毛維宙 陸華軍 單寶奇

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塔式光熱電站儲(chǔ)熱系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置

毛維宙1陸華軍1單寶奇2

（1. 南京磐能電力科技股份有限公司，南京 210061；2. 河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，南京 210098）

儲(chǔ)熱系統(tǒng)是塔式光熱電站的重要組成部件，其容量大小一般用儲(chǔ)熱時(shí)間來(lái)描述。儲(chǔ)熱時(shí)間是儲(chǔ)熱系統(tǒng)所能儲(chǔ)存的熱量可以供汽輪發(fā)電機(jī)組在額定工況下運(yùn)行的最大時(shí)間。目前已建的塔式光熱電站的儲(chǔ)熱時(shí)間取值比較隨意，未考慮其對(duì)電站經(jīng)濟(jì)效益的影響，本文提出了一種考慮綜合經(jīng)濟(jì)效益對(duì)電站儲(chǔ)熱時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化的方法，以在我國(guó)西部某地區(qū)建設(shè)50MW塔式光熱電站為例，使用該地區(qū)的實(shí)際地理氣象數(shù)據(jù),建立了塔式光熱電站的能量轉(zhuǎn)換效率模型及經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)模型，以平準(zhǔn)化度電成本最低為優(yōu)化目標(biāo)，分別得到了太陽(yáng)倍數(shù)分別為1.8和2.4時(shí)電站的最優(yōu)儲(chǔ)熱時(shí)間取值，分析了在一定太陽(yáng)倍數(shù)下，儲(chǔ)熱系統(tǒng)容量對(duì)電站經(jīng)濟(jì)效益的影響，并分析了儲(chǔ)熱系統(tǒng)容量對(duì)電站年容量因子的影響。

塔式光熱電站；儲(chǔ)熱系統(tǒng)；儲(chǔ)熱時(shí)間；平準(zhǔn)化度電成本

目前，光熱電站的形式主要包括槽式、塔式、線性菲涅爾式和碟式四種[1]。其中，塔式光熱發(fā)電的聚光比較高，太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化率高，發(fā)電效率提升空間更大，因此是最具有開(kāi)發(fā)潛力的光熱發(fā)電形式，也是大規(guī)模太陽(yáng)能發(fā)電的最理想方式[2]。

目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于塔式光熱電站儲(chǔ)熱系統(tǒng)的研究主要集中在儲(chǔ)熱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、儲(chǔ)熱系統(tǒng)仿真等方面，而對(duì)儲(chǔ)熱系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化的研究較少。文獻(xiàn)[3]分析了目前儲(chǔ)熱系統(tǒng)的發(fā)展概況，比較了油鹽和熔鹽作為太陽(yáng)能熱電站的儲(chǔ)熱介質(zhì)的經(jīng)濟(jì)性，得到了用來(lái)判斷兩者經(jīng)濟(jì)性優(yōu)劣的比例曲線，并以50MW容量的太陽(yáng)能熱電站為例，建立了儲(chǔ)熱系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)模型，通過(guò)模擬計(jì)算分析，對(duì)50MW電站的儲(chǔ)熱系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終得出了儲(chǔ)熱系統(tǒng)的最佳結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[4]介紹了儲(chǔ)熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的概況以及太陽(yáng)能熱電站儲(chǔ)熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)在不同層次上需要考慮的因素，討論了儲(chǔ)熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及應(yīng)用到太陽(yáng)能熱電站中的各種儲(chǔ)熱系統(tǒng)的熱能和效率分析。文獻(xiàn)[5]開(kāi)發(fā)了一種新的溫躍層儲(chǔ)熱罐仿真模型，解決了以往文獻(xiàn)中模型的不足，并將新的模型并入了一個(gè)100MW塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)模型中，研究了溫躍層儲(chǔ)熱罐長(zhǎng)期運(yùn)行期間的儲(chǔ)熱性能。

本文在建立塔式光熱電站的能量轉(zhuǎn)換效率模型及經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)模型的基礎(chǔ)上，以平準(zhǔn)化度電成本最低為優(yōu)化目標(biāo)，分別得到了太陽(yáng)倍數(shù)分別為1.8和2.4時(shí)電站的最優(yōu)儲(chǔ)熱時(shí)間取值。

