热力学分析在太阳能集热发电系统中的应用
郑清，东朝阳，张明智
（电站设备状态监测与控制教育部重点实验室（华北电力大学），保定071003）
分析方法进行了介绍.对太阳能集热发电系统进行了热平衡分析和烟分析，针对一具体的太阳 摘要：简述了热力学分析概况，对于三种热力分析方法，即悠分析方法、烯分析方法和能集热发电系统的实际数据进行了计算，并根据计算结果进行了相关然力学分析并得出相关结论.同时对佣分析方法的发展前景进行了展望.
关键词：太阳能：发电：应用
中图分类号：TK512.2文献标志码：B文章编号：1009-3230（2011)12-0036-05
ThermodynamicAnalysisofPower GenerationinSolar CollectorsSystem
ZHENG Qing DONG Zhao-yang ZHANG Ming-zhiEducation (North China Electric Power University) Baoding 071003 China)
Abstract; This paper summarizes the general situstion of the thermodynamic analysis and decribesthe followed three themal snalysis methods ns enthalpy analyis method entropy analysis method and exergy analysis method. This paper analyzes of heat balance and exergy for power generation solarcollectors and also calculates with actual data of a specific system.. The results are based onthermodynamic analysis and correlation to drsw relevant conclusions and make the development ofexergy analysis prospect at the same time.
Key words: Thermodynamic analysis; Power generation systems of solar collectors; Exergy analysis
上，技术作为获得经济利益的“工具”，必然与经 学分析方法，或者说是纯技术的分析方法，事实济有着千丝万缕的联系.以热力学研究的目的-提高能量利用的”经济性”来看，热力学分析方法本身就服务于经济.对实际工程中的热转换问题，如果仅进行热力学分析而不作经济分析，所得结论常常没有实际意义，所设计的方案常常不能实施.因此，对太阳能集热发电系统的热当进行经济研究. 性能问题，在进行热力学第一定律分析的同时，应
0引言
开发和利用的重要内容.太阳能具有资源丰富、 太阳能的开发和利用是新能源和可再生能源取之不尽、用之不竭、处处均可开发利用、无需开采和运输、不会污染环境和破坏生态平衡等特点.因此太阳能的开发和利用将有巨大的市场前景，它不仅带来很好的社会效益、环境效益，而且还具有明显的经济效益.我国是太阳能资源十分丰富，太阳能的开发利用.本文中对太阳能集热发电系统进行了热力学分析，而热力学第一定律的分析方法一能量分析法，只是单纯的热力
1热力学分析方法概述
目前常用的三种热力学分析方法，即燃分析、瘫分析和烯分析.
1.1给分析方法
给分析法对提高热机和热工设备的热效率，降低能耗，促进生产的发展普起过巨大的作用.即使今天，在对一些高能耗的设备进行技术改造时，燈分析法仍有不可忽视的积极作用，仍为一种具有广泛使用价值的重要的能量分析方法.
烙分析方法的基本内容包括：
（1）依据能量系统的热力学模型，进行系统的能量平衡.
能系统的优劣. （2）依据能量平衡，计算热效率，用以评价用
(3)计算各项热损失，以获得用能系统热损率的分布.
由焙分析法可以找出用能系统中热损率最大的薄弱环节和部位，为改进设备的用能状况提供技术依据.
1.2煸分析方法
紧随热力学第一、第二定律创立之后，1954年克劳修斯提出了热力学的概念.对于一个能量系统，计算出独立系统、各子系统及整个系统作 功能力的损失，并据此进行能量分析，这就是分析法.分析法的理论可靠性和学术价值是母庸置疑的，但由于概念的抽象和煸的定义顾难理解等原因，致使这种方法至今未能被工程技术界所普遍应用.
热力学第二定律的意义在于指出了过程的不可逆性必然导致作功能力的损失.热力学引人状态参数商后，又进面确认独立系统的增是过程不可逆性的量度.这样，就把独立系统的增与作功能力的损失联系了起来，并由热力学建立了 如下关系
式中，W-为能量系统由状态1经过一个不可逆过程变化到状态2，所引起的做功能力损失.
4S为在过程1到过程2中独立系统的增.
T为环境湿度.
