南京南瑞太陽能科技有限公司 ■ 王啟揚 談友飛 林晨

江蘇省太陽能技術重點實驗室 ■ 蔣川

南京嘉業(yè)新能源有限公司 ■ 袁銀鳳

0 引言

隨著石油、煤炭、天然氣等能源迅速消耗并面臨枯竭的威脅，太陽能作為一種可再生的清潔能源，其開發(fā)和利用已受到世界各國的普遍關注[1]。從1950年蘇聯(lián)設計、建造世界第一座塔式太陽能熱發(fā)電的小型試驗電站至今，許多國家相繼建立起不同形式的太陽能示范電站及商業(yè)化電站[2,3]。在這些電站中，以槽式和塔式為主，其中槽式光熱發(fā)電技術已相對成熟，塔式光熱電站由于技術要求更高，前期投入更大，其發(fā)展稍滯后于槽式光熱電站。但塔式電站也具備一定的優(yōu)勢，如規(guī)模性效益更強、光-熱-電轉(zhuǎn)換效率更高、系統(tǒng)熱損失更小等[4]。因此，許多國家也逐漸將目光投向大規(guī)模塔式光熱電站。

槽式光熱電站的集熱模塊具有相對獨立性，其規(guī)?？蛇M行物理疊加。但塔式電站圍繞其中心集熱塔建造，在擴大集熱規(guī)模的過程中，會造成大氣傳輸因子、余弦效率、占地面積、集熱塔高度等一系列因素的非線性增長。塔式電站雖然具有規(guī)模性效益，但并非單體規(guī)模越大越好。另外，由于不同地區(qū)的自然條件存在差異，適宜建造的電站規(guī)模也不同。本文通過對塔式光熱電站能量轉(zhuǎn)化內(nèi)在機理的理論分析，建立聚光系統(tǒng)、吸熱系統(tǒng)和儲熱系統(tǒng)的數(shù)學模型，并結(jié)合System Advisor Model(SAM)仿真軟件，以太陽直射輻照值(DNI)為主要考查因素，分析不同地區(qū)建造塔式光熱電站的適宜規(guī)模，并對系統(tǒng)關鍵設備進行優(yōu)化配置研究。

1 數(shù)學模型建立

1.1 聚光系統(tǒng)模型

通過分析并建立不同地理位置太陽輻射模型，建立圓形聚光鏡場的數(shù)學模型，考慮鏡子的相關損失，建立單個鏡子集熱能力的表達式。最后，建立整個鏡場集熱能力與面積的關系模型。

鏡場總輻射能量Erad與鏡場鏡子個數(shù)Nm、鏡場面積Sfield間的關系為：

太陽的直射幅照度I(t)表達式為：

1.2 吸熱系統(tǒng)模型

塔式光熱電站的吸熱系統(tǒng)包括聚光塔頂?shù)奈鼰崞?、蒸汽發(fā)生器、過熱器等裝置，完成從鏡場吸收的輻射能量到蒸汽熱能的轉(zhuǎn)換[5,6]。

吸熱工質(zhì)吸收的集熱場輻射能量，一部分被存儲在儲熱系統(tǒng)的高溫熔鹽罐內(nèi)，另一部分與蒸汽發(fā)生器進行換熱，加熱水工質(zhì)，產(chǎn)生蒸汽[7]。本節(jié)建模對吸熱器與蒸汽發(fā)生器之間熔融鹽工質(zhì)的能量傳遞過程與儲熱系統(tǒng)能量調(diào)度進行簡化處理，可得到熔鹽工質(zhì)與蒸汽發(fā)生器換熱的輸入熱量：

式中，QB為熔融鹽工質(zhì)傳遞進蒸汽發(fā)生器的熱量，J；ηre為集熱器效率；λe為熔鹽工質(zhì)輸送到蒸汽發(fā)生器的占比。

蒸汽發(fā)生器受熱部分的水工質(zhì)連續(xù)性方程式為：

式中，vt為蒸汽發(fā)生器受熱面內(nèi)部總?cè)莘e，m3；ρa為蒸汽發(fā)生器中汽水工質(zhì)的平均密度，kg/m3；Dec為入口給水流量，kg/s；Ds為過熱器出口蒸汽流量，kg/s。

1.3 儲熱系統(tǒng)模型

吸熱器吸收總能量為Qre，在儲熱系統(tǒng)建模過程中對輸入能量進行簡化處理，假設根據(jù)電站實際運行工況，吸熱器吸收的總能量中有λe用于發(fā)電，得到蓄熱系統(tǒng)能量輸入為：

