高嵩

(中國電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計院有限公司，長春 130021)

塔式熔融鹽太陽能熱發(fā)電法向直射輻射設(shè)計點(diǎn)選擇方法研究

高嵩

(中國電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計院有限公司，長春 130021)

根據(jù)塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)特點(diǎn)，以50 MW裝機(jī)規(guī)模為計算模型，依據(jù)某地區(qū)太陽能資源條件，選取不同的直射輻射(DNI)作為設(shè)計點(diǎn)，與不同的太陽倍數(shù)(SM)和儲熱時間形成多個配置方案進(jìn)行模擬，以相同的年發(fā)電設(shè)備利用小時數(shù)作為邊界條件，篩選配置方案，以單位電價最低作為優(yōu)化目標(biāo)。從對比結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，不同的年發(fā)電量要求對應(yīng)的不同配置方案，即使在相同地區(qū)，不同的年發(fā)電量對應(yīng)的設(shè)計點(diǎn)也是不同的，設(shè)計點(diǎn)是確定SM為某一值時聚光場采光面積的一個必要條件，通過對聚光、吸熱、儲熱和發(fā)電單元容量優(yōu)化設(shè)計，最終確定聚光場采光面積。設(shè)計點(diǎn)的確定為聚光及儲熱系統(tǒng)設(shè)計中設(shè)備選型提供依據(jù)。

塔式太陽能熱發(fā)電；直射輻射；太陽倍數(shù)；儲熱時間；設(shè)計點(diǎn)

0 引言

光場集熱面積、塔頂吸熱器功率、儲熱時間的選擇是光熱發(fā)電設(shè)計中最重要的部分，由于鏡場的投資約占全廠初投資的50%，所以上述3個方面的優(yōu)化對于節(jié)省初投資，降低單位電價作用明顯[1]。上述 3 個方面的優(yōu)化配置與設(shè)計點(diǎn)的選取有著密切的關(guān)系，由于光照在一年中逐時地變化，這就要求針對不同的設(shè)計點(diǎn)開展不同的配置方案動態(tài)模擬，通過比對模擬結(jié)果，在相同發(fā)電量的前提下，選出最低單位電價對應(yīng)的集熱面積和吸熱器功率的配置方案，對于光場設(shè)計方案的選擇有重要意義。

1 儲熱式塔式熔融鹽太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)

1.1 塔式熔融鹽太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)

熔融鹽塔式太陽能光熱發(fā)電技術(shù)通過定日鏡、吸熱器收集太陽能熱量，將熱量暫時儲存在鹽罐中，輸送到蒸汽發(fā)生區(qū)加熱水形成蒸汽，最終送至動力區(qū)推動汽輪機(jī)發(fā)電[2]。集熱工質(zhì)和儲熱工質(zhì)均為熔融鹽，熔融鹽通過冷熔鹽泵在動力塔的管道內(nèi)循環(huán)流動，太陽光通過吸熱器將熔融鹽循環(huán)加熱，達(dá)到一定溫度后流向熱熔鹽罐，再通過熱熔鹽泵送至蒸汽發(fā)生區(qū)進(jìn)行發(fā)電，熔融鹽在冷罐和熱罐之間循環(huán)流動進(jìn)行儲熱或放熱。

1.2 鏡場系統(tǒng)

鏡場系統(tǒng)由集熱、吸熱、儲熱3部分組成，集熱部分由數(shù)量眾多的定日鏡組成鏡場，數(shù)量眾多的定日鏡鏡面面積構(gòu)成了全廠的集熱面積[3]；吸熱部分在鏡場中心吸熱塔，吸熱器在吸熱塔上方布置，吸熱器由多個集熱面組成，每個集熱面包含多個集熱管，集熱管上端和下端分別連接2個聯(lián)箱，冷熔鹽通過冷熔鹽泵從冷熔鹽罐進(jìn)入到吸熱器，在吸熱器內(nèi)通過輻射換熱吸收通過定日鏡聚焦的太陽能熱量。吸熱器輸出熱量的一部分可以滿足汽輪機(jī)滿負(fù)荷發(fā)電的熱量需求，當(dāng)超出汽輪機(jī)滿發(fā)需求時，將多余的熱量保存在熱熔鹽罐中，進(jìn)而提供平穩(wěn)持久的電力輸出。就工藝流程而言，在鏡場設(shè)計中，吸熱器功率的選型，儲熱時間的選擇，鏡場集熱面積的確定要進(jìn)行大量的工作。

