浙江中控太陽能技術(shù)有限公司 ■ 李建華 易富興 張旭中 李曉波 李其衡 宓霄凌 胡中

0 引言

近十年來，太陽能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展步伐迅速，在全球范圍內(nèi)已經(jīng)掀起了投資和建設(shè)熱潮。而塔式太陽能熱發(fā)電技術(shù)作為理想的大規(guī)模發(fā)電方式，其應(yīng)用前景十分廣闊[1]。在太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中，鏡場布置設(shè)計、擬選站址光資源情況、儲熱系統(tǒng)參數(shù)配置及經(jīng)濟環(huán)境參數(shù)均會影響系統(tǒng)的運行結(jié)果和經(jīng)濟效益，因此，利用計算機仿真系統(tǒng)對太陽能熱發(fā)電項目進行方案設(shè)計與經(jīng)濟性評估，能夠有效地提高設(shè)計質(zhì)量和效率，對項目的前期開發(fā)具有重要意義[2]。

隨著太陽能熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計軟件在大型并網(wǎng)太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計中的應(yīng)用越來越多。太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計軟件在一些發(fā)達國家開發(fā)的較早，如System Advisor Model軟件(下文簡稱“SAM軟件”)，是由美國Sandia實驗室、NREL和美國能源部聯(lián)合開發(fā)的，針對幾種可再生能源發(fā)電技術(shù)的特性成本進行測算的國際權(quán)威軟件，其通過導(dǎo)入所需測算地點的天氣參數(shù)、系統(tǒng)類型、系統(tǒng)規(guī)模、系統(tǒng)盈利模式及系統(tǒng)投資，即可得到整個發(fā)電系統(tǒng)的均化發(fā)電成本，對各類可再生能源形式的技術(shù)經(jīng)濟性評估起到了非常重要的作用。然而該軟件的內(nèi)置性能與經(jīng)濟模型是基于國外本土特性進行搭建的，與我國實際情況有一定程度的差別，導(dǎo)致其在我國應(yīng)用時的仿真結(jié)果不夠準(zhǔn)確。當(dāng)前缺乏符合我國國情的塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計軟件，亟需開發(fā)針對該發(fā)電系統(tǒng)進行全面設(shè)計與分析的工具。

基于此，本文以太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)相關(guān)理論知識和實踐經(jīng)驗為基礎(chǔ)，開發(fā)了基于Windows平臺的塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計軟件Solar Project Designer 1000(下文簡稱“SPD1000軟件”)，用于提供完整的系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化方案和數(shù)據(jù)分析。軟件使用Visual Studio 2010開發(fā)環(huán)境，采用C++/Fortran語言開發(fā)，系統(tǒng)運行于Windows平臺。通過與SAM軟件的仿真結(jié)果進行對比分析，驗證了SPD1000軟件的可靠性。

1 塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)建模

塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)主要由鏡場、吸熱系統(tǒng)、儲熱系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)及汽輪機發(fā)電系統(tǒng)組成，具體設(shè)備如圖1所示。太陽光通過鏡場中成千上萬的定日鏡被反射至位于中央高塔上的吸熱器，加熱吸熱器內(nèi)流通著的熔鹽等吸熱工質(zhì)，被加熱后的高溫熔鹽儲存于儲熱系統(tǒng)的高溫熔鹽罐中，在需要用電時抽取高溫熔鹽罐中的高溫熔鹽與水進行換熱，產(chǎn)生高溫高壓的過熱蒸汽驅(qū)動汽輪機發(fā)電，冷卻下來的熔鹽回到儲熱系統(tǒng)的低溫熔鹽罐中。

圖1 塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)示意圖

為了模擬實際的塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，SPD1000軟件分別搭建了鏡場設(shè)計、吸熱系統(tǒng)設(shè)計、儲熱系統(tǒng)設(shè)計、換熱系統(tǒng)設(shè)計4個主要模型，并支持用戶自定義汽輪機發(fā)電系統(tǒng)選型。

1.1 鏡場設(shè)計模型

SPD1000軟件的鏡場布置方法主要有麥田型布置和圓形交錯布置2種，如圖2、圖3所示。2種布置方法的主要特點為：由于遮擋損失較大，麥田型布置適合于小規(guī)模、方形地塊的電站；圓形交錯布置適合于大規(guī)模、圓形或方形地塊的電站。用戶可根據(jù)地形及實際需要選擇合適的布置方法。