参数作为广延量，一般可以认为和增具有加和性.系统的烧增等于各子系统的煸增之
和.即
式中，为子系统i的墙增
的损失可以表示为： 将式（2）代人式（1）.由此得系统的做功能力
式中，4W，为子系统i的做功能力损失.
依据热力学理论.各种过程的编增均可以计算，因面独立系统的燎增，由若干过程所组成的子系统的端增，以及由若干子系统所组成的系统的煸增均可计算.相应地，对于一个能量系统，就可以计算出独立系统、各子系统及整个系统作功能 力的损失，并据此进行能量分析，这就是分析法.式（3）即是分析法的数学描述.
1.3烧分析方法
关于烯的定义和性质，比较合理的解释是：它从量与质相结合的角度反映了能的价值，它代表了能量中能与质相统一的部分.佣的本质即是由热力学第二定律赋予能的“能质”，简言之，的物理本质即是能质.
与由热力学第一定律建立的能量方程、能量分析方法以及用能评价准则相对应，从工程应用角度，据热力学第二定律和概念相应地建立了 烟方程、佣分析方法以及用烟评价准则.
对于热力学第一定律能量方程：
用能效率：
式中，E_为供给能
(1)
E为损失能
.为用能效率
对于热力学第二定律烟方程：
用熔效率为：
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
(11)
式中，E.为供给爆
流过集热器的水/水蒸气吸收的热量为：
E.为有效
(12)
E为提失烟
式中：m是流过抛物面集热器子系统的水/水蒸气的质量流量；
7为烟效率
2对于太阳能集热发电系统的热力 学分析
A是水蒸汽流出抛物面集热器子系统的比焙值；
2.1槽式太阳能发电系统
h是水流人抛物面集热器子系统的比燃值；抛物面集热器的平均热效率为：
根据传热工质的种类，槽式太阳能热发电系统分为双工质回路系统与直接产生蒸汽（DSC）单工质回路系统.精式太阳能单工质回路系统主要包括抛物面集热器、透平发电、冷凝器与凝汽器（给水箱）、储热五个子系统.系统运行时，水从凝汽器流出，经水泵升压后，流经抛物面太阳能集热被冷凝器冷凝成水，最后回到凝汽器，完成整个 器受热，产生过热蒸汽，过热燕汽流经透平做功后循环.该系统水/水蒸气循环是典型的朗肯循环.
(13)
联立式（8）（12）（13）可得：
(14)
2.3抛物面太阳能集热器分析
在温度为T，的环境中向外辐射能量，其辐射烟流计算如下：
2.2抛物面太阳能集热器热平衡分析
(15)
太阳光照射在槽式抛物面上，反射至接收器，流过接收器管内的水吸收并带走热量，实现能量传递.在槽式太阳能电站中，通常将6到10个集热器单元串联成1个集热器使用.
式中：c为真空中光速；
a为辐射普式常量；
若太阳离地球为D，太阳直径为R，在不考虑大气层影响的理想状态下，太阳辐射至接收器表面的佣流计算如下：
抛物面集热器单元上的太阳辐射能为A1.其中A为抛物面的反射面积，/为太阳辐射强度.在整个系统抛物面集热器上的太阳辐射能为：
(16)
(8)
式中，7.为太阳表面平均温度；
式中：W是抛物面的张口宽度；
T.为接收器表面的平均湿度；
L是抛物面的长度；
理想状况下，太阳辐射至整个系统接收器的烟为：
N是集热器的数量；
整个系统接收器采集到的太阳能辐射能为：
(17)
(9)
受大气层影响，太阳辐射烟到达地球表面衰减较大，太阳照射在系统集热器上的实际佣为：
式中：p为聚光器表面的反射率；
a和是接收器的吸收率和透射率；
是采集因子，表示由聚光器反射聚焦的太阳辐射能被接收器实际采集的部分.
(18)
整个太阳能发电系统接收器接收到的有效太阳辐射烟为：
抛物面集热器的光学效率为：
(10)
(19)
联立式（8）（9）（10）可得：
接收器的平均饲效率为：
(24)
(20)
2.4对于一具体太阳能集热发电系统的计算分析
下面以一西班牙的建成于2005年的太阳能集热发电系统为例，该系统使用了70台ET-100 型号的槽式抛物面集热器，每个集热器由8个集热器单元组成，单个集热器单元长12.27m，抛物面聚光器开口宽度为5.76m，单个集热器有效聚光面积为548.35m²，峰值光学效率为0.765.设计天气条件为：太阳辐射强度为875W/m²，空气温度为20℃，太阳表面温度为5490℃.热力循环参数见表1，热平衡分析计算结果见表2，分析计算结果见表3.
