(湖南理工職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 湘潭 411100)

0 引 言

2015年周孝信院士在關(guān)于“三代電網(wǎng)的發(fā)展歷史和主要特征”報(bào)告中指出：到21世紀(jì)50年代，能源供應(yīng)體系中，清潔能源發(fā)電占比有望超過60%～70%。其中帶儲(chǔ)能CSP聚光發(fā)電技術(shù)以其能量供應(yīng)連續(xù)性、峰谷可調(diào)節(jié)可調(diào)度性、與電網(wǎng)負(fù)荷高度吻合性而將在新能源體系中處于核心地位。國(guó)際能源署2014年預(yù)測(cè)，太陽(yáng)能光伏、光熱發(fā)電在2050年將占全球總發(fā)電量的16%和11%，超越其他新能源而成為最大電力來源[1]。

在傳統(tǒng)石化能源日益枯竭及新能源戰(zhàn)略地位日益凸顯的大背景下，國(guó)內(nèi)光熱發(fā)電也得到了迅猛發(fā)展。在國(guó)家“十三五”規(guī)劃、《電力發(fā)展“十三五”規(guī)劃》等一系列政策文件引導(dǎo)促進(jìn)下，國(guó)內(nèi)自2016年相繼立項(xiàng)了20個(gè)光熱發(fā)電示范項(xiàng)目，總裝機(jī)容量達(dá)到1.35GW。2018年3月，國(guó)家能源局與發(fā)改委《關(guān)于提升電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的指導(dǎo)意見》又明確提出：“十三五”期間，光熱發(fā)電裝機(jī)要達(dá)到500萬(wàn)千瓦。

但由于光熱發(fā)電商業(yè)化應(yīng)用起步晚，工程設(shè)計(jì)過程還存在不少問題，最典型突出的則屬定日鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)，這主要體現(xiàn)在兩方面：一是缺乏相應(yīng)設(shè)計(jì)規(guī)范；二是設(shè)計(jì)計(jì)算過程復(fù)雜。目前電站定日鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)主要依靠專業(yè)設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行，如SENSOL、HFLCAL、RCEll、WINDELSOL、國(guó)內(nèi)長(zhǎng)春光機(jī)所的HFLD等。對(duì)于一般工程設(shè)計(jì)人員，短時(shí)間內(nèi)也難以掌握這些專業(yè)軟件；而實(shí)力稍弱的工程公司，或者技術(shù)實(shí)力雄厚、但跨行業(yè)的工程公司(如冶金、石油化工)，由于沒有技術(shù)儲(chǔ)備，又缺乏這些必備工具。如何在項(xiàng)目可行性研究階段快速估算鏡場(chǎng)面積和造價(jià)，則成為這些企業(yè)實(shí)際工程項(xiàng)目中首要解決的問題之一。文中基于塔式電站“光—熱—電”的能量轉(zhuǎn)換過程，提供了一種快速估算定日鏡采光面積的方法，并與實(shí)際工程案例做了對(duì)比，最后通過工程詢價(jià)的方式，對(duì)鏡場(chǎng)造價(jià)做了初步估算。

1 計(jì)算原理與關(guān)鍵參數(shù)

典型的熔融鹽塔式電站流程如圖1所示。太陽(yáng)能熱發(fā)電實(shí)際就是“光—熱—電”的轉(zhuǎn)換過程。在這一能量形式轉(zhuǎn)換過程中，能量總量維持不變。因而可通過給定的電站容量，按“電—熱—光”的逆向過程，計(jì)算得到鏡場(chǎng)所需的采光面積。為保證發(fā)電機(jī)組按額定功率輸出電能，要求汽輪機(jī)實(shí)際輸入熱功率不小于其額定熱功率，進(jìn)而得到吸熱器、定日鏡場(chǎng)最小輸出熱功率。

圖1 CSP塔式電站原理示意圖

在電站設(shè)計(jì)點(diǎn)時(shí)刻，鏡場(chǎng)收集的總太陽(yáng)輻射能量被吸熱器吸收后，一部分存儲(chǔ)于儲(chǔ)熱系統(tǒng)，一部分直接供應(yīng)給汽輪機(jī)組發(fā)電，基于能量守恒，應(yīng)有：