由于光熱發(fā)電的特點(diǎn)之一是輸入熱量波動，一旦設(shè)備選型確定，該設(shè)備需要滿足輸入熱量波動的所有正常工況的要求，但廠家設(shè)備的設(shè)計制造需要一個確定的設(shè)計點(diǎn)作為依據(jù)，而這個設(shè)計點(diǎn)應(yīng)該是通過全廠技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后優(yōu)化出的結(jié)果，設(shè)計點(diǎn)的選擇原則及最終的設(shè)計點(diǎn)選擇是電廠設(shè)計人員的重要設(shè)計依據(jù)。

2 計算模型

2.1 計算模型介紹

下面以某地區(qū)光資源為例進(jìn)行模擬計算，對采用雙融鹽罐儲熱技術(shù)[4]的熔融鹽塔式50 MW太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行單位電價模擬。該地區(qū)全年有效法向直射輻射(DNI)約1 500 (kW·h)/m2。DNI 設(shè)計點(diǎn)(記作DNIsjd)分別選取200，300，400，500，600，700，800，900，1 000 W/m2，太陽倍數(shù)(SM)分別選取1.8，1.9，2.1，2.2，2.3，2.4，儲熱時間分別選取5，7，9，11，13，15 h。將上述參數(shù)進(jìn)行排列組合產(chǎn)生出378組配置情況，通過軟件全年模擬逐時計算得到378組結(jié)果，結(jié)果中包括年發(fā)電量及單位電價2個部分。

SM為吸熱器輸出的熱量與汽輪機(jī)滿負(fù)荷運(yùn)行需要輸入熱量的比值，SM決定吸熱器額定輸出功率[5]。理論上若無蓄熱系統(tǒng)則SM=1.0，考慮部分系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率則SM可取1.1～1.3。帶儲熱系統(tǒng)的塔式熔融鹽熱發(fā)電系統(tǒng)中，SM的選取范圍理論上可以是任意值，但受到目前吸熱器廠家實(shí)際制造能力的限制，SM設(shè)計范圍往往在1.6～2.8之間。

DNIsjd即太陽通過大氣層進(jìn)入到項目所在地區(qū)，與投入光線垂直的平面所接收到的光照強(qiáng)度，W/m2。理論上DNIsjd可以是200～1 000 W/m2之間的任意直射輻照強(qiáng)度。

2.2 計算結(jié)果篩選

以相同的年發(fā)電設(shè)備利用小時數(shù)作為結(jié)果篩選的依據(jù)，本文以項目發(fā)電利用小時數(shù)3 000為例，可在378個配置方案中篩選出如下能夠滿足要求的配置方案，相應(yīng)的單位電價匯總見表1，由表1結(jié)果形成單位電價變化曲線如圖1所示。

表1 單位電價匯總(3 000 h) 元/(kW·h)

圖1 單位電價隨儲熱時間SM變化曲線

如果選擇年發(fā)電設(shè)備利用小時數(shù)為3 500，可在378個配置方案中篩選出如下能夠滿足要求的配置方案，相應(yīng)的單位電價匯總見表2，根據(jù)表2結(jié)果形成單位電價變化曲線如圖2所示。

表2 單位電價匯總(3 500 h) 元/(kW·h)

圖2 單位電價隨儲熱時間SM變化曲線

2.3 篩選結(jié)果匯總

從上述結(jié)果中可以得出，不同的年發(fā)電設(shè)備利用小時數(shù)所給出的單位電價最優(yōu)配置是不同的，年發(fā)電設(shè)備利用小時數(shù)為3 000，SM取1.9，儲熱時間9 h，是單位電價最低的配置方案，此配置對應(yīng)集熱面積為656 496 m2，吸熱器額定輸出功率為247 MW，對應(yīng)鏡場設(shè)計點(diǎn)為700 W/m2。而在年發(fā)電設(shè)備利用小時數(shù)選定為3 500的條件下，SM取2.3，儲熱時間選定在13 h，單位電價最低點(diǎn)對應(yīng)的集熱場面積為948 240 m2，吸熱器額定輸出功率為317 MW，對應(yīng)鏡場設(shè)計點(diǎn)為600 W/m2。

3 設(shè)計點(diǎn)選取的討論

在設(shè)計階段，逐時模擬開展之前，需要人為先選定一個 DNIsjd，以便進(jìn)一步確定系統(tǒng)各個設(shè)備的參數(shù)，進(jìn)而建立模型，對單位電價進(jìn)行測算，理論上設(shè)計點(diǎn)可以是200～1 000 W/m2之間任意的直射輻照強(qiáng)度，部分觀點(diǎn)認(rèn)為選取項目所在地春分日正午12：00或者夏至日正午12：00的瞬時DNI。若選用春分日正午12：00的瞬時DNI，春分日的日輻照強(qiáng)度在光學(xué)中認(rèn)為與全年平均輻照強(qiáng)度誤差在5%左右，可以代表全年直射輻照平均值。若選用夏至日正午12：00的瞬時DNI，夏至日太陽光直射北回歸線，北回歸線以北的地區(qū)在這一天光照輻照最強(qiáng)，在晴天模型中，理論上一年中其他時間點(diǎn)的光照強(qiáng)度均不會高于夏至日正午12：00的DNI。