式中，Qst為蓄熱系統(tǒng)輸入熱量，J。

儲熱系統(tǒng)通過換熱器的能量輸出為：

式中，d為管徑；h為傳熱系數(shù)，W/(m2·℃)；A為傳熱面積；ti為入口水溫，℃；to為出口水溫，℃；tm為定性溫度，℃；tw為管壁溫度，℃。

2 仿真優(yōu)化研究

2.1 塔式光熱電站最佳規(guī)模研究

在本節(jié)研究中，選取DNI值分別為2791.4(Daggett)、2606.6(Las Vegas)、2422.2(Tonopah)的3個地區(qū)作為模擬地域。塔式光熱電站模擬容量為40～350 MW，梯度為10 MW。集熱塔高度和集熱器規(guī)格，采用SAM內(nèi)嵌軟件迭代計算得到。

在以上3個地域，對不同容量的塔式光熱電站進行仿真分析，得到不同地區(qū)能量均化成本(LCOE)與容量的關系曲線如圖1所示。

圖1 不同地區(qū)LCOE與容量關系曲線

對3組數(shù)據(jù)分別比較得到：

1) DNI值越高的地方，越適合建造塔式光熱電站，建站成本越低。

2)電站容量在40～200 MW區(qū)間內(nèi)，隨著規(guī)模的擴大，單位功率造價越便宜，規(guī)模化效益表現(xiàn)明顯；電站容量在200～280 MW區(qū)間內(nèi)，電站單位功率造價趨于平穩(wěn)；電站容量在280～350 MW區(qū)間內(nèi)，規(guī)模越大單位功率造價反而上升，說明不利因素的影響比重逐漸擴大。

根據(jù)美國能源署(DOE)對不同容量電站進行的成本仿真分析對比結(jié)果顯示，塔式電站最合適的裝機規(guī)模為250 MW，相對于100 MW的塔式電站參照模型來看，其LCOE可下降20%。當超過這一范圍繼續(xù)增加裝機規(guī)模，其LCOE不降反升。通過對照，模擬結(jié)果基本吻合。但是，由于實際建造時的影響因素較多，最優(yōu)塔式光熱電站規(guī)模需根據(jù)當?shù)赝恋刭Y源、水資源、負荷情況及資金狀況等多重因素綜合考慮。

2.2 塔式光熱電站定日鏡最佳規(guī)格研究

定日鏡是塔式光熱電站最主要的組成部分之一，占整個電站基礎投資的50%。從20世紀80年代的Solar One塔式光熱電站開始，定日鏡的規(guī)模化應用已有30余年，但縱觀各個電站，定日鏡的規(guī)格卻各有不同[8,9]。本次將通過對配備不同尺寸定日鏡的塔式光熱電站進行仿真分析，研究其最優(yōu)化配置的問題。

本節(jié)將LCOE和總面積作為主要考核對象，定日鏡尺寸(正方形結(jié)構(gòu))和電站容量值為參變量，其余參數(shù)均保持一致。為避免氣候?qū)Ψ抡娼Y(jié)果的影響，在研究過程中均選取Daggett(DNI=2791.4)作為模擬地域。塔式光熱電站的額定容量分別選取250 MW和10 MW，定日鏡的邊長從2～20 m，梯度為1 m。

通過仿真分析，得到定日鏡尺寸與LCOE Real(實際值)關系曲線和定日鏡尺寸與總面積關系曲線如圖2、圖3所示。

根據(jù)仿真數(shù)據(jù)可得到以下規(guī)律：

1) 在兩種規(guī)模的電站中，隨著定日鏡尺寸的增加，LCOE 實際值都呈先降后升的規(guī)律；

圖2 Daggett地區(qū)兩種規(guī)模塔式電站定日鏡尺寸與總面積的關系曲線

圖3 Daggett地區(qū)兩種規(guī)模塔式電站定日鏡尺寸與LCOE 實際值的關系曲線

2) 250 MW電站LCOE實際值的最低值所對應的定日鏡邊長為12 m，而10 MW電站LCOE實際值的最低值所對應的定日鏡邊長為6 m；

3) 在兩種規(guī)模的電站中，隨著定日鏡尺寸的增加，總面積值都呈現(xiàn)增長的規(guī)律。

由此可得出，對于不同規(guī)模的塔式光熱電站，定日鏡最優(yōu)尺寸不同，且規(guī)模大的電站對應的定日鏡最優(yōu)尺寸更大。在相同規(guī)模的塔式光熱電站中，大定日鏡的土地利用率小于小定日鏡。