E=Etur×ηtur

(1)

Erec=Etur+Estor

(2)

(3)

(4)

式中,ηrec為塔式吸熱器熱效率。

根據(jù)圖1及以上公式，計(jì)算鏡場(chǎng)面積時(shí)，在確定的電站發(fā)電功率下，關(guān)鍵只需確定四個(gè)效率值，即：汽輪機(jī)組效率、儲(chǔ)熱系統(tǒng)儲(chǔ)熱效率、吸熱器熱效率、鏡場(chǎng)總光學(xué)效率。

CSP光熱電站一般采用中小型凝汽式發(fā)電機(jī)組，在現(xiàn)有技術(shù)水平下，汽輪機(jī)組總效率ηtur一般在30%左右，不超過40%[2]，更加精確的計(jì)算數(shù)據(jù)則可以向國(guó)內(nèi)大型汽輪機(jī)供應(yīng)商咨詢。對(duì)于熔融鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)，儲(chǔ)熱效率ηstor一般不低于91%，大型系統(tǒng)可達(dá)98%，文獻(xiàn)[3]中統(tǒng)計(jì)得到儲(chǔ)熱系統(tǒng)熱效率高達(dá)98%～99%?？裳须A段可保守按下限值取。

定日鏡場(chǎng)效率ηfield主要由鏡面損失、余弦效應(yīng)損失、陰影和阻擋損失、大氣衰減損失以及溢出損失(即截?cái)鄵p失)幾個(gè)因素決定[4-5]，其中主要損失是余弦損失。

實(shí)際上，鏡場(chǎng)效率隨太陽(yáng)位置、日期及電站容量變化而動(dòng)態(tài)變化。在相同條件下，定日鏡效率隨電站容量增大而降低，鏡場(chǎng)越大，定日鏡離中央吸熱塔越遠(yuǎn)，光學(xué)損失越大[6]。在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，應(yīng)借助專業(yè)軟件進(jìn)行分析。文中為簡(jiǎn)化估算過程，僅以文獻(xiàn)[5-7]中統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為依據(jù)，具體見表1。

表1典型塔式電站鏡場(chǎng)、吸熱器年均效率

項(xiàng) 目大漢1MW電站PS10 11MWSolar Two 10MW鏡場(chǎng)年均效率/%68.764.050.3吸熱器年均效率/%8576

注：1.文獻(xiàn)[6]中，張耀明統(tǒng)計(jì)塔式吸熱器集熱效率為73%。

2.文獻(xiàn)[7]中，通過HFLD軟件驗(yàn)證分析得到PS10鏡場(chǎng)效率為64.07；在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)北京10 MW塔式電站鏡場(chǎng)年均效率為64.15%；

由表1，鏡場(chǎng)年均效率可按50%～68.7%進(jìn)行估算，可研按不低于60%，大型電站取小值處理。

吸熱器的效率主要由吸熱器本身反射、對(duì)流、輻射、導(dǎo)熱決定。根據(jù)王志峰、張耀明等統(tǒng)計(jì)研究，吸熱器年均效率ηrec一般在73%～85%，具體見表1。一般工程估算過程中，對(duì)于腔式吸熱器可取大值，管式吸熱器取小值。