1 塔式光熱電站能量轉(zhuǎn)換效率分析

1.1 塔式光熱電站的組成及原理

通常，塔式光熱電站主要由以下3個(gè)子系統(tǒng)組成：①聚光集熱子系統(tǒng)，其作用是收集匯聚太陽(yáng)能并將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為傳熱介質(zhì)的熱能；②儲(chǔ)熱子系統(tǒng)，其作用是儲(chǔ)存熱能，供太陽(yáng)能不足時(shí)發(fā)電使用；③熱力發(fā)電子系統(tǒng)，其作用是將熱能轉(zhuǎn)化為電能，與常規(guī)發(fā)電相似。

塔式光熱發(fā)電原理如下：利用大量獨(dú)立跟蹤太陽(yáng)的定日鏡，將太陽(yáng)光線聚焦到一個(gè)固定在高塔頂端的吸熱器上，加熱其中的工質(zhì)（熔融鹽）產(chǎn)生高溫介質(zhì)，高溫介質(zhì)加熱水產(chǎn)生過(guò)熱蒸汽，帶動(dòng)汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)發(fā)電[6]。塔式光熱電站的實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 塔式光熱電站實(shí)物圖

下文通過(guò)分析各子系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率，建立塔式光熱電站的能量轉(zhuǎn)換效率模型。

1.2 定日鏡場(chǎng)光學(xué)效率模型

1）定日鏡效率組成

定日鏡在工作時(shí)會(huì)受很多因素的影響，產(chǎn)生多種光學(xué)損失，使定日鏡反射到吸熱器的能量小于定日鏡理論上能夠接收的太陽(yáng)能。定日鏡場(chǎng)的這一特性可以用其光學(xué)效率來(lái)表達(dá)。定日鏡場(chǎng)的總光學(xué)效率由單臺(tái)定日鏡光學(xué)效率綜合得來(lái)，根據(jù)光學(xué)效率的影響因素，單臺(tái)定日鏡的光學(xué)效率包括余弦效率，大氣透射效率，鏡面反射效率，陰影和阻擋效率等。

若單臺(tái)定日鏡的面積為，則第臺(tái)定日鏡反射到吸熱器入口處的能量P為式（1）。

2）余弦效率計(jì)算

為使反射光線到達(dá)接收器，定日鏡工作時(shí)，其表面不能總與太陽(yáng)入射光保持垂直，而是呈現(xiàn)一個(gè)傾斜角。余弦損失就是因這種傾斜所導(dǎo)致的定日鏡反射面面積相對(duì)于太陽(yáng)光可見(jiàn)面積的減少而產(chǎn)生 的[7]。余弦效率可通過(guò)式（2）計(jì)算。

3）大氣透射效率計(jì)算

定日鏡場(chǎng)中任意一面定日鏡的大氣透射效率可通過(guò)式（3）[8]計(jì)算。

式中，為定日鏡場(chǎng)中任意一面定日鏡的鏡面中心到吸熱器中心的距離，m。

1.3 吸熱器能量轉(zhuǎn)換效率模型

1）吸熱器的熱損

2）吸熱器的反射熱損

3）吸熱器的輻射熱損

4）吸熱器的對(duì)流熱損

5）吸熱器的熱效率

由上可知，得到利用的有效熱能，即

1.4 儲(chǔ)熱系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率模型

1）充熱效率

儲(chǔ)熱系統(tǒng)的充熱效率定義為

式（12）描述了從儲(chǔ)存在高溫熔鹽罐中的熱量相對(duì)于輸入高溫熔鹽罐的熱量和泵送能量的比。

2）放熱效率

放熱效率定義為

式（13）描述了從高溫熔鹽罐提取的熱量相對(duì)于儲(chǔ)存的能量和抽取所需的泵送能量的比。

3）整體效率

儲(chǔ)熱系統(tǒng)的整體熱效率定義為

式（14）描述了用于單個(gè)充/放熱循環(huán)的回收熱量與輸入熱量和泵送能量的比。

1.5 熱力發(fā)電系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率模型

來(lái)自定日鏡場(chǎng)或儲(chǔ)熱系統(tǒng)的能量進(jìn)入熱力發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為電能，這個(gè)過(guò)程的整體效率與負(fù)載水平呈非線性關(guān)系[11]。

文獻(xiàn)[11]中的圖3表示了熱力發(fā)電系統(tǒng)效率與負(fù)載水平的函數(shù)關(guān)系，對(duì)其進(jìn)行變換可得50MW塔式光熱電站熱力發(fā)電系統(tǒng)的整體效率與輸入熱量的函數(shù)關(guān)系，如圖2所示。