圖2 麥田型布置鏡場

圖3 圓形交錯布置鏡場

根據(jù)用戶輸入的項目站址的地理參數(shù)、氣象參數(shù)、光資源、定日鏡規(guī)格參數(shù)等信息，分析設(shè)計點的定日鏡光學(xué)損失，計算初始鏡場中每面定日鏡的可投射能量，在滿足吸熱器額定熱功率Pr,des及吸熱器能流密度的要求下，以鏡場光學(xué)效率最優(yōu)為目標(biāo)，通過對比不同預(yù)選范圍內(nèi)的鏡場光學(xué)效率，從而設(shè)計出最優(yōu)的鏡場方案。

吸熱器額定熱功率Pr,des可表示為：

式中，Af為預(yù)選定日鏡的總反射面積，m2；ηf,des為預(yù)選定日鏡的平均光學(xué)效率，包括大氣透射率(1-太陽傳輸損失)、陰影遮擋效率、余弦效率、吸熱器截斷效率(采用蒙特卡羅光線追跡法計算得到)、鏡面清潔度、鏡面反射率；ηr,des為吸熱器額定效率；IDNI,des為設(shè)計點的DNI值，W/m2。

另外，SPD1000軟件還可支持任意不規(guī)則地形的鏡場設(shè)計。不規(guī)則地形的鏡場設(shè)計是以“定日鏡布滿用地范圍”為原則(若需要留出其他用處，則需要事先處理)，找到合適的吸熱塔位置，以滿足吸熱器能流密度的要求。

在得到滿足吸熱器額定熱功率要求的最優(yōu)鏡場后，根據(jù)全年每個時刻點的DNI值IDNI和鏡場光學(xué)效率ηf，可計算得到鏡場投射到吸熱器上的能量值Pf，即：

1.2 吸熱系統(tǒng)設(shè)計模型

在塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中，吸熱系統(tǒng)模型主要是對吸熱塔頂端的吸熱器進行建模。通過輸入環(huán)境參數(shù)、吸熱器涂層及熔鹽特性參數(shù)，吸熱系統(tǒng)模型可實現(xiàn)吸熱器幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)計，包括吸熱器直徑、吸熱器高度及吸熱器面板個數(shù)等。在全年仿真過程中，通過計算吸熱器各個時刻的散熱損失Pr,loss，可得到吸熱器對應(yīng)的實際輸出熱功率Pr，即介質(zhì)吸收的熱量。

Pr的計算公式為：

式中，Pr,loss為吸熱器散熱損失，包括對流換熱損失Pr,對流loss和輻射損失Pr,輻射loss。

Pr,loss的計算公式為：

式中，h為對流換熱系數(shù)；Ar,i為吸熱器面積微元；tr,i為吸熱器面積微元的壁面溫度；te為環(huán)境溫度；0.95為發(fā)射率；5.67×e-8為玻爾茲曼常數(shù)。

吸熱器效率ηr的公式為：

1.3 儲熱系統(tǒng)設(shè)計模型

儲熱系統(tǒng)模型可根據(jù)輸入的裝機容量Pt、儲熱時間Ttes、汽輪機額定效率ηt、高低溫熔鹽的焓差ΔH、儲熱系統(tǒng)的效率ηsc，實現(xiàn)對系統(tǒng)儲熱總量Etes、所需熔鹽量Msalt的估算。

系統(tǒng)儲熱總量Etes的公式為：

所需熔鹽量Msalt的公式為：

綜合考慮電站站址所處位置的地震等環(huán)境情況與相關(guān)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，完成儲罐本體設(shè)計、設(shè)備重量計算及儲罐基礎(chǔ)設(shè)計。

1.4 換熱系統(tǒng)設(shè)計模型

換熱系統(tǒng)模型主要包括物料能量衡算、預(yù)熱器設(shè)計、蒸發(fā)器設(shè)計、過熱器設(shè)計和再熱器設(shè)計等。

具體模型為：過熱器和再熱器采用并聯(lián)方式，高溫熔鹽一部分通往過熱器，另一部分通往再熱器；然后從過熱器和再熱器出來的熔鹽匯合，通往蒸發(fā)器；蒸發(fā)器熔鹽出口連接預(yù)熱器，預(yù)熱器熔鹽出口連接低溫熔鹽罐；水經(jīng)過預(yù)熱器通往蒸發(fā)器，蒸發(fā)器蒸汽出口連接過熱器蒸汽入口，過熱器蒸汽出口連接汽輪機主蒸汽入口；再熱器用于汽輪機高壓缸排汽再熱，以提高系統(tǒng)效率。

1.5 用戶自定義汽輪機發(fā)電系統(tǒng)

