曲 航,趙 軍,邵周亭

(1.魯東大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院,煙臺 264025;2.天津大學(xué)機械工程學(xué)院,天津 300072;3.光匯石油海運集團股份有限公司,深圳 518119)

0 引 言

槽型拋物面太陽能熱發(fā)電 (Parabolic Trough Solar Power,PTSP)技術(shù)可以實現(xiàn)太陽能-熱能-電能的轉(zhuǎn)化,其技術(shù)可靠性和大規(guī)模化商業(yè)化前景已由美國加利福尼亞洲 Mojave Desert,自1985年～1991年間陸續(xù)興建的9座總裝機容量354 MW的PTSP電站所證明[1]。以及PTSP相關(guān)技術(shù)的進步帶來的建設(shè)和運營成本的下降使得PTSP日益成為國際上的熱點。

槽型拋物面太陽能電站對于選址有一定的要求,包括太陽能資源、土地面積、土地利用情況、坡度,以及包括電網(wǎng)、天然氣管線、鐵路和公路在內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施等。我國新疆、西藏和內(nèi)蒙古地區(qū)由于兼?zhèn)涑渥愕闹鄙涮栞椛浜兔娣e廣大的未利用土地,滿足PTSP電站的選址要求,具有建設(shè)太陽能電站的潛力[3～4]。在這3個地區(qū)中,內(nèi)蒙古自治區(qū)在電網(wǎng)設(shè)施方面具有優(yōu)勢,可通過華北和東北電網(wǎng)實現(xiàn)與其它區(qū)域之間的互聯(lián),利于將來將太陽能轉(zhuǎn)化而成的電力外送。本文以內(nèi)蒙古奈曼地區(qū)為背景,用TRNSYS軟件對槽型拋物面太陽能電站進行了系統(tǒng)仿真,分析了該系統(tǒng)在當?shù)貧庀髼l件下的適用性,研究了直射輻射強度 (Direct Normal Insolation,DNI)對電站運行性能的影響。為比較國內(nèi)不同氣象條件對系統(tǒng)的影響,選擇了西藏拉薩地區(qū)對同樣的電站系統(tǒng)進行了仿真分析。

1 槽型拋物面太陽能熱發(fā)電仿真系統(tǒng)的建立

槽型拋物面太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的單位發(fā)電成本隨著電站規(guī)模的擴大而降低,因此,本文中系統(tǒng)仿真的對象選擇為35 MW的槽型拋物面太陽能電站,系統(tǒng)的建立遵循朗肯循環(huán)的原理,其系統(tǒng)流程圖見圖1[4]。

圖1 槽型拋物面式太陽能電站系統(tǒng)圖Fig.1 Schematic of the parabolic trough solar power station

槽型拋物面太陽能電站有別于傳統(tǒng)火力發(fā)電廠的核心部分是聚光集熱子系統(tǒng),它由槽型拋物面集熱器陣列組成,陣列中的單元是LS-2代集熱器[4]。

除了聚光集熱器陣列之外,電站系統(tǒng)中的其它部件都屬于發(fā)電子系統(tǒng)。蒸汽器由單相的省煤器、蒸發(fā)器和過熱器組成;預(yù)熱器和過冷器兩個模塊一起共同組成給水加熱器。在給水加熱器中,由汽輪機抽出的蒸汽在給水流入省煤器前對其進行預(yù)熱;除氧器用來除去給水中的氧氣。此外,其它主要部件還有冷凝器和冷卻塔。此仿真電站系統(tǒng)的汽輪機具有抽汽部分,抽出的蒸汽除了引入給水加熱器之外,還被引入除氧器進行加熱脫氧。

在進行系統(tǒng)仿真時,集熱器陣列的出口溫度設(shè)定為390℃,在額定發(fā)電功率時對應(yīng)的直射太陽輻射通量為850 W/m2。

2 研究區(qū)概況

奈曼旗位于內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市西南部。地理位置位于 120°19′～ 121°35′E,42°14′～ 43°32′N之間,全境東西寬68 km,南北長140 km,土地總面積8 137.5 km2(約1 220萬畝)。全旗土地沙漠化嚴重,流動半流動沙漠化面積達5 110.4 km2,占土地總面積的62.8%[5～6]。