圖2 50MW塔式光熱電站熱力發(fā)電系統(tǒng)整體效率與輸入熱量關(guān)系圖

2 塔式光熱電站儲(chǔ)熱系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化目標(biāo)

2.1 太陽(yáng)倍數(shù)和儲(chǔ)熱時(shí)間

太陽(yáng)倍數(shù)和儲(chǔ)熱時(shí)間是影響塔式光熱電站經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)[12]。電站容量確定以后，太陽(yáng)倍數(shù)和儲(chǔ)熱時(shí)間分別是鏡場(chǎng)容量和儲(chǔ)熱系統(tǒng)容量的直接反映。因此，本文在對(duì)儲(chǔ)熱系統(tǒng)容量進(jìn)行優(yōu)化配置時(shí)，選擇固定太陽(yáng)倍數(shù)，調(diào)節(jié)儲(chǔ)熱時(shí)間，觀察其對(duì)電站LCOE的影響，并以LCOE最低時(shí)的儲(chǔ)熱時(shí)間作為最優(yōu)取值。

塔式光熱電站儲(chǔ)熱系統(tǒng)的容量一般用儲(chǔ)熱時(shí)間來(lái)描述。儲(chǔ)熱時(shí)間是儲(chǔ)熱系統(tǒng)所能儲(chǔ)存的最大熱量可以供汽輪發(fā)電機(jī)組在額定工況下運(yùn)行的時(shí)間。

2.2 平準(zhǔn)化度電成本（LCOE）

LCOE是指當(dāng)電站整個(gè)壽命周期內(nèi)的總收益與總成本相等時(shí)的上網(wǎng)電價(jià)，也可理解為電站壽命周期內(nèi)每發(fā)1kW·h電所需投資的成本。當(dāng)電價(jià)高于此值時(shí)將產(chǎn)生更大的資本回報(bào)率，而低于此值時(shí)將會(huì)降低資本回報(bào)率甚至虧損。

LCOE是充分考慮了一座光熱電站整個(gè)壽命周期內(nèi)的投資，以及運(yùn)行、維護(hù)、管理成本的一個(gè)綜合性的參數(shù)，可根據(jù)式（15）計(jì)算[13]

塔式光熱電站的成本計(jì)算數(shù)據(jù)[14-15]見(jiàn)表1。

表1 塔式光熱電站成本計(jì)算數(shù)據(jù)

本文年發(fā)電量計(jì)算采用基于逐時(shí)模擬的年發(fā)電量計(jì)算方法。該方法的要點(diǎn)是，根據(jù)一年內(nèi)逐時(shí)的太陽(yáng)輻照度數(shù)據(jù)，通過(guò)基于系統(tǒng)能量平衡的模擬來(lái)計(jì)算不同聚光場(chǎng)面積下的集熱場(chǎng)輸出與汽輪機(jī)額定輸入之間的關(guān)系，以得到該汽輪機(jī)容量下的年最大發(fā)電量。

2.3 年容量因子

年容量因子是考慮光熱電站年發(fā)電小時(shí)數(shù)的重要數(shù)據(jù)，也是電站年運(yùn)行性能的反映。它是指電站實(shí)際年發(fā)電量與電站滿負(fù)荷運(yùn)行一年所發(fā)電量之比，可按照式（16）計(jì)算[16]。

3 模型驗(yàn)證

3.1 設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)選取

本文以在我國(guó)西部某地區(qū)建設(shè)50MW熔鹽塔式光熱電站為例建模，使用該地區(qū)的實(shí)際地理氣象數(shù)據(jù)，并選擇春分日正午12∶00的氣象數(shù)據(jù)作為電站設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)，見(jiàn)表2。

表2 我國(guó)西部某地區(qū)年地理氣象數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)表

3.2 儲(chǔ)熱系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置

在以上設(shè)計(jì)點(diǎn)參數(shù)下，分別分析太陽(yáng)倍數(shù)取1.8和2.4兩種情況，儲(chǔ)熱時(shí)間分別取0～16h，間隔取2h，分析各個(gè)儲(chǔ)熱時(shí)間取值下電站LCOE的變化情況，得到電站綜合經(jīng)濟(jì)效益隨儲(chǔ)熱時(shí)間的變化規(guī)律，以最低LCOE為目標(biāo)得到兩種情況下儲(chǔ)熱時(shí)間的最佳取值。通過(guò)分析年容量因子的變化規(guī)律，得到儲(chǔ)熱時(shí)間對(duì)電站運(yùn)行性能的影響。

