guang)(guang)熱(re)(re)集熱(re)(re)系統(tong)(tong)(tong)的(de)(de)集熱(re)(re)效(xiao)率(lv)和熱(re)(re)力(li)系統(tong)(tong)(tong)循環系統(tong)(tong)(tong)的(de)(de)發(fa)電效(xiao)率(lv)。下圖(tu)(tu)是(shi)常見(jian)的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)熱(re)(re)發(fa)電系統(tong)(tong)(tong)效(xiao)率(lv)曲線，其(qi)中橫坐標是(shi)系統(tong)(tong)(tong)的(de)(de)熱(re)(re)源工作(zuo)溫度，縱坐標是(shi)系統(tong)(tong)(tong)整(zheng)體光(guang)(guang)(guang)電效(xiao)率(lv)，每一個不(bu)(bu)同(tong)顏色(se)的(de)(de)線代表不(bu)(bu)同(tong)的(de)(de)聚(ju)光(guang)(guang)(guang)比(bi)。此(ci)圖(tu)(tu)反(fan)映的(de)(de)是(shi)在不(bu)(bu)同(tong)聚(ju)光(guang)(guang)(guang)比(bi)下(xia)，系統整體(ti)發電(dian)效率隨熱源工作溫度(du)的(de)變化(hua)。

圖：光熱(re)發電系統效率的表達式(shi)

上圖(tu)這些效(xiao)率曲(qu)線(xian)是理論效(xiao)率曲(qu)線(xian)，要得到這些理論效(xiao)率曲(qu)線(xian)，實(shi)際上采取了四個簡(jian)化假設，其中包括(kuo)：

1.除吸收率以外(wai)光學效(xiao)率η_optics=1，也就是說以(yi)集熱系統(tong)總反射面積計算的所有(you)能(neng)量都可以(yi)抵達吸熱器，中(zhong)間不存在光學損失。

2.吸(xi)熱(re)器吸(xi)收(shou)率α=1，也就(jiu)是抵達吸(xi)熱(re)器的所有能量(liang)都被吸(xi)收(shou)掉(diao)。

3.熱損失只考慮輻(fu)射(she)(she)換熱，忽略(lve)對(dui)流熱損失，并(bing)且(qie)假設(she)熱輻(fu)射(she)(she)為黑(hei)體輻(fu)射(she)(she)，發射(she)(she)率ε=1。

4.發電循(xun)環效(xiao)率按理(li)想卡諾循(xun)環效(xiao)率考慮。

將上述假(jia)設分別(bie)代入(ru)光(guang)熱(re)發電效(xiao)率，即可得到如下表達式(shi)：

實際情況導致的(de)變化(hua)

上述(shu)內容簡述(shu)了理(li)想情況和(he)四個簡化(hua)假設，如果把這些簡化(hua)假設用實際條件去(qu)替代，會發生什么(me)變化(hua)呢？

（一）實(shi)際光學效率和(he)吸收率的影響

光(guang)學效率由于客觀(guan)存在的余弦效應(ying)、反(fan)射(she)鏡(jing)反(fan)射(she)率、反(fan)射(she)鏡(jing)面清潔(jie)度(du)、吸熱(re)器清潔(jie)度(du)、沿程光(guang)強(qiang)損(sun)失、跟(gen)蹤系統精度(du)、玻璃罩管透過率、集熱(re)管有效長度(du)、攔截率等各種各樣的損(sun)失，實際數值(zhi)總(zong)是(shi)小于1。對于吸(xi)熱器(qi)的(de)(de)吸(xi)收率，考慮目前(qian)的(de)(de)工藝水平，槽(cao)式采用(yong)(yong)選擇性吸(xi)收涂(tu)層和(he)塔式采用(yong)(yong)高(gao)吸(xi)收率涂(tu)漆，實際吸(xi)收率雖(sui)然小(xiao)于1，但基(ji)本可以達到約95%的(de)(de)水平。

圖：余(yu)弦效(xiao)應

導致上述(shu)光學效率損失(shi)的客觀因素是(shi)自然(ran)(ran)氣象條件。光熱(re)電站(zhan)一(yi)般建設(she)在(zai)沙(sha)漠、戈壁、荒地地區，大(da)多面臨沙(sha)塵、大(da)風(feng)、低溫等自然(ran)(ran)氣象條件。

我國適合(he)建(jian)設光(guang)(guang)熱電站的(de)(de)(de)區域主(zhu)要分布在西北(bei)部，氣象(xiang)條(tiao)件(jian)的(de)(de)(de)挑戰尤為(wei)突出。頻發的(de)(de)(de)沙塵天氣會(hui)降低(di)反(fan)(fan)射(she)鏡面、吸(xi)熱器(qi)的(de)(de)(de)清潔度，同時(shi)也(ye)會(hui)降低(di)大氣通透度，沙塵、氣溶膠對光(guang)(guang)線的(de)(de)(de)散射(she)會(hui)加(jia)大光(guang)(guang)線從反(fan)(fan)射(she)面到吸(xi)熱器(qi)的(de)(de)(de)沿程光(guang)(guang)強損失，后者對反(fan)(fan)射(she)光(guang)(guang)程較短的(de)(de)(de)槽式(shi)技術(shu)較低(di)，但(dan)對反(fan)(fan)射(she)光(guang)(guang)程較長的(de)(de)(de)塔式(shi)技術(shu)影響(xiang)較為(wei)顯(xian)著。