联立式（13）（18)（19)（20）可得：
(21)
流过集热器水/水蒸气获得的为：
(22)
式中，为水流人抛物面集热器子系统的比值；
为水蒸气流出抛物面集热器子系统的比值.
抛物面集热器的平均佣效率为：
(23)
联立式（8）（18）（22）（23）可得：
系统期肯领环参数
表1
项目 1 2 3 4 5 6压力 P/MPa 0.052 8.5 6.5 950 0.244 0.01温度T/℃ 52.1 126 400 127 127 46比镇w/J（kgK)-1 比姑b/kg-1 386 535 3169 6.868 2790 2716 2416比（kgx)）- 1.143 54.08 1.584 73.63 1268.48 s6'9 781.03 649.72 7 063 199.14 8.150找量m/gb-1 26000 26000 26000 26000 000 24000表2 系统热平衡分析计算结果（KW）项目 Q_/W Q.W Q_/W 60./% %太阳轻射 33584 33584 33584 0 0接收器 集热器 25692 25692 19022 6670 7892 23.50 19.86 74.04 76.50透平 19022 5226 0 27.47节液阀 41 41 0.12水泵 14831 1076 1076 14831 0 44.16 100表3项目 E_/W E.W E/AW tt/% /%太阳辐射 31868 31868 100.00换收器 31868 24379 7489 23.50 76.50米热器 透平 24379 8629 8629 5226 15750 2174 49.42 6.82 35.40 60.56节流阀 73 0 L 0.23 0冷凝器 1298 0 1298 4.07 0水泵 1076 142 934 2.93 13.20
3结束语
4展望
（1）对于该太阳能集热发电系统进行热平衡计算分析和端计算分析，得到系统的热效率和佣效率.系统的烟效率为13.02%，热效率为12.36%，其中朗肯循环的烟效率高于本身热效率，集热器子系统烯效率低于本身热效率.
（2）集热器的烷效率主要取决于接收器表面能承受的温度和流过集热器的水/水蒸气的嫡参数变化.受接收器表面涂层材料特性的影响，接 收器允许的最高工作温度为500℃左右.接收器的材料特性在一定程度上决定了其较低的佣效率，同时水从集热器吸收的大量热量中只有一部分具有做功能力，因为水在吸热升温过程中自身增，这种不可逆的转变造成了大量的损失，同样也降低了集热器的效率，导致集热器平均效率远低于其热效率.
（3）流过集热器的水吸收的热量只有一部分是炜.朗肯循环各点的水/水蒸气的热力参数决定了朗肯循环的烟效率高于其热效率，同时蒸汽透平的性能在一定程度上也会影响朗背循环的热力性能.冷凝器带走了大量热量，直接降低了朗肯循环的热效率.
（4）要提高整个系统的烟效率，必须提高集热器的效率，这就要求接收器能够工作在较高的温度下，面目前受涂层材料的限制尚不能达到很高温度.提高集热器的烷效率的另一个途径是提高流人集热器的水压，减少水流过集热器吸热升温造成的烟损失，这就对接收器的结构提出了要求，其可行性相比前者更高.
熔分析只是反映了能的数量大小.而未考虑价的.显然，这是与能的实际效用不相符合的.
端分析及烯分析与焙分析的根本区别在于它确认了不同能之间所具有的质的差别，同时体现
了能的量与质两方面的客观属性，因面更具科学性、准确性.
烧分析与分析同是热力学第二定律分析法，二者结果虽相同，但工程上普遍采烧用分析法面不采用分析法，主要原因在于，前者是对能质的直接描述，易于理解，值还比值便于计算，给实际分析和工程应用带来了很大方便，从工程 的角度看，这是一个很重要的优点.分析确实是能量系统的科学用能分析方法.在全球性的节能实践中发挥了其独特的作用.如今尽管研究热已有所降温，但近年来有关的研究仍在继续，且开始进人一些新领域，如将佣分析方法用于复杂热辐射、特别是太阳辐射领域的研究已取得一些颜有价值的新成果，显示了分析方法仍有其不可低估的学术活力.
参考文散
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