1）LCOE分析

當(dāng)太陽(yáng)倍數(shù)分別被取1.8和2.4時(shí)，電站在各個(gè)儲(chǔ)熱時(shí)間取值下的LCOE分布分別如圖3和圖4所示。

由圖3可以看出，當(dāng)太陽(yáng)倍數(shù)取1.8時(shí)，LCOE隨儲(chǔ)熱時(shí)間先下降后上升，在儲(chǔ)熱時(shí)間取6h時(shí)，LCOE最低，為0.2113$/kW·h。這是由于，當(dāng)儲(chǔ)熱時(shí)間小于6h時(shí)，定日鏡場(chǎng)采集的太陽(yáng)輻射能并未完全利用起來(lái)，定日鏡場(chǎng)容量仍有一定裕量，此時(shí)如果增加儲(chǔ)熱時(shí)間，就能將定日鏡場(chǎng)采集的多余太陽(yáng)輻射能儲(chǔ)存起來(lái)，供太陽(yáng)輻射不足時(shí)發(fā)電使用，從而電站發(fā)電量能夠隨儲(chǔ)熱時(shí)間的增大而顯著增加，因此LCOE會(huì)下降。當(dāng)儲(chǔ)熱時(shí)間大于6h時(shí)，定日鏡場(chǎng)采集的多余太陽(yáng)輻射能已基本可以被儲(chǔ)熱系統(tǒng)全部吸收，此時(shí)即使繼續(xù)增加儲(chǔ)熱時(shí)間，由于定日鏡場(chǎng)能夠采集的太陽(yáng)能有限，電站的年發(fā)電量隨儲(chǔ)熱時(shí)間的增加速率已十分緩慢，而電站投資仍然會(huì)隨著儲(chǔ)熱時(shí)間的增加而大大增加，因此LCOE會(huì)隨儲(chǔ)熱時(shí)間的增加而上升。

圖3 太陽(yáng)倍數(shù)為1.8時(shí)的LCOE分布圖

圖4 太陽(yáng)倍數(shù)為2.4時(shí)的LCOE分布圖

當(dāng)太陽(yáng)倍數(shù)取2.4時(shí)，LCOE隨儲(chǔ)熱時(shí)間的變化規(guī)律與太陽(yáng)倍數(shù)取1.8時(shí)類(lèi)似，在儲(chǔ)熱時(shí)間取8h時(shí)，LCOE最低，為0.2049$/kW·h，如圖4所示。

以上分析說(shuō)明，太陽(yáng)倍數(shù)為1.8時(shí)，儲(chǔ)熱時(shí)間取6h時(shí)電站的綜合經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)；太陽(yáng)倍數(shù)為2.4時(shí)，儲(chǔ)熱時(shí)間取8h時(shí)電站的綜合經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)。

2）電站年容量因子分析

太陽(yáng)倍數(shù)分別取1.8和2.4時(shí)，電站在各個(gè)儲(chǔ)熱時(shí)間取值下的年容量因子分布分別如圖5和圖6 所示。

由圖5可以看出，隨著儲(chǔ)熱時(shí)間從0～16h，電站的年容量因子從27.83%～39.74%。這是因?yàn)?，?chǔ)熱時(shí)間越長(zhǎng)，儲(chǔ)熱系統(tǒng)容量越大，儲(chǔ)熱系統(tǒng)能夠儲(chǔ)存的多余太陽(yáng)輻射能越多，在太陽(yáng)輻射不足時(shí)能夠供給熱力發(fā)電系統(tǒng)的熱量越多，從而使發(fā)電時(shí)間增長(zhǎng)，發(fā)電量增加，年容量因子增大。但是，由于太陽(yáng)倍數(shù)已固定為1.8，定日鏡場(chǎng)能夠采集的太陽(yáng)輻射能有限，當(dāng)儲(chǔ)熱系統(tǒng)的容量已經(jīng)足以將定日鏡場(chǎng)采集的多余的太陽(yáng)輻射能全部?jī)?chǔ)存時(shí)，若繼續(xù)增加儲(chǔ)熱時(shí)間，則增加的儲(chǔ)熱容量會(huì)被浪費(fèi)，發(fā)電量不再增長(zhǎng)，因此，年容量因子隨儲(chǔ)熱時(shí)間的增長(zhǎng)趨勢(shì)不會(huì)一直持續(xù)，而是逐漸減緩，最終趨于一個(gè)最大值。