在實際工程建設中，定日鏡的最優(yōu)尺寸選取需充分考慮生產(chǎn)制造能力、控制難度、抗風強度、安裝調(diào)試成本等因素，根據(jù)項目的實際情況分析而定。

2.3 塔式光熱電站吸熱器優(yōu)化配置研究

根據(jù)結(jié)構(gòu)，塔式光熱發(fā)電站中吸熱器主要包含表面式和空腔式兩類。兩種類型的吸熱器各具優(yōu)缺點，在選擇過程中需考慮多方面的因素。其中主要包括電站容量、地理位置等[10,11]。本次將針對表面式吸熱器的規(guī)格進行仿真研究。

本節(jié)將吸熱器面積作為主要考核對象，定日鏡尺寸(正方形結(jié)構(gòu))和電站容量值為參變量，其余參數(shù)均保持一致。在研究塔式光熱電站額定容量與吸熱器設計規(guī)格的關系時，考慮不同地域?qū)υO計要求的影響，在研究過程中均選取Daggett(DNI=2791.4)和 Tonopah(DNI=2422.2)作為對照仿真地域，電站容量從40～300 MW，梯度為10 MW。在研究定日鏡尺寸與吸熱器設計要求的關系時，考慮塔式光熱電站額定容量的影響，分別選取250 MW和10 MW的塔式光熱電站作為對照組，定日鏡的邊長從2～17 m，梯度為1 m。

通過仿真分析，得到電站容量與吸熱器面積間的關系曲線如圖4所示，定日鏡邊長與吸熱器面積間的關系曲線如圖5所示。

根據(jù)仿真研究得到的關系曲線可得出以下幾點結(jié)論：

1) DNI值對塔式光熱電站吸熱器的設計規(guī)格沒有明顯影響；

2) 隨著塔式光熱電站設計容量的增加，吸熱器表面積也呈相應增長，且接近線性關系；

圖4 不同地區(qū)塔式光熱電站額定容量與吸熱器面積關系曲線

圖5 Daggett地區(qū)不同規(guī)模塔式光熱電站定日鏡尺寸與吸熱器面積關系曲線

3) 在小容量塔式光熱電站中，定日鏡尺寸的增加會導致吸熱器表面積的微量增長；

4) 在大容量塔式光熱電站中，定日鏡尺寸的增大對吸熱器表面積的影響較小。

電站容量增加，就需傳熱介質(zhì)在單位時間內(nèi)獲得更多的熱量，在溫度梯度一定的情況下，為增加熱通量需增大換熱面積，這也驗證了隨著塔式光熱電站設計容量的增加，吸熱器表面積也呈現(xiàn)相應增長的現(xiàn)象。在小容量塔式光熱電站中，定日鏡尺寸的增加會使聚集的光斑增大，進而導致吸熱器設計規(guī)格的增大；在大容量塔式光熱電站中，因定日鏡尺寸改變而增大的光斑相對于吸熱器尺寸偏小，因此不會對吸熱器的設計規(guī)格造成影響。

2.4 塔式光熱電站儲熱系統(tǒng)最佳容量研究

儲熱是指將能量轉(zhuǎn)化為在自然條件下比較穩(wěn)定的熱能，并加以儲存的過程。在太陽能光熱電站中，當負荷降低時，利用蓄熱裝置可把多余熱能暫時儲存起來。由于太陽能自身的非連續(xù)性，蓄熱器的放熱還可用于補充高峰負荷的需要。因此，蓄熱可實現(xiàn)供電的削峰填谷，從而保證電能并網(wǎng)的穩(wěn)定性和連續(xù)性[12,13]。

在本節(jié)研究中將采用帶熔鹽儲熱的塔式光熱發(fā)電模型，傳熱、儲熱介質(zhì)為60%NaNO3+40%KNO3的二元復合熔鹽，儲熱系統(tǒng)為冷、熱雙鹽罐結(jié)構(gòu)。為充分考慮光照強度及電站規(guī)模對儲熱系統(tǒng)最優(yōu)化容量的影響，擬選取Daggett(DNI=2791.4)和Los Angeles(DNI=1800)作為仿真地域，電站規(guī)模選取10 MW和100 MW兩種，儲熱系統(tǒng)容量以滿足電站按額定功率發(fā)電1 h所需容量為計算單位。儲熱系統(tǒng)容量從額定功率發(fā)電1 h所需容量起，以等差數(shù)列遞增，梯度為1 h。