2 計(jì)算實(shí)例及結(jié)果對(duì)比

以50 MW熔融鹽塔式電站為例，電站基本設(shè)計(jì)條件、鏡場(chǎng)面積及造價(jià)估算見表2。

表2電站基本設(shè)計(jì)條件、鏡場(chǎng)面積及造價(jià)估算

項(xiàng) 目數(shù)值單位1.電站基本設(shè)計(jì)條件電站容量E50MW電站設(shè)計(jì)點(diǎn)春分正午設(shè)計(jì)點(diǎn)DNI900(1)W/m2儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)h6小時(shí)設(shè)計(jì)充熱時(shí)長(zhǎng)h18(2)小時(shí)2.鏡場(chǎng)面積計(jì)算汽輪機(jī)組總效率ηtur38.4(3)%儲(chǔ)熱系統(tǒng)效率ηstor91%定日鏡場(chǎng)年均效率ηfield62%吸熱器年均效率ηrec78%汽輪機(jī)額定輸入熱功率Etur=E/ηtur130.2MW儲(chǔ)能系統(tǒng)每天所需儲(chǔ)存的熱量Etotal=h×Etur/ηstor858.5MW·h儲(chǔ)能系統(tǒng)充熱功率Estor=Etotal/h1107.3MW設(shè)計(jì)點(diǎn)吸熱器需要輸出的熱功率Erec=Etur+Estor237.5MW所需定日鏡場(chǎng)總面積A=Erec/(ηfield·ηrec·DNI)545728.5(4)m23.造價(jià)估算鏡場(chǎng)單價(jià)m800(5)元/ m2鏡場(chǎng)總造價(jià)F=m·A43658.3萬(wàn)元

注：(1)DNI為參照德令哈50 MW塔式電站取值；

(2)鏡場(chǎng)從上午8點(diǎn)至下午16點(diǎn)，鏡場(chǎng)反射的太陽(yáng)能經(jīng)吸熱器后一部分能量開始流向儲(chǔ)熱系統(tǒng)進(jìn)行儲(chǔ)存；

(3)汽輪機(jī)組效率為參照德令哈50 MW塔式電站取值；

(3)該估算面積為鏡場(chǎng)所需最小面積，實(shí)際工程還應(yīng)按單塊定日鏡面積進(jìn)行圓整；

(4)該價(jià)格為洛陽(yáng)一家傳動(dòng)設(shè)備廠與西班牙STS在國(guó)內(nèi)合資公司報(bào)價(jià)，包含鏡面、支撐結(jié)構(gòu)、傳動(dòng)及控制系統(tǒng)，不含施工費(fèi)用。

按表2所述方法，保持汽輪機(jī)組效率、充熱時(shí)間不變，取鏡場(chǎng)、吸熱器、儲(chǔ)熱系統(tǒng)效率極值分別為60%～68%、70%～85%、91%～98%，計(jì)算得到最大鏡場(chǎng)面積為628 367.4 m2；最小鏡場(chǎng)面積為441 863.8 m2；按其效率中值計(jì)算得到面積為523 181.6 m2。

青海中控德令哈50MW塔式電站概況見表3。

表3德令哈50MW電站

項(xiàng) 目數(shù) 值單 位設(shè)計(jì)點(diǎn)春分日正午年均DNI2058(實(shí)測(cè))KWh/ m2.a設(shè)計(jì)點(diǎn)處DNI～900W/ m2汽輪機(jī)組總效率38.4%儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)6小時(shí)鏡場(chǎng)鏡面面積488000m2

以德令哈50 MW電站鏡場(chǎng)鏡面面積為比較基準(zhǔn)，與按表2得到的最大、最小面積相比，其偏差范圍為-9.4%～+28.7%；與按中值計(jì)算的面積相比，得到偏差為+7.2%。

3 結(jié)束語(yǔ)

(1)基于能量守恒原理，按“電—熱—光”的逆向工藝流程，給出了簡(jiǎn)化的定日鏡場(chǎng)面積計(jì)算方法，并以50 MW電站為例，給出了計(jì)算過程。

(2)取鏡場(chǎng)、吸熱器、儲(chǔ)熱系統(tǒng)效率極值分別為60%～68%、70%～85%、91%～98%，按表2計(jì)算得到50 MW電站最大鏡場(chǎng)面積為628 367.4 m2，最小鏡場(chǎng)面積為441 863.8 m2，按其效率中值計(jì)算得到面積為523 181.6 m2。以青海中控德令哈50 MW塔式電站鏡場(chǎng)面積488 000 m2為比較基準(zhǔn)，與按表2得到的最大、最小面積相比，其偏差范圍為-9.4%～+28.7%，與按各效率中值計(jì)算的面積相比，得到偏差為+7.2%。

(3)通過工程詢價(jià)的方式，給出了國(guó)內(nèi)定日鏡出廠價(jià)為800元/m2，以此對(duì)鏡場(chǎng)造價(jià)做了估算。