实际情况导致的变化

上述内容简述了理想情况和四个简化假设，如果把这些简化假设用实际条件去替代，会发生什么变化呢？

（一）实际光学效率和吸收率的影响

光学效率由于客观存在的余弦效应、反射镜反射率、反射镜面清洁度、吸热器清洁度、沿程光强损失、跟踪系统精度、玻璃罩管透过率、集热管有效长度、拦截率等各种各样的损失，实际数值总是小于1。对于吸热器的吸收率，考虑目前的工艺水平，槽式采用选择性吸收涂层和塔式采用高吸收率涂漆，实际吸收率虽然小于1，但基本可以达到约95%的水平。

图：余弦效应

导致上述光学效率损失的客观因素是自然气象条件。光热电站一般建设在沙漠、戈壁、荒地地区，大多面临沙尘、大风、低温等自然气象条件。

我国适合建设光热电站的区域主要分布在西北部，气象条件的挑战尤为突出。频发的沙尘天气会降低反射镜面、吸热器的清洁度，同时也会降低大气通透度，沙尘、气溶胶对光线的散射会加大光线从反射面到吸热器的沿程光强损失，后者对反射光程较短的槽式技术较低，但对反射光程较长的塔式技术影响较为显著。

图：沙尘天气造成大气通透度降低

图：不同大气能见度下的沿程光强损失

普遍存在的瞬时或日内大风天气，会影响系统的拦截率。槽式技术的反射镜与集热管为一体化固定安装，相对位置固定，整体跟踪太阳聚光，且反射光程较短，受风载荷时拦截率变化较小一些；塔式技术的定日镜与吸热器为各自独立安装，且反射光程较长，受风载荷时塔的摆动和定日镜的抖动会使定日镜的正确对焦造成较大困难，导致容易出现冷热斑、焦点偏离、溢出损失等现象，拦截率的变化较为明显。

因此，将实际光学效率与吸热器吸收率代替简化假设后，以100倍聚光比为代表的槽式技术和以500倍聚光比为代表的塔式技术，两者的效率曲线变化如下图所示：

图：代入实际光学效率和吸热器吸收率后效率曲线的变化情况

（二）实际对流热损失和辐射热损失的影响

对流热损失是客观存在的，考虑实际对流热损失情况，包括强制对流和自然对流两部分，两者组成混合对流热损失。按照目前工艺水平， 槽式技术的混合对流热损失数值约为1300 W/㎡（按3 m/s风速考虑，下同），而塔式技术的数值约为10400 W/㎡。

考虑实际辐射热损失，按照目前工艺技术水平， 槽式集热管选择性涂层在工作温度下的发射率约为9.5%，塔式吸热器的高吸收率涂漆在工作温度下的发射率一般为80%至89%。两者虽然都小于1，但差别非常显著。

我国西北部地区冬季普遍存在的零下20℃至30℃的极端低温天气，是造成上述热损失的情况显著的客观因素，无论是槽式还是塔式，低温都会增加吸热器、管道的辐射和对流散热损失，减少系统的有效集热量，最终造成系统集热效率的降低。

但具体实践中，两者存在差别：槽式真空集热管的选择性吸收光学特性，发射率低，能够有效减少辐射热损失，玻璃罩管和金属管之间的真空结构，可以极大减少对流换热损失；而塔式吸热器的高温管屏是直接暴露在冷空气中，对流热损失较高，管屏外表面涂覆的油漆，发射率仍然较高，因此辐射热损失也处于较高水平。

因此，将实际对流热损失和辐射热损失的影响代入效率曲线时，变为下图情况：

图：代入实际对流热损失和辐射热损失后效率曲线的变化情况

（三）实际发电循环效率的影响

考虑实际发电循环效率，无论是槽式还是塔式，目前采用的热力循环都是蒸汽朗肯循环，与理想卡诺循环存在差距，可以在卡诺循环效率中乘以一个小于1的系数η_discount表示。按照目前汽轮机的工艺水平，槽式汽轮机组的主蒸汽温度为381℃，实际汽机效率为38.5%，因此η_discount的数值约为0.707，而塔式汽轮机组的主蒸汽温度为535℃，实际汽机效率为43.0%，因此η_discount的数值约为0.681。槽式和塔式两种技术的数值较为接近。

因此，将实际发电循环效率的影响代入效率曲线时，则得到最终的实际效率曲线，如下图所示：

图：代入实际发电循环效率后效率曲线的变化情况

最终实际效率曲线

为便于对比，将理论效率曲线和最终实际效率曲线摘录出来单独绘制，可得下图结果：

图：理论效率曲线与最终实际效率曲线的对比情况

经过上图的对比情况可知：

-以100倍聚光比为代表的槽式技术，理论最高效率为49.7%，理论最佳热源温度为445℃，而实际情况下的最高效率变为32.7%，最佳热源温度变为775℃。

-以500倍聚光比为代表的塔式技术，理论最高效率为62.3%，理论最佳热源温度为695℃，而实际情况下的最高效率变为23.6%，最佳热源温度变为610℃。

-与理论效率曲线相比，槽式和塔式的实际情况出现了“反转”。

-按照目前的工艺水平，槽式技术在实际工作温度395℃下对应的整体发电效率为27.5%，塔式技术在实际工作温度565℃下对应的整体发电效率为23.5%。

结论

综合上述分析，卢智恒博士得出了关于光热发电系统效率曲线的 相关结论如下:

1、光热发电系统的理论效率曲线是通过一系列假设简化后得到的结果。

2、理论效率曲线显示，在相同聚光比下，存在一个最佳热源温度，使系统的整体发电效率达到最高值。

3、考虑客观情况，将实际数值逐一代替简化假设后，可得到实际效率曲线。

4、实际效率曲线与理论效率曲线相差较大，槽式和塔式的最高效率、最佳热源温度情况甚至发生了“反转”。 实际效率曲线显示，槽式技术在实际工作温度下的整体发电效率为27.5%，塔式则为23.5%。

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