圖：沙塵天氣(qi)造(zao)成大氣(qi)通透度(du)降(jiang)低

圖：不同大氣能見度(du)下的(de)沿程光強損失(shi)

普(pu)遍存在的瞬(shun)時或日內大風天氣，會影響系(xi)統(tong)的攔(lan)截率。槽式技術的反射鏡(jing)(jing)與集熱管為(wei)一體(ti)化固定(ding)安裝(zhuang)，相對位置(zhi)固定(ding)，整體(ti)跟蹤(zong)太陽聚光，且反射光程較(jiao)短，受風載荷(he)時攔(lan)截率變化較(jiao)小(xiao)一些；塔式技術的定(ding)日鏡(jing)(jing)與吸熱器為(wei)各自獨立安裝(zhuang)，且反射光程較(jiao)長，受風載荷時塔的(de)擺(bai)動和定日(ri)鏡的(de)(de)抖(dou)動會使定日(ri)鏡的(de)(de)正確對焦(jiao)造成(cheng)較(jiao)大困難，導致容易出(chu)現冷熱斑、焦(jiao)點偏離、溢出(chu)損(sun)失等現象，攔截率(lv)的(de)(de)變化較(jiao)為明(ming)顯(xian)。

因此(ci)，將實際光學效率與吸(xi)熱器(qi)吸(xi)收率代替簡化假設后，以100倍聚光(guang)比為(wei)代表的槽式技術(shu)和(he)以500倍聚光(guang)比為(wei)代表的塔式技術(shu)，兩者的效(xiao)率曲(qu)線(xian)變化如下圖所(suo)示：

圖：代入實(shi)際光學效(xiao)率(lv)和吸熱器吸收率(lv)后效(xiao)率(lv)曲線的(de)變化情況

（二(er)）實際對流熱損(sun)(sun)失和輻射(she)熱損(sun)(sun)失的影響

對(dui)(dui)(dui)流熱(re)損失是(shi)客觀存在的(de)，考慮實(shi)際(ji)對(dui)(dui)(dui)流熱(re)損失情況，包括強(qiang)制對(dui)(dui)(dui)流和自然對(dui)(dui)(dui)流兩部分，兩者(zhe)組成混合對(dui)(dui)(dui)流熱(re)損失。按照目(mu)前(qian)工藝水(shui)平(ping)，槽(cao)式技術的(de)混合對(dui)(dui)(dui)流熱(re)損失數值(zhi)約為1300 W/㎡（按3 m/s風速考慮，下同(tong)），而塔式技術的數(shu)值約為10400 W/㎡。

考慮實際(ji)輻射熱損失，按(an)照(zhao)目前(qian)工藝技術水平，槽式(shi)集熱管選(xuan)擇性(xing)涂層在工作溫度下的發射率約為(wei)9.5%，塔式吸熱(re)器的高(gao)吸收率涂漆在工作溫度下的發射率一般為80%至(zhi)89%。兩者雖然都小于1，但差別非常顯著(zhu)。

我(wo)國西北部地(di)區冬(dong)季普遍存在的(de)零(ling)下20℃至30℃的極(ji)端(duan)低溫天氣，是造成上述熱損(sun)失(shi)的情況顯著的客觀(guan)因素，無論是槽式還是塔式，低溫都會增(zeng)加吸熱器(qi)、管道的輻射(she)和對流散熱損(sun)失(shi)，減少(shao)系統的有效(xiao)集熱量，最終造成系統集熱效(xiao)率的降低。

但具體實(shi)踐中(zhong)，兩者存在差別：槽(cao)式真空集(ji)熱(re)管(guan)(guan)的(de)(de)(de)選擇性吸收(shou)光學特性，發射(she)(she)率低，能夠(gou)有效減少輻射(she)(she)熱(re)損(sun)失(shi)，玻(bo)璃罩(zhao)管(guan)(guan)和金屬管(guan)(guan)之(zhi)間的(de)(de)(de)真空結構，可以極大減少對流換熱(re)損(sun)失(shi)；而塔式吸熱(re)器的(de)(de)(de)高溫管(guan)(guan)屏是直接(jie)暴露在冷空氣中(zhong)，對流熱(re)損(sun)失(shi)較(jiao)(jiao)高，管(guan)(guan)屏外表(biao)面涂覆的(de)(de)(de)油漆，發射(she)(she)率仍(reng)然較(jiao)(jiao)高，因此輻射(she)(she)熱(re)損(sun)失(shi)也處于較(jiao)(jiao)高水平(ping)。

