姚利森

上海聯(lián)和日環(huán)能源科技有限公司

0 概述

塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電，又稱(chēng)集中型太陽(yáng)能熱發(fā)電，是在大面積的場(chǎng)地上安裝多臺(tái)定日鏡，每臺(tái)配有獨(dú)立的跟蹤機(jī)構(gòu)，準(zhǔn)確地將太陽(yáng)光反射集中到一個(gè)高塔頂部的接收器上（接收器的聚光倍率可超過(guò)1 000倍），將吸收的太陽(yáng)光能轉(zhuǎn)換成熱能，再將熱能傳導(dǎo)給工質(zhì)，經(jīng)過(guò)儲(chǔ)熱環(huán)節(jié)，再轉(zhuǎn)換成蒸汽后推動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電[1]。系統(tǒng)主要由聚光子系統(tǒng)、集熱子系統(tǒng)、儲(chǔ)熱子系統(tǒng)和發(fā)電子系統(tǒng)組成。由于儲(chǔ)能裝置的加入，發(fā)電部分可以不受日照瞬息性的變化而連續(xù)穩(wěn)定發(fā)電。

發(fā)電量是電站工程的重要指標(biāo)，也是經(jīng)濟(jì)性評(píng)估的基礎(chǔ)。如何科學(xué)評(píng)估塔式光熱電站發(fā)電量具有重要的指導(dǎo)意義。本文以西部某塔式光熱電站工程的工程數(shù)據(jù)作為示例。

1 估算原則

王志峰等[2]已對(duì)發(fā)電量估算進(jìn)行了研究，但對(duì)各部分的效率未作詳細(xì)的分解。本文參考《塔式太陽(yáng)能光熱發(fā)電站設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》[3]，首先對(duì)收集到的太陽(yáng)輻射原始資料進(jìn)行分析，并確定典型代表年，將典型代表年的太陽(yáng)直接輻射數(shù)據(jù)作為電站發(fā)電量估算的基礎(chǔ)，評(píng)估太陽(yáng)輻射到電能的轉(zhuǎn)換過(guò)程中的每一部分的轉(zhuǎn)換效率，最終計(jì)算出全年發(fā)電量和全廠光電轉(zhuǎn)換效率。

2 太陽(yáng)能資源分析

某塔式光熱電站地處青藏高原腹地，海拔高度2 800m左右。當(dāng)?shù)亟涤晗∩佟夂蚋稍?，日照時(shí)間長(zhǎng)、太陽(yáng)輻射強(qiáng)、晝夜溫差大，冬季寒冷而漫長(zhǎng)，夏季涼爽而短暫。年均日照時(shí)數(shù)為3 095h，年太陽(yáng)總輻射量在6 521 MJ/㎡～7 204MJ/㎡之間，年平均氣溫為5.3℃，年平均降雨量42.1mm，年平均蒸發(fā)量2 504.0mm，無(wú)霜期平均為219天。

2.1 日照時(shí)數(shù)

2.1.1 日照時(shí)數(shù)的年變化

圖1為日照時(shí)數(shù)和日照百分率的年變化曲線(xiàn)，其中每個(gè)月的數(shù)據(jù)為1982年～2011年30年平均值。日照時(shí)數(shù)呈單峰態(tài)，2月～5月逐步增加，5月達(dá)到全年最大值290.2h，之后因降雨等因素呈現(xiàn)小幅波動(dòng)，但基本維持在260h～280h之間，10月之后逐漸降低。2月份為209.3h，為全年最低值，因該月天數(shù)較少。日照時(shí)數(shù)最多的3個(gè)月是5月、7月和8月，平均值為282.3h。日照時(shí)數(shù)最少的三個(gè)月是12月、1月和2月，平均值為215.4h，相當(dāng)于最多3個(gè)月的76%。最近30年（1982-2011年）的年均日照時(shí)數(shù)為3 055.5h。

圖1 日照時(shí)數(shù)和日照百分率的年變化

2.1.2 日照時(shí)數(shù)的年際變化

圖2為日照時(shí)數(shù)總輻射的1982年～2011年共30年的年際變化曲線(xiàn)。由圖2可以看出，2002年～2003年出現(xiàn)低谷，其它年份的日照時(shí)數(shù)較為穩(wěn)定。日照時(shí)數(shù)最大值出現(xiàn)在1985年，為3 323.9h。最小值出現(xiàn)在2003年，為2 554.1h。30年平均值為3 055.5h。

圖2 日照時(shí)數(shù)的年際變化

2.2 總輻射

2.2.1 總輻射的年變化

圖3為總輻射的年變化曲線(xiàn)，可以看出，總輻射月總量的變化主要受太陽(yáng)高度角和日照時(shí)長(zhǎng)的影響。夏季太陽(yáng)高度較高、日照時(shí)間長(zhǎng)，總輻射量大，冬季太陽(yáng)高度較低、日照時(shí)間短，總輻射量少?？傒椛湓驴偭孔钌俚?個(gè)月的平均值為356.5MJ/㎡，相當(dāng)于最多的3個(gè)月平均值761.7MJ/㎡的47%。