用戶可根據(jù)需要，從軟件中選取已配置好的汽輪機參數(shù)，或用戶自定義汽輪機參數(shù)。汽輪機參數(shù)包括主蒸汽溫度、壓力、流量，再熱蒸汽溫度、壓力、流量，排氣背壓，抽汽級數(shù)及抽汽參數(shù)，汽輪機額定效率等。汽輪機發(fā)電系統(tǒng)模型用于模擬熱能轉(zhuǎn)化為電能的過程，實現(xiàn)總發(fā)電功率的計算。

2 總體框架與功能設(shè)計

SPD1000軟件采用C++語言，在Visual Studio 2010環(huán)境下進行開發(fā)，主要用于實現(xiàn)塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化、技術(shù)性能指標(biāo)仿真及經(jīng)濟性能分析等功能。

2.1 總體框架設(shè)計

本軟件主體流程包括相關(guān)設(shè)計參數(shù)的設(shè)定(包括裝機容量、吸熱系統(tǒng)參數(shù)、設(shè)計點參數(shù)、鏡場設(shè)計參數(shù)、儲熱系統(tǒng)參數(shù)、廠用電參數(shù)、經(jīng)濟性參數(shù)和成本參數(shù))、汽輪機設(shè)計仿真、換熱系統(tǒng)設(shè)計仿真、吸熱系統(tǒng)設(shè)計仿真、環(huán)境設(shè)計仿真、儲熱系統(tǒng)設(shè)計仿真、發(fā)電量計算(包括廠用電的計算)、經(jīng)濟性分析等模塊，最終輸出的報告有方案設(shè)計報告(包括鏡場方案、吸熱系統(tǒng)方案、換熱系統(tǒng)方案、儲熱系統(tǒng)方案)、發(fā)電量數(shù)據(jù)(包括相關(guān)曲線)、電站經(jīng)濟性分析報告。SPD1000軟件主要的實現(xiàn)流程和數(shù)據(jù)傳遞如圖4所示。

SPD1000軟件可實現(xiàn)塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的總體系統(tǒng)設(shè)計和子系統(tǒng)獨立設(shè)計。在總體系統(tǒng)設(shè)計中，子系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)相互傳遞，能夠保證子系統(tǒng)參數(shù)的匹配，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的整體設(shè)計與優(yōu)化。

圖4 SPD1000軟件系統(tǒng)設(shè)計流程圖

2.2 功能設(shè)計

結(jié)合實際項目情況，為了滿足各類終端用戶的需求，軟件有5類主要項目模式：總體方案設(shè)計、太陽島設(shè)計、熱力島設(shè)計、光資源分析及經(jīng)濟性分析。各項目模式的結(jié)構(gòu)功能如圖5所示。

圖5 SPD1000軟件中的5類主要項目模式及其功能

由圖5可以看出，軟件中的5類主要項目模式的功能可以概括為2大類：方案設(shè)計和數(shù)據(jù)分析。

1)方案設(shè)計不僅支持用戶直接輸入完整設(shè)計參數(shù)進行電站系統(tǒng)或子系統(tǒng)的仿真分析，而且提供塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)各子系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化，例如鏡場布置參數(shù)、吸熱塔高度、儲熱時間、太陽倍數(shù)等。

2)數(shù)據(jù)分析涵蓋了光資源、發(fā)電量及系統(tǒng)整體經(jīng)濟性等各類數(shù)據(jù)計算與分析，為使用戶可以方便直觀地了解分析結(jié)果，軟件提供了數(shù)值、圖表、報告等多種方式。

2.3 軟件深化功能

2.3.1 基于工程需求的鏡場設(shè)計功能

同類鏡場設(shè)計軟件所設(shè)計鏡場的外圍輪廓一般都是具有一定規(guī)則的外形，如圓形、橢圓形、扇形、方形；區(qū)別于其他同類鏡場設(shè)計軟件，SPD1000軟件可根據(jù)實際工程的需要，在項目用地不規(guī)則、范圍有限且坡度較大時對鏡場進行設(shè)計。為了保證所設(shè)計鏡場可以滿足實際工程的應(yīng)用條件，SPD1000軟件可根據(jù)場地坡度、場地邊界及用戶需求，合理布置鏡場內(nèi)各類通道需求、熱力島區(qū)域等；在用地受限的情況下，用戶能夠根據(jù)項目需求選擇最優(yōu)鏡場效率或最大集熱量2種方式進行不規(guī)則地形的定日鏡場設(shè)計。

