CSPPLAZA光熱發電網訊：作為國內最早進入光熱領域的行業開拓者之一，常州龍騰光熱科技股份有限公司（以下簡稱“龍騰光熱”）擁有成熟的技術、豐富的集熱器生產安裝交付經驗，以及經優化驗證的槽式太陽能集熱場解決方案。其為烏拉特100MW槽式項目提供核心鏡場裝備，首次實現了光熱核心技術和裝備的國產化替代，圓滿完成了國家第一批示范項目的示范目標。

在6月12日于杭州召開的2023第十屆中國國際光熱大會上，龍騰光熱技術總監盧智恒博士作了題為《從理論到實際：各種客觀因素對光熱發電系統效率曲線的影響》的報告，從光熱發電系統的理論效率曲線出發，通過比照實際客觀條件，將理論效率曲線的四個簡化假設逐一還原為客觀真實數值，并詳細分析了這些客觀數值對光熱發電效率曲線所產生的影響。

理論效率曲線及其簡化假設

光熱發電系統的效率通常由兩部分組成：光熱集熱系統的集熱效率和熱力系統循環系統的發電效率。下圖是常見的光熱發電系統效率曲線，其中橫坐標是系統的熱源工作溫度，縱坐標是系統整體光電效率，每一個不同顏色的線代表不同的聚光比。此圖反映的是在不同聚光比下，系統整體發電效率隨熱源工作溫度的變化。

光熱發電系統效率的表達式

上圖這些效率曲線是理論效率曲線，要得到這些理論效率曲線，實際上采取了四個簡化假設，其中包括：

1.除吸收率以外光學效率η_optics=1，也就是說以集熱系統總反射面積計算的所有能量都可以抵達吸熱器，中間不存在光學損失。

2.吸熱器吸收率α=1，也就是抵達吸熱器的所有能量都被吸收掉。

3.熱損失只考慮輻射換熱，忽略對流熱損失，并且假設熱輻射為黑體輻射，發射率ε=1。

4.發電循環效率按理想卡諾循環效率考慮。

將上述假設分別代入光熱發電效率，即可得到如下表達式：

實際情況導致的變化

上述內容簡述了理想情況和四個簡化假設，如果把這些簡化假設用實際條件去替代，會發生什么變化呢？

（一）實際光學效率和吸收率的影響

光學效率由于客觀存在的余弦效應、反射鏡反射率、反射鏡面清潔度、吸熱器清潔度、沿程光強損失、跟蹤系統精度、玻璃罩管透過率、集熱管有效長度、攔截率等各種各樣的損失，實際數值總是小于1。對于吸熱器的吸收率，考慮目前的工藝水平，槽式采用選擇性吸收涂層和塔式采用高吸收率涂漆，實際吸收率雖然小于1，但基本可以達到約95%的水平。

圖：余弦效應

導致上述光學效率損失的客觀因素是自然氣象條件。光熱電站一般建設在沙漠、戈壁、荒地地區，大多面臨沙塵、大風、低溫等自然氣象條件。

我國適合建設光熱電站的區域主要分布在西北部，氣象條件的挑戰尤為突出。頻發的沙塵天氣會降低反射鏡面、吸熱器的清潔度，同時也會降低大氣通透度，沙塵、氣溶膠對光線的散射會加大光線從反射面到吸熱器的沿程光強損失，后者對反射光程較短的槽式技術較低，但對反射光程較長的塔式技術影響較為顯著。

圖：沙塵天氣造成大氣通透度降低

圖：不同大氣能見度下的沿程光強損失

普遍存在的瞬時或日內大風天氣，會影響系統的攔截率。槽式技術的反射鏡與集熱管為一體化固定安裝，相對位置固定，整體跟蹤太陽聚光，且反射光程較短，受風載荷時攔截率變化較小一些；塔式技術的定日鏡與吸熱器為各自獨立安裝，且反射光程較長，受風載荷時塔的擺動和定日鏡的抖動會使定日鏡的正確對焦造成較大困難，導致容易出現冷熱斑、焦點偏離、溢出損失等現象，攔截率的變化較為明顯。

因此，將實際光學效率與吸熱器吸收率代替簡化假設后，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如下圖所示：

