2.2　太阳能集热场介绍

2.2.1　太阳能集热器比较

想利用太阳能就需要对太阳能进行采集，太阳能集热器就是发挥这样的作用。太阳能集热器是各种利用太阳能的装置中的关键部分，是吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热工质的装置。其按进入采光口的太阳辐射是否改变方向分为聚光型集热器和非聚光型集热器。非聚光型集热器，一般称为平板集热器，日光入射面积与吸收面积相等。聚光型集热器通常有凹形反射面，将太阳光束刀更小的接收面上以提高辐射强度。

光能利用包括利用光伏效应和利用光热效应。在利用光热效应时，温度越高，能源的品质越高，可以通过减少散热面积来实现。由于太阳能发电需要较高的温度，所以这里选择聚光型太阳能集热器。　目前研究应用比较普遍的有线性菲涅尔反射镜、抛物槽式集热器、抛物碟式集热器及定日镜场4种，见表2-2。 ［33-38］

抛物槽式太阳能集热器是由反射材料弯曲形成抛物状横截面的线性集热器。在其焦点处，有一根套着玻璃管的黑色金属管，在两管之间抽真空以防止散热损失。当抛物面朝向太阳，入射平行光将被反射到吸收管表面。用单轴跟踪可以达到较好的效果进而可以支撑很长的集热器模块。如果集热器轴向是东西方向，则其可以从南到北跟踪太阳（季节跟踪），如果轴向是南北方向，则可以从东到西跟踪太阳（日期跟踪）。

表2-2　4种主要聚光型太阳能集热技术［38］

2.2.2　太阳能集热场原型介绍

图2-3是位于美国的SEGS Ⅵ太阳能发电站的原则性热力循环图。太阳能集热场中的传热介质温度升高后进入膨胀箱，一路依次经过过热器、蒸发器及预热器，另一路直接经过再热器与蒸汽循环中的水蒸气进行热量交换并降低温度。温度降低后的传热介质油经过泵加压后回到太阳能集热场中再次被加热，周而复始。

发电站的太阳能集热场主要有东、西两部分（见图2-4），传热介质通过给水管分别被送到东、西两场中，在进入发电环节前汇集在一起以抵消由于两场的气象参数不一致导致的出口参数差异。集热场中有50个平行的回路，每个回路有16个太阳能阵列，分布于两排。夏季，传热介质的温升一般为100℃，即从入口的293℃到出口的391℃。

图2-3　30MW SEGS Ⅵ太阳能发电站的原则性热力循环图［39］

图2-4　SEGS Ⅵ集热场布局［39］

本文将30MW SEGS Ⅵ发电站作为太阳能电站模型，此电站位于美国加利福利亚洲的Mojave沙漠。来自于太阳能场的传热介质用于预热、蒸发、过热及再热过程。辅助的天然气锅炉用于在无太阳或者太阳辐射强度有限或过大时提供备用热源。

此电站只在白天工作，如有需要，在中午12时到下午6时期间开启天然气备用热源以增大太阳能利用。用于此电站的集热器类型是经典的LUZ LS-2集热器，传热介质为Therminol VP-1。对于Therminol VP-1，其工作范围为-85～400℃，发电站参数见表2-3。

表2-3　SEGS Ⅵ的参数［40］

图2-5　换热元件的传热分析［14，43］

1—传热介质；2—吸热管内壁；3—吸热管外壁；4—玻璃管内壁；5—玻璃管外壁；6—空气

2.2.3　槽式太阳能集热元件传热分析

本章中的太阳能热性能模型是基于美国Sandia国家实验室对LS-2集热器的实验数据［11］。在模型中，调整换热介质的流量是为了保持传热介质出口温度不变。［12］

在太阳能场中，太阳能被抛物槽式聚光器反射聚集在其焦点上的吸收器上。经过反射、吸收、散射等，太阳光能转化成吸收器中的热能，热能经过传导、辐射及对流，绝大部分热量被吸收器中的传热介质（HTF）带走，使其温度上升。［39-42］

图2-5为换热元件的传热分析，其中q为单位面积热流量，cond表示热传导过程，conv表示热对流过程，rad表示热辐射过程，sol表示太阳能吸收过程。其能量平衡关系式为