2.3.2 更適應(yīng)我國經(jīng)濟環(huán)境的分析功能

軟件仿真的準(zhǔn)確性主要取決于發(fā)電量計算和經(jīng)濟性分析。SPD1000軟件除了提供針對塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)專業(yè)詳細的設(shè)計功能外，還可以根據(jù)我國不同地區(qū)的經(jīng)濟環(huán)境設(shè)計對應(yīng)的分析模型，用戶可以通過項目總投資、內(nèi)部收益率、建設(shè)周期、標(biāo)準(zhǔn)電價，以及當(dāng)?shù)卣a貼、稅收政策等參數(shù)進行配置。

根據(jù)用戶設(shè)定的經(jīng)濟性參數(shù)，SPD1000軟件對仿真結(jié)果進行分析和整理，生成適合我國經(jīng)濟環(huán)境的報表，供用戶直接查看相關(guān)數(shù)據(jù)或者導(dǎo)出使用。圖6為SPD1000軟件生成的軟件財務(wù)指標(biāo)匯總表的顯示界面。

2.3.3 完善的項目管理功能

SPD1000軟件提供統(tǒng)一的項目管理功能，可以根據(jù)用戶需求對項目進行描述，便于快捷搜索和查看項目的基本信息。項目管理支持5類項目的新建、重命名和刪除等功能。

圖6 SPD1000軟件生成的軟件財務(wù)指標(biāo)匯總表的顯示界面

2.3.4 軟件適用性

目前已有的電站系統(tǒng)仿真軟件存在搭建系統(tǒng)過程繁瑣復(fù)雜、電站關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)不明確，以及仿真結(jié)果顯示不直觀等問題，在一定程度上限制了軟件使用的終端用戶。而SPD1000軟件能夠從技術(shù)和經(jīng)濟角度，為能源顧問、專業(yè)技術(shù)人員、電站投資方等各類終端用戶提供不同的評估分析結(jié)果，并且人機交互界面友好。

1)能源顧問：在項目初期研究階段，SPD1000軟件可提供項目總體設(shè)計、光資源分析、電站經(jīng)濟性分析，為項目前期技術(shù)經(jīng)濟的可行性作較完整的評估。

2)專業(yè)技術(shù)人員：SPD1000軟件可為其提供太陽島設(shè)計、熱力島設(shè)計、光資源分析、電站經(jīng)濟性分析等子系統(tǒng)功能的單獨設(shè)計和優(yōu)化，可實現(xiàn)吸熱塔高度、定日鏡布置、吸熱器尺寸、儲熱時間、太陽倍數(shù)等參數(shù)的詳細優(yōu)化設(shè)計。

3)電站投資方：SPD1000軟件可為其提供詳細的發(fā)電量分析報告、發(fā)電量曲線、儲熱容量曲線，以及電站經(jīng)濟性分析報告等作為投資參考依據(jù)。

3 實例分析

3.1 鏡場仿真設(shè)計實例

利用SPD1000軟件對建立在青海省德令哈地區(qū)的塔式太陽能熔鹽熱發(fā)電系統(tǒng)進行設(shè)計與發(fā)電量的仿真計算。該塔式太陽能熔鹽熱發(fā)電系統(tǒng)的裝機容量為50 MW，主要配置參數(shù)如表1所示。

表1 主要仿真參數(shù)配置

綜合考慮定日鏡鏡場光學(xué)效率、吸熱器能流密度分布要求，SPD1000軟件設(shè)計輸出的定日鏡鏡場布置如圖7所示。

圖7 SPD1000軟件設(shè)計的鏡場布局圖

而SAM軟件在鏡場設(shè)計中，僅以全年定日鏡可投射能量為標(biāo)準(zhǔn)進行定日鏡選擇。而在實際項目中，還需要考慮吸熱器能流密度的要求，即南北的能量有一定的比例要求，以避免一側(cè)吸熱器的能量過多，而另一側(cè)過少，如圖8所示[4]。

對比圖7和圖8可以看出，SPD1000軟件的鏡場設(shè)計方案既考慮了吸熱器的能流密度要求，又保證了最優(yōu)化的鏡場布置，從而可獲得更高的鏡場光學(xué)效率。因此，SPD1000軟件更符合實際項目的應(yīng)用需求。

圖8 SAM軟件設(shè)計的鏡場布局圖

3.2 SPD1000軟件與SAM軟件的系統(tǒng)性能參數(shù)對比

為了保證SPD1000軟件和SAM軟件的鏡場光學(xué)效率和發(fā)電量仿真結(jié)果對比的準(zhǔn)確性，本小節(jié)采用圖7中SPD1000軟件設(shè)計的鏡場進行仿真。