圖：代入實際光學效率和吸熱器吸收率后效率曲線的變化情況

（二）實際對流熱損失和輻射熱損失的影響

對流熱損失是客觀存在的，考慮實際對流熱損失情況，包括強制對流和自然對流兩部分，兩者組成混合對流熱損失。按照目前工藝水平，槽式技術的混合對流熱損失數值約為1300 W/㎡（按3 m/s風速考慮，下同），而塔式技術的數值約為10400 W/㎡。

考慮實際輻射熱損失，按照目前工藝技術水平，槽式集熱管選擇性涂層在工作溫度下的發射率約為9.5%，塔式吸熱器的高吸收率涂漆在工作溫度下的發射率一般為80%至89%。兩者雖然都小于1，但差別非常顯著。

我國西北部地區冬季普遍存在的零下20℃至30℃的極端低溫天氣，是造成上述熱損失的情況顯著的客觀因素，無論是槽式還是塔式，低溫都會增加吸熱器、管道的輻射和對流散熱損失，減少系統的有效集熱量，最終造成系統集熱效率的降低。

但具體實踐中，兩者存在差別：槽式真空集熱管的選擇性吸收光學特性，發射率低，能夠有效減少輻射熱損失，玻璃罩管和金屬管之間的真空結構，可以極大減少對流換熱損失；而塔式吸熱器的高溫管屏是直接暴露在冷空氣中，對流熱損失較高，管屏外表面涂覆的油漆，發射率仍然較高，因此輻射熱損失也處于較高水平。

因此，將實際對流熱損失和輻射熱損失的影響代入效率曲線時，變為下圖情況：

圖：代入實際對流熱損失和輻射熱損失后效率曲線的變化情況

（三）實際發電循環效率的影響

考慮實際發電循環效率，無論是槽式還是塔式，目前采用的熱力循環都是蒸汽朗肯循環，與理想卡諾循環存在差距，可以在卡諾循環效率中乘以一個小于1的系數η_discount表示。按照目前汽輪機的工藝水平，槽式汽輪機組的主蒸汽溫度為381℃，實際汽機效率為38.5%，因此η_discount的數值約為0.707，而塔式汽輪機組的主蒸汽溫度為535℃，實際汽機效率為43.0%，因此η_discount的數值約為0.681。槽式和塔式兩種技術的數值較為接近。

因此，將實際發電循環效率的影響代入效率曲線時，則得到最終的實際效率曲線，如下圖所示：

圖：代入實際發電循環效率后效率曲線的變化情況

最終實際效率曲線

為便于對比，將理論效率曲線和最終實際效率曲線摘錄出來單獨繪制，可得下圖結果：

圖：理論效率曲線與最終實際效率曲線的對比情況

經過上圖的對比情況可知：

-以100倍聚光比為代表的槽式技術，理論最高效率為49.7%，理論最佳熱源溫度為445℃，而實際情況下的最高效率變為32.7%，最佳熱源溫度變為775℃。

-以500倍聚光比為代表的塔式技術，理論最高效率為62.3%，理論最佳熱源溫度為695℃，而實際情況下的最高效率變為23.6%，最佳熱源溫度變為610℃。

-與理論效率曲線相比，槽式和塔式的實際情況出現了“反轉”。

-按照目前的工藝水平，槽式技術在實際工作溫度395℃下對應的整體發電效率為27.5%，塔式技術在實際工作溫度565℃下對應的整體發電效率為23.5%。

結論

綜合上述分析，盧智恒博士得出了關于光熱發電系統效率曲線的相關結論如下:

1、光熱發電系統的理論效率曲線是通過一系列假設簡化后得到的結果。

2、理論效率曲線顯示，在相同聚光比下，存在一個最佳熱源溫度，使系統的整體發電效率達到最高值。

3、考慮客觀情況，將實際數值逐一代替簡化假設后，可得到實際效率曲線。

4、實際效率曲線與理論效率曲線相差較大，槽式和塔式的最高效率、最佳熱源溫度情況甚至發生了“反轉”。實際效率曲線顯示，槽式技術在實際工作溫度下的整體發電效率為27.5%，塔式則為23.5%。