通過仿真分析，得到儲熱系統(tǒng)容量(Full Loads Hours of TES)與能量均化成本(LCOE 實際值)間的關系曲線如圖6所示。

圖6 塔式光熱電站儲熱系統(tǒng)容量與LCOE實際值關系曲線圖

根據(jù)仿真數(shù)據(jù)可得到以下結(jié)論：

1)配置儲熱系統(tǒng)能有效降低LCOE 實際值，但有一個最佳范圍，過高或過低都將影響電站的經(jīng)濟性；

2)同一地區(qū)，不同規(guī)格塔式太陽能光熱電站儲熱系統(tǒng)的最優(yōu)化容量相同，表明儲熱系統(tǒng)容量與電站設計規(guī)格的比值與電站規(guī)格無關，而取決于當?shù)毓庹諚l件；

3)不同地區(qū)，相同規(guī)格塔式太陽能光熱電站儲熱系統(tǒng)的最優(yōu)化容量不同，且DNI值越大的地區(qū)所需儲熱系統(tǒng)容量越大，表明在光照條件越好的地區(qū)配置大容量儲熱系統(tǒng)能更好地提高資源利用率。

在此次研究中，集熱場規(guī)模與電站額定功率的比值固定。而在實際應用中，為了實現(xiàn)快速調(diào)峰功能，集熱場規(guī)模與電站額定功率的比值是不同的。因此，在儲熱系統(tǒng)容量的設計過程中需考慮當?shù)毓庹諚l件、集熱場規(guī)模與電站額定功率的比值、提高儲熱系統(tǒng)容量引起技術難度的增加這幾個因素。

3 驗證分析

經(jīng)過對塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)關鍵設備優(yōu)化配置的研究，得到了相應結(jié)論。以下將國內(nèi)某地區(qū)作為擬建地點，進行驗證分析。

選取內(nèi)蒙古阿巴其地區(qū)作為仿真地點，當?shù)氐牡乩砑皻庀髷?shù)據(jù)如圖7所示。

圖7 阿巴其地區(qū)地理及氣象數(shù)據(jù)

此次仿真中選取電站額定裝機容量為250 MW，在定日鏡規(guī)格選取中，結(jié)合仿真結(jié)論及國內(nèi)外已建成的塔式光熱電站，選擇正方形定日鏡，邊長為12 m。采用表面式吸熱器，傳熱介質(zhì)為二元復合熔融鹽，儲熱容量選取7 h最優(yōu)容量。

通過仿真計算，最終得到電站運行數(shù)據(jù)。其中電站總造價為19.2748億美元，平均年發(fā)電量為9.41785億kWh，能量均化成本為15.38美分/kWh，電站平均月發(fā)電量如圖8所示。

圖8 電站平均每月發(fā)電量

根據(jù)優(yōu)化配置仿真結(jié)論選取各關鍵設備規(guī)格，在內(nèi)蒙古阿巴其地區(qū)以250 MW塔式電站作為仿真對象，其經(jīng)濟性較好，在一定程度上驗證了關鍵設備優(yōu)化配置研究的結(jié)論，可供實際工程建設參考。

4 結(jié)論

通過對塔式太陽能光熱電站容量、定日鏡尺寸、吸熱器規(guī)格和儲熱系統(tǒng)容量4個方面進行研究，得到大容量塔式光熱發(fā)電系統(tǒng)關鍵設備優(yōu)化配置的結(jié)論有如下幾點：

1)塔式光熱電站的規(guī)模性效益很明顯，200 MW電站的單位功率造價比50 MW電站的單位功率造價能降低約10%，電站的最優(yōu)化規(guī)模在200～280 MW之間。

2)對于定日鏡尺寸無確切的最優(yōu)值，但具有整體規(guī)律：電站容量越大，對應的定日鏡最優(yōu)尺寸越大。在實際設計過程中，定日鏡的尺寸需根據(jù)建造工藝、安裝、控制、當?shù)刈匀粭l件等因素進行綜合考慮。

3)隨著塔式光熱電站容量增長，吸熱器設計規(guī)格相應增大。在小容量塔式光熱電站中，定日鏡尺寸的增大要求吸熱器規(guī)格增大；在大容量塔式光熱電站中，定日鏡尺寸的變化對吸熱器的設計規(guī)格影響較小。

4)儲熱系統(tǒng)能有效提高塔式光熱電站的資源利用率，從而降低能量均化成本，光照條件越好需儲熱系統(tǒng)的配比越高，同一地區(qū)不同規(guī)格電站的儲熱系統(tǒng)最優(yōu)化配比相近。

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