奈曼旗氣候?qū)儆诒睖貛Т箨懶约撅L(fēng)干旱氣候。年平均日照時數(shù)為2 940～2 955 h左右,年平均氣溫5.0～6.5℃,全年的平均直射太陽輻射(DNI)量為196.2W/m2(1718.7 kW?h/(m2?a))[7]。冬季多西北風(fēng),春季多西南風(fēng),年平均風(fēng)速3.6～4.1 m/s。

3 系統(tǒng)仿真結(jié)果及其分析

根據(jù)所建立的35 MW槽型拋物面太陽能電站仿真系統(tǒng),采用Meteonorm和Energy Plus氣象數(shù)據(jù)[7～8],對奈曼旗地區(qū)的電站運行情況進行了模擬。本文還選擇了國內(nèi)直射輻射資源居于前列的西藏拉薩地區(qū) (年均DNI值271.3 W/m2,即2 376.6 kW?h/(m2?a))就同樣的系統(tǒng)進行了模擬。

圖2 奈曼電站夏季的模擬運行結(jié)果Fig.2 Simulation result of Naiman power station in summer

圖3 奈曼電站冬季的模擬運行結(jié)果Fig.3 Simulateion result of Naiman power station in winter

圖2和圖3則為內(nèi)蒙古奈曼電站在夏季的7月10日和冬季的1月5日的運行模擬結(jié)果,而圖4、圖5分別為拉薩電站在夏季的6月8日和冬季的12月21日的運行模擬結(jié)果,其中涵蓋了較為晴朗的天氣和多云天氣 (圖2、圖4)。從圖中可以看出,直射輻射強度的變化對于槽型拋物面太陽能電站的運行性能有著較大的影響;另一方面,冬夏兩季的電站運行特性有著較大的差異。在夏季,電站的產(chǎn)熱量和發(fā)電量與DNI的走勢較為吻合,在冬季則不然,這是由于太陽光線入射角在冬季和夏季的不同變化特性所決定的。因此,筆者引入了入射直射輻射強度 (Incident Direct Radiation,IDR)這一概念[9],從圖中可以看出,相對而言,IDR更好地反映了PTSP電站的運行性能,這一點在冬季更為明顯。相對于目前國際上通行的聚焦式太陽能電站太陽能資源評估標準— —DNI來說,入射直射輻射強度— —IDR與電站發(fā)電量的關(guān)系更為明顯。

圖4 拉薩電站夏季的模擬運行結(jié)果Fig.4 Simulation result of Lhasa power station in summer

圖5 拉薩電站冬季的模擬運行結(jié)果Fig.5 Simulation result of Lhasa power station in winter

進一步選擇全年這一較長的時間跨度進行研究,作為電站選址分析中評估系統(tǒng)性能的重要參數(shù)之一,分別計算出仿真系統(tǒng)在奈曼和拉薩兩地的模擬年發(fā)電量 分別為37 271.10 MW?h和66 541.08 MW?h,兩者相差78.5%。

除了直射輻射強度之外,環(huán)境溫度和風(fēng)速等氣象參數(shù)也是影響槽型拋物面太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)性能的因素。表1列出了奈曼以及拉薩兩地的DNI,IDR以及其余氣象參數(shù)的年度值[7,8],結(jié)合前面的分析可以得出,從全年的角度來看,環(huán)境溫度和風(fēng)速對于電站的全年發(fā)電量的影響相對較小。

表1 奈曼和拉薩兩地的氣象數(shù)據(jù)Tab.1 年度值

為了進一步評估各氣象參數(shù)對于槽型拋物面電站運行性能的影響,模擬計算了奈曼和拉薩兩地電站仿真系統(tǒng)的逐月發(fā)電量,見圖6和圖7。從圖中可以看出,拉薩和奈曼旗兩地仿真電站的逐月發(fā)電量大致隨著IDR平均值的增減而變化,但是在個別月份出現(xiàn)例外,如拉薩電站在8,9月份的發(fā)電量和奈曼旗電站在4,5月的發(fā)電量。

