抛物面槽式集热器中小扭转角度及其效率的评估

《ENERGY CONVERSION AND MANAGEMENT》：Evaluation of small torsion angles and efficiency in parabolic trough collectors

聚光太阳能中抛物线槽式集热器的机械扭转对效率影响及高精度测量系统研究。摘要后分隔符：

　　在当前全球能源结构转型的背景下，集中式太阳能发电（CSP）技术正发挥着越来越重要的作用。随着气候变化问题的加剧，各国对清洁能源的需求不断上升，推动了CSP技术的快速发展。根据最新数据，全球CSP的总装机容量已接近7.2 GW，其中西班牙、美国和中国是主要的推动者。这一技术不仅能够提供稳定的热能，还具备热能储存的能力，使其在应对能源供需波动方面具有显著优势。特别是在水淡化等工业应用中，CSP技术因其持续供能的特性而显得尤为重要。

集中式太阳能发电技术中，抛物面槽式集热器（PTC）是广泛应用的一种形式。PTC通过抛物面反射镜将太阳辐射聚焦至位于焦点处的接收管上，从而将光能转化为热能。这一过程的关键在于保持反射镜与接收管之间的精确对齐，因为任何偏差都会影响太阳辐射的入射角度，进而影响系统的整体效率。特别是在横向入射角方面，若该角度偏离零度，意味着太阳跟踪系统存在偏差，这会直接导致能量损失和效率下降。因此，确保PTC的对齐精度对于提高其性能至关重要。

在实际运行过程中，PTC系统面临着复杂的环境挑战。这些挑战包括强烈的太阳辐射、高温操作环境（通常在293°C至393°C之间，当使用热油作为传热流体时）、周围环境与工作温度之间的显著温差，以及太阳辐射集中过程中的非均匀分布。所有这些因素都会对接收管造成机械和热应力，影响其长期运行的稳定性和效率。接收管的变形不仅可能导致玻璃外罩的破裂，还可能降低整个系统的光学和热效率，从而影响最终的能源产出。

为了应对这些问题，研究团队开发了一种基于高精度倾角传感器的测量系统，用于评估PTC中的微小扭转变形，并确保其运行在最佳状态。该系统通过将传感器沿PTC轴线安装，并串联连接至具有降噪功能的通信箱，实现了对扭转变形的实时监测。实验室校准结果显示，这些倾角传感器具有极高的精度和灵敏度，平均误差仅为0.02%，能够检测到0.025°的微小角度偏差。这一精度对于评估PTC的性能至关重要，因为即使是微小的偏差也可能对整体效率产生显著影响。

在实际应用中，研究团队在EuroTrough集热器模型上进行了测试，观察到了高达0.62°的结构扭转变形。根据射线追踪模拟，这种扭转变形可能导致系统效率下降高达52.4%。这一结果凸显了对PTC扭转变形进行精确测量和监控的重要性。特别是在大规模CSP项目中，如迪拜的Noor Energy 1，其950 MW的装机容量对系统效率的要求极高，任何微小的偏差都可能造成巨大的经济损失和能源浪费。

为了进一步验证测量系统的有效性，研究团队在实验室环境中进行了校准测试，并在实际运行条件下对EuroTrough集热器进行了实验测试。通过这些测试，他们不仅评估了传感器的精度，还分析了不同扭转变形水平对系统效率的影响。这些数据为后续的系统优化提供了重要的依据，使研究人员能够制定更有效的措施来减少或避免扭转变形的发生。

此外，研究还探讨了PTC系统中其他可能影响效率的因素。例如，接收管的热膨胀特性可能导致其在运行过程中发生变形，特别是在高温环境下，不锈钢材质的吸收管会随着温度升高而伸长，温度降低时则收缩。这种变形可能影响太阳辐射的聚焦效果，进而影响能量的传输和转换效率。因此，除了监测扭转变形外，还需要对接收管的热应力和机械应力进行综合评估，以确保其在各种工况下的稳定运行。

在实验测试过程中，研究团队还发现，不同PTC的可接受扭矩范围存在差异。对于标准的PTC（如5.76 m的开口宽度和150 m的长度），最大可接受的扭矩为0.3°（4.8 mrad）。如果扭矩超过这一阈值，可能会导致太阳辐射入射角度的显著偏离，从而降低系统的效率。因此，测量系统的设计不仅要考虑传感器的精度，还需结合实际运行条件，确保其能够准确捕捉到可能导致效率下降的扭矩变化。

为了进一步理解扭转变形对系统效率的影响，研究团队使用了射线追踪软件进行模拟分析。这些模拟结果显示，即使在较小的扭矩变化下，系统效率也可能出现明显下降。因此，建立一个能够实时监测和评估扭转变形的系统，对于优化CSP技术的运行性能具有重要意义。通过这种方式，研究人员可以及时发现并纠正系统中的偏差，从而提高整体能源产出。

除了技术层面的挑战，CSP技术的推广还受到经济因素的影响。目前，CSP的安装成本范围在每千瓦4300至8000美元之间，具体取决于国家和项目规模。尽管这一成本较高，但随着技术的不断进步和规模化生产，预计未来成本将逐步下降。此外，为了满足《巴黎协定》的目标，预计到2030年，全球CSP部署需要约6570亿美元的投资，而到2050年则需要额外的1.83万亿美元。这些投资不仅有助于扩大CSP的装机容量，还能推动相关技术的创新和发展。

在实际应用中，CSP技术还被广泛用于混合可再生能源系统中，以提供更加稳定和可靠的能源供应。例如，CSP可以与风能或光伏系统结合，形成多能互补的能源结构。这种结构能够有效缓解单一能源供应的波动性，提高整体系统的运行效率和可靠性。特别是在水资源匮乏的地区，CSP技术与海水淡化技术的结合为解决淡水短缺问题提供了可行的解决方案。

综上所述，PTC系统的精确对齐对于提高CSP技术的效率至关重要。研究团队开发的测量系统不仅能够准确检测微小的扭转变形，还为后续的系统优化提供了数据支持。通过结合实验室校准和现场测试，他们验证了该系统的有效性，并揭示了扭转变形对系统性能的潜在影响。这些研究成果为未来CSP技术的发展和应用提供了重要的参考，有助于推动清洁能源技术的持续进步。