上述2種DNI的選擇與運(yùn)行模式有關(guān)，選用春分日正午12:00的瞬時DNI作為設(shè)計點(diǎn)，在直射光照強(qiáng)度大于此設(shè)計點(diǎn)時，通過控制關(guān)閉部分定日鏡，避免吸熱器超溫運(yùn)行，因?yàn)槲鼰崞鞒瑴刈匀际欠浅?yán)重的事故，需要做到絕對保證吸熱器在整個運(yùn)行周期內(nèi)不發(fā)生超溫運(yùn)行。選用夏至日正午12:00的瞬時DNI作為設(shè)計點(diǎn)，則無需擔(dān)心吸熱器超溫，理論上全年其他時間點(diǎn)的瞬時DNI均低于此值。也有部分地區(qū)由于當(dāng)?shù)貧夂蛱攸c(diǎn)，一年中DNI瞬時最高值出現(xiàn)在夏至日以外的時間點(diǎn)，那么可根據(jù)實(shí)際光資源情況選取一年中瞬時DNI最高值作為設(shè)計點(diǎn)DNI。所以，要想得到度電價格最低的配置方案，應(yīng)利用計算軟件采用全年的逐時模擬，對不同配置的鏡場進(jìn)行比對，篩選最優(yōu)配置所對應(yīng)的設(shè)計點(diǎn)。

4 結(jié)論

塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中，鏡場系統(tǒng)的集熱面積以及吸熱器功率的選型均需要設(shè)計人員給出一個合理的設(shè)計點(diǎn)，設(shè)備的供應(yīng)商在此設(shè)計點(diǎn)下進(jìn)行設(shè)備的設(shè)計和制造，所以，設(shè)計點(diǎn)的選擇是關(guān)乎項目最終是否能夠達(dá)到設(shè)計預(yù)期的重要因素之一。本文利用軟件模擬，提出了塔式熔融鹽發(fā)電鏡場系統(tǒng)設(shè)計點(diǎn)選擇的方法，根據(jù)分析得到以下結(jié)論：本文認(rèn)為設(shè)計點(diǎn)的選取是一個優(yōu)化的結(jié)果，預(yù)先設(shè)定可以用春分日或夏至日正午12：00的DNI作為設(shè)計點(diǎn)，建立模型，初步確定系統(tǒng)各設(shè)備容量時的必要條件，通過在不同設(shè)計點(diǎn)下獲得不同的鏡場面積，不同的鏡場面積會與不同SM對應(yīng)吸熱器功率的排列組合形成不同的鏡場配置，得到不同的年發(fā)電量，進(jìn)而得到不同的單位電價。根據(jù)項目初投資或目標(biāo)年發(fā)電利用小時數(shù)作為選擇邊界條件，找到最低的單位電價，最終確定鏡場系統(tǒng)方案，該方案所對應(yīng)的設(shè)計點(diǎn)可作為本項目最終選取的設(shè)計點(diǎn)。

[1]KALOGIROU S A. Solar thermal collectors and applications[J].Progress in energy and combustion science, 2004, 30(3): 231-295.

[2]王長貴,崔容強(qiáng),周篁.新能源發(fā)電技術(shù)[M].北京:中國電力出版社,2003.

[3]NEUMANN A, GOETZBERGER A, FISCH M,et al. Renewable energy [M].Berlin: Heidelberg Springer,2006.

[4]宿建峰,韓巍,林汝謀,等.雙級蓄熱與雙運(yùn)行模式的塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)[J].熱能動力工程,2009,24(1)：132-137.

[5]MONTES M J, ABANADES A, MARTINEZ-VAL J M, et al. Solar multiple optimization for a solar-only thermal power plant, using oil as heat transfer fluid in the parabolic trough collectors[J]. Solar energy, 2009, 83(12): 2165-2176.

(本文責(zé)編：白銀雷)

2017-01-19；

2017-03-31

TM 615

B

1674-1951(2017)04-0074-03

高嵩(1984—)，男，吉林長春人，工程師，工學(xué)碩士，從事太陽能光熱發(fā)電設(shè)計研究方面的工作(E-mail:826871454@qq.com)。