圖6 奈曼電站的逐月發(fā)電量Fig.6 Monthly output of Naiman power station

圖7 拉薩電站的逐月發(fā)電量Fig.7 Monthly output of Lhasa power station

個別月份的IDR平均值和電站發(fā)電量的不一致變化可以從兩地的月度環(huán)境溫度和風(fēng)速的變化規(guī)律得到解釋,見圖8及圖9。拉薩8,9月的IDR平均值分別為244.8 W/m2和251.3 W/m2,而電站發(fā)電量在9月的仿真結(jié)果為6 143.30 MW?h,低于8月的發(fā)電量6 262.24 MW?h。這是由于在月均風(fēng)速不變的情況下,當?shù)卦戮h(huán)境溫度由8月的11.2℃降低到9月的9.4℃;奈曼電站5月的發(fā)電量為5 795.24 MW?h,比4月的5 639.92 MW?h有所升高,而IDR平均值則從4月的255.4 W/m2降低到5月的233.7 W/m2,這是由于5月的月均風(fēng)速從4月的5.0 m/s降低到4.6 m/s,而環(huán)境溫度則從7.3℃升高到15.1℃。

圖8 奈曼的月度環(huán)境溫度和風(fēng)速Fig.8 Monthly ambient temperature and wind speed in Naiman

圖9 拉薩的月度環(huán)境溫度和風(fēng)速Fig.9 Monthly ambient temperature and wind speed in Lhasa

拉薩和奈曼旗兩地電站全年發(fā)電量的差別顯然是由于不同的IDR年平均值的緣故;從發(fā)電量的逐月分布來看,由于IDR平均值以及其它氣象參數(shù)的綜合影響,拉薩和奈曼旗兩處電站在冬季的發(fā)電量差別要大于夏季,這一點在進行選址評估考慮電網(wǎng)負荷變化時顯得尤為重要。

4 結(jié) 論

本文應(yīng)用STEC部件庫在 TRNSYS環(huán)境下建立了35 MW槽型拋物面太陽能電站的仿真模型,對其在內(nèi)蒙古奈曼地區(qū)氣象條件下的運行性能進行了模擬分析。結(jié)果表明,電站的全年發(fā)電量可達37 271.10 MW?h。

本文還針對同樣系統(tǒng)在奈曼和西藏拉薩兩地進行的模擬運行性能進行了對比分析。結(jié)果表明,拉薩電站的年發(fā)電量明顯較高。因此,在電站選址時應(yīng)該對各要素進行綜合考慮。

為了較為準確地評估當?shù)靥柲苜Y源對于太陽能電站運行性能的影響,本文提出了入射直射輻射強度IDR這一概念,并通過系統(tǒng)仿真得出其比目前國際上通行的直射輻射強度DNI更加適宜作為聚焦式太陽能電站的太陽能資源評估指標。

[1]E.Zarza,H.Price,E.Lupfert,et al.Advances in Parabolic Trough Solar Power Technology[J].Journal of Solar Energy Engineering 2002,124:109-125.

[2]http://www.nevadasolarone.net/the-plant.

[3]Qu Hang,Zhao Jun,Yu Xiao,et al.Prospect of Concentrating Solar Power in China-the Sustainable Future[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2008 12(9):2498-2507.

[4]QU Hang,ZHAO Jun,YU Xiao.Simulation of parabolic trough solar power generating system for typical Chinese sites.Proceedings of the CSEE:2008,28(11):87-93.

[5]常學(xué)禮,李勝功,趙學(xué)勇.奈曼旗沙漠化地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能流效益特征分析[J].中國沙漠,1992,6(3):85-91.

[6]www.naimanqi.gov.cn

[7]Meteotest.MeteonormHandbook[R/OL].Bern,Switzerland.Oct,2007.

[8]U.S.Dept.of Energy.Energy Plus Handbook[R/OL].Washington DC,the United States of America,Oct 2007.

[9]曲航,槽型拋物面太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)選址分析及集熱管傳熱的研究[D],天津:天津大學(xué)博士學(xué)位論文,2008.