SAM軟件基于國外某電站的運行數(shù)據(jù)，驗證了其在塔式熔鹽太陽能熱發(fā)電站仿真方面的可靠性[3]。通過對比SPD1000軟件與SAM軟件的仿真結(jié)果，能夠驗證SPD1000軟件在塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)仿真結(jié)果的準(zhǔn)確可靠性。由于2款軟件經(jīng)濟性模型是分別基于2個國家的經(jīng)濟環(huán)境情況建立的，存在明顯的差異，因此，本節(jié)僅對發(fā)電系統(tǒng)的技術(shù)性能參數(shù)進行對比，主要包括系統(tǒng)各個階段的能量仿真數(shù)據(jù)。

SPD1000軟件和SAM軟件按照圖7所示鏡場仿真出的系統(tǒng)效率及各階段能量數(shù)據(jù)，具體如表2所示。其中，鏡場光學(xué)效率包括定日鏡清潔度、鏡面反射率、余弦效率、大氣透過率、陰影遮擋效率。由于SAM軟件的定日鏡對準(zhǔn)點簡單地為吸熱器面板的中心位置，而SPD1000軟件是根據(jù)吸熱器表面最大能流密度上限設(shè)計優(yōu)化定日鏡反射光斑目標(biāo)點，在截斷效率計算方面存在較大差異，因此，表2中鏡場光學(xué)效率暫不考慮吸熱器截斷效率分項。

圖9為SPD1000軟件和SAM軟件的逐月發(fā)電量仿真結(jié)果，以及對應(yīng)的月DNI總量變化曲線。

表2 2款軟件各階段能量數(shù)據(jù)對比

圖9 2款軟件月發(fā)電量情況

由表2和圖9的仿真數(shù)據(jù)可以看出：

1)SPD1000軟件計算的鏡場光學(xué)效率、年均光熱效率及年均熱電效率與SAM軟件結(jié)果基本一致，相對誤差在0.5%以內(nèi)。

2)2款軟件計算出的鏡場年可投射能量差別較大，這主要是由于SPD1000軟件和SAM軟件計算的吸熱器截斷效率分別考慮在鏡場年可投射能量和熔鹽吸熱器年吸收總能量中，從而導(dǎo)致鏡場年可投射能量差別明顯。

3)2款軟件計算出的月發(fā)電量變化趨勢基本一致，數(shù)值上存在一定差別是由于2款軟件中設(shè)定的運營策略不同及鏡場光學(xué)效率計算差異，導(dǎo)致日發(fā)電量上有所偏差，從而導(dǎo)致月發(fā)電量存在少量偏差。比如5月和8月，SPD1000軟件計算的發(fā)電量偏多一點；1月、2月、4月、7月、10月、11月和12月，SPD1000軟件計算的又偏少一點；3月、6月和9月，2個軟件計算的發(fā)電量又基本相同。

通過上述2款軟件的仿真結(jié)果可以看出，2款軟件在塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)性能仿真方面的可靠性和準(zhǔn)確度基本一致。

3.3 SPD1000軟件應(yīng)用特點

SPD1000軟件不僅保證了仿真的準(zhǔn)確可靠，相對于目前已有的仿真軟件，其更加注重滿足實際工程應(yīng)用中的需求：

1)SPD1000軟件可結(jié)合實際工程經(jīng)驗，設(shè)計出滿足不同工程應(yīng)用環(huán)境的鏡場。例如在場地邊界不規(guī)則時設(shè)計的鏡場，如圖10所示。

圖10 SPD1000軟件設(shè)計的不規(guī)則鏡場布局圖

2)SPD1000軟件能夠在保證電站各子系統(tǒng)相互匹配的條件下，實現(xiàn)關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化。例如，軟件可根據(jù)用戶輸入的太陽倍數(shù)進行儲熱時間參數(shù)的優(yōu)化。

3)SPD1000軟件既能夠滿足專業(yè)技術(shù)人員自行配置系統(tǒng)參數(shù)的需求，也能夠保證非專業(yè)技術(shù)人員利用系統(tǒng)優(yōu)化功能完成相關(guān)配置。

4 結(jié)論

本文通過對浙江中控太陽能技術(shù)有限公司開發(fā)的SPD1000軟件進行結(jié)構(gòu)與功能的介紹，可以看出該軟件能夠?qū)崿F(xiàn)塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的總體設(shè)計、分項子系統(tǒng)設(shè)計、數(shù)據(jù)分析等功能；其與SAM軟件的對比驗證表明了其技術(shù)性能及在仿真結(jié)果方面的準(zhǔn)確可靠性。SPD1000軟件提供的人機交互界面、直觀高效的報表及基于我國經(jīng)濟環(huán)境建立的經(jīng)濟性分析模型，保障了終端用戶(尤其是計劃在我國投資項目的用戶)使用的靈活性、便捷性和可靠性。