因此(ci)，將(jiang)實際對流(liu)熱損(sun)(sun)失(shi)(shi)和(he)輻射熱損(sun)(sun)失(shi)(shi)的(de)影響代入(ru)效率曲(qu)線時，變為下(xia)圖情況：

圖(tu)：代入實際對(dui)流熱(re)損失和輻射(she)熱(re)損失后效率曲線(xian)的變化情況(kuang)

（三）實(shi)際發電循環效率的影響

考慮(lv)實際(ji)發電循環效(xiao)率，無論是(shi)(shi)槽式還是(shi)(shi)塔式，目前采用的熱力循環都(dou)是(shi)(shi)蒸汽朗肯(ken)循環，與(yu)理(li)想(xiang)卡諾(nuo)循(xun)(xun)環(huan)存在差距(ju)，可以在卡諾(nuo)循(xun)(xun)環(huan)效(xiao)率中乘(cheng)以一個小(xiao)于1的系數η_discount表示。按照目前汽(qi)輪(lun)機(ji)的工藝(yi)水平，槽式(shi)汽(qi)輪(lun)機(ji)組的主蒸(zheng)汽(qi)溫度為381℃，實際汽(qi)機(ji)效率為38.5%，因(yin)此η_discount的數值(zhi)約(yue)為(wei)0.707，而塔(ta)式汽(qi)(qi)輪機(ji)組的主蒸汽(qi)(qi)溫度為(wei)535℃，實際汽(qi)(qi)機(ji)效(xiao)率為(wei)43.0%，因(yin)此η_discount的數值約(yue)為(wei)0.681。槽式和塔式兩種技術的數值較為(wei)接近(jin)。

因(yin)此，將實(shi)際發電(dian)循(xun)環(huan)效(xiao)(xiao)率的影響代入效(xiao)(xiao)率曲線(xian)時，則得(de)到最(zui)終的實(shi)際效(xiao)(xiao)率曲線(xian)，如下圖所示：

圖：代入(ru)實(shi)際發電循(xun)環效率(lv)(lv)后效率(lv)(lv)曲線的變化(hua)情況

最終實際(ji)效率曲線

為便(bian)于(yu)對比，將理論效率曲線(xian)和最(zui)終實際效率曲線(xian)摘(zhai)錄出來(lai)單獨(du)繪制，可得下圖結(jie)果：

圖：理論效率曲(qu)線與最終實際效率曲(qu)線的對比情況

經過上(shang)圖(tu)的對(dui)比情況可知(zhi)：

- 以100倍聚光比為(wei)(wei)代表的槽式技(ji)術，理(li)(li)論(lun)最(zui)高效率(lv)為(wei)(wei)49.7%，理(li)(li)論(lun)最(zui)佳熱源(yuan)溫度(du)(du)為(wei)(wei)445℃，而實際情況下的最(zui)高效率(lv)變為(wei)(wei)32.7%，最(zui)佳熱源(yuan)溫度(du)(du)變為(wei)(wei)775℃。

- 以(yi)500倍聚光比(bi)為(wei)(wei)代(dai)表的塔式(shi)技術，理論最高效率為(wei)(wei)62.3%，理論最佳熱源溫度為(wei)(wei)695℃，而實際(ji)情況下(xia)的最高效率變為(wei)(wei)23.6%，最佳熱源溫度變為(wei)(wei)610℃。

- 與理論效率曲線相比，槽式(shi)(shi)和(he)塔(ta)式(shi)(shi)的實際(ji)情況(kuang)出現了“反轉(zhuan)”。

- 按照目前的(de)工藝水(shui)平，槽式技術(shu)在實際工作溫度(du)395℃下(xia)對應的(de)整體(ti)發(fa)電效率為27.5%，塔式技術(shu)在實際工作溫度(du)565℃下(xia)對應的(de)整體(ti)發(fa)電效率為23.5%。

結 論

綜(zong)合上述(shu)分析(xi)，盧智(zhi)恒(heng)博士得(de)出了關于光熱發(fa)電(dian)系統效(xiao)率曲線(xian)的(de)相關結(jie)論如下:

1、光熱發電系統的理(li)論效率曲線(xian)是通過一系列假(jia)設簡化后(hou)得到(dao)的結果(guo)。

2、理論效率曲(qu)線顯示，在相同聚光(guang)比(bi)下，存在一個最(zui)佳熱源溫度，使系統的整體發電效率達到最(zui)高值。

3、考慮客觀情況，將(jiang)實際數(shu)值逐一代替簡化假(jia)設后，可得到(dao)實際效(xiao)率曲(qu)線。

4、實際(ji)效率(lv)曲線與理論效率(lv)曲線相差較大，槽式和(he)塔(ta)式的(de)最高效率(lv)、最佳熱源溫度情況甚(shen)至發生了“反轉”。實際(ji)效率(lv)曲線顯(xian)示，槽式技術在實際(ji)工作溫度下的(de)整(zheng)體發電效率(lv)為27.5%，塔(ta)式則為23.5%。