圖5 太陽(yáng)倍數(shù)為1.8時(shí)的年容量因子分布圖

圖6 太陽(yáng)倍數(shù)為2.4時(shí)的年容量因子分布圖

當(dāng)太陽(yáng)倍數(shù)取2.4時(shí)，年容量因子隨儲(chǔ)熱時(shí)間的變化規(guī)律與太陽(yáng)倍數(shù)取1.8時(shí)類(lèi)似，如圖6所示。

根據(jù)以上分析，年容量因子隨儲(chǔ)熱時(shí)間的增加而增大。因此，增加儲(chǔ)熱時(shí)間有利于提高電站年發(fā)電量，提高電站的運(yùn)行性能。但是，儲(chǔ)熱時(shí)間并不是可以無(wú)限制的增加，當(dāng)儲(chǔ)熱系統(tǒng)足夠?qū)⒍ㄈ甄R場(chǎng)采集的多余太陽(yáng)輻射能儲(chǔ)存時(shí)，繼續(xù)增加儲(chǔ)熱時(shí)間反而會(huì)造成投資浪費(fèi)。

4 結(jié)論

本文以在我國(guó)西部某地區(qū)建設(shè)50MW塔式光熱電站為例，建立了電站的能量轉(zhuǎn)換效率模型和經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)模型，研究了定太陽(yáng)倍數(shù)下儲(chǔ)熱系統(tǒng)容量對(duì)電站運(yùn)行性能及綜合經(jīng)濟(jì)效益的影響，得到以下結(jié)論。

1）太陽(yáng)倍數(shù)一定時(shí)，電站LCOE隨太陽(yáng)倍數(shù)的增大先下降后上升。

2）太陽(yáng)倍數(shù)為1.8時(shí)，當(dāng)儲(chǔ)熱時(shí)間取6h時(shí)電站的LCOE最低，經(jīng)濟(jì)效益最好。

3）太陽(yáng)倍數(shù)為2.4時(shí)，當(dāng)儲(chǔ)熱時(shí)間取8h時(shí)電站的LCOE最低，經(jīng)濟(jì)效益最好。

4）太陽(yáng)倍數(shù)一定時(shí)，年容量因子隨儲(chǔ)熱時(shí)間的增加而增大，但增長(zhǎng)趨勢(shì)會(huì)逐漸減緩，最終趨于一個(gè)最大值。

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Optimal allocation of thermal storage system capacity of solar power tower plant

Mao Weizhou1Lu Huajun1Shan Baoqi2

(1. Nanjing PANENG Technology Development Co., Ltd, Nanjing 210061;2. College of Energy and Electrica, Hohai University., Nanjing 210098)

Thermal storage system is an important component of solar power tower plant. Its capacity is generally described by thermal storage time. Thermal storage time is the maximum time that the thermal energy stored in the thermal storage system can be used for the operation of the steam turbine generator unit under rated condition. At present, the value of the thermal storage time of solar power tower plants that have been built is relatively arbitrary and its impact on the economic benefits of the power plant is not considered. This paper proposes a method for optimizing the thermal storage time of solar power tower plant considering the comprehensive economic benefits. We take the construction of 50MW solar power tower plant in a certain area of western China as an example. Using actual local geographic and meteorological data to establish the energy conversion efficiency model and economic evaluation model of solar power tower plant. The optimization objective is the minimum leveling cost of electricity. The optimal thermal storage time of the plant is obtained when the solar multiple is 1.8 and 2.4 respectively. And we analyzed the influence of the capacity of the thermal storage system on the economic benefit of the plant at certain solar multiple and the influence of thermal storage system capacity on annual capacity factor of power station.

solar power tower plant; thermal storage system; thermal storage time; leveling cost of electricity

2018-06-06

毛維宙（1990-），男，江蘇省鎮(zhèn)江市丹陽(yáng)人，本科，助理工程師，主要從事繼電保護(hù)及配電設(shè)備營(yíng)銷(xiāo)管理工作。