圖3 總輻射的年變化

2.2.2 總輻射的年際變化

圖4為1982年～2011年共30年總輻射的年際變化曲線(xiàn)。由圖4可見(jiàn)，20世紀(jì)80年代初期出現(xiàn)低谷，可能是受規(guī)模較大的墨西哥爾厄奇沖火山爆發(fā)的影響?？傒椛淠昕偭孔畲笾党霈F(xiàn)在1990年，為7 204.75MJ/m2。最小值出現(xiàn)在1983年，為6 499.81MJ/m2。從圖4中可以看出，總輻射年總量無(wú)突變、無(wú)較大波動(dòng)、無(wú)周期性變動(dòng)，不存在明顯增加或降低的趨勢(shì)。30年平均值為6 911.04MJ/㎡（即5.26kWh/㎡/d）。

圖4 總輻射的年際變化

2.3 法向直接輻射

2.3.1 法向直接輻射[4]資料的選取

圖5為1982年～2011年共30年法向直接輻射的年際變化圖。從圖中可見(jiàn)，法向直接輻射年總量在1982年～1991年及1992年～2011年保持穩(wěn)定，在1992年有明顯的突變。該氣象站在1992年更換測(cè)輻射儀器。更換后所采用DFY3型直接輻射表，可靠性高。本可研采用更換儀表后的1993年～2011年共19年的法向直接輻射資料進(jìn)行太陽(yáng)能資源分析。

圖5 法向直接輻射年際變化圖(紅色箭頭為更換儀器的年份)

2.3.2 法向直接輻射的年際變化

圖5為法向直接輻射的1993年～2011年共19年的年際變化曲線(xiàn)。表1為19年的各月總量及年總量值。法向直接輻射年總量最大值出現(xiàn)在1997年，為7 495.12MJ/㎡。最小值出現(xiàn)在1998年，為6 258.07MJ/㎡。從圖中可見(jiàn)，法向直接輻射年總量無(wú)突變，無(wú)較大波動(dòng)，無(wú)周期性變動(dòng)，不存在明顯增加或降低的趨勢(shì)。19年平均值為6 786.78MJ/㎡（即5.16kWh/㎡/d）。

2.3.3 典型代表年

1993年～2011年共19年的法向直接輻射量平均值為6 786.78MJ/㎡（即5.16kWh/㎡/d），且無(wú)明顯上升或下降趨勢(shì)。2007年～2011年的法向直接輻射量平均值為 6 751.54MJ/㎡（即 5.14kWh/㎡/d）。2009 年法向直接輻射量為 6 715.44MJ/㎡（即5.11kWh/㎡/d），與19年平均值較接近，與近5年平均值最接近，并且2009年可用于分析的氣象數(shù)據(jù)較為豐富，有利于電站的設(shè)計(jì)和模擬。

該項(xiàng)目確定2009年為典型代表年，作為電站設(shè)計(jì)和發(fā)電量計(jì)算的依據(jù),總輻射和法向直接輻射的月總量見(jiàn)表1。

表1 2009年總輻射和法向直接輻射月總量表（單位：MJ/㎡）

利用2002年～2011年共10年的法向直接輻射數(shù)據(jù)分析出典型氣象年，見(jiàn)表2。本典型氣象年僅考慮了法向直接輻射的分布特性。典型氣象年用以系統(tǒng)校核計(jì)算。

表2 典型氣象年表

3 分系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率

光電轉(zhuǎn)換過(guò)程以光能在轉(zhuǎn)換過(guò)程中的形式分為太陽(yáng)島系統(tǒng)、發(fā)電系統(tǒng)和全廠利用率三大部分，光電轉(zhuǎn)化效率是這三部分轉(zhuǎn)換率之乘積。[5]在塔式光熱電站方案中，熔鹽系統(tǒng)由于其更好的儲(chǔ)熱性能正受到業(yè)界關(guān)注，本項(xiàng)目采用熔鹽[6]系統(tǒng)方案。

太陽(yáng)島系統(tǒng)分為聚光場(chǎng)部分、接收器部分、熔鹽循環(huán)部分和其它有關(guān)部份，每個(gè)部份均包含了轉(zhuǎn)換過(guò)程中對(duì)發(fā)電量有影響的所有因素。

3.1 太陽(yáng)島系統(tǒng)

3.1.1 聚光場(chǎng)部分

1）鏡面反射比

鏡面反射比是鏡面的最重要的性能指標(biāo)，也是定日鏡的主要指標(biāo)之一。

國(guó)際上用于太陽(yáng)能熱發(fā)電的鏡面一般采用白玻璃或超白玻璃，較大的定日鏡本身也帶有微弧度[7]，鏡面反射比一般高，可達(dá)93.5%～94%。

本文中鏡面反射比取93%。

2）鏡面清潔度

鏡面清潔度指表面粘灰鏡面的反射比與潔凈鏡面的反射比之比。剛清洗鏡面后，鏡面清潔無(wú)粘灰，鏡面清潔度為100%。

隨著附著灰塵的逐漸增多，鏡面清潔度逐漸下降。當(dāng)鏡面清潔度下降到90%時(shí)，鏡面反射比下降到83.7%。

本文的發(fā)電量估算中鏡面清潔度取其平均值95%。

3）余弦因子

余弦因子指平面某一面積上接收的太陽(yáng)輻射功率與其接收最大太陽(yáng)輻射功率之比，等于入射光束與接收面法線(xiàn)方向夾角的余弦值[8]。

圖6顯示了位于北半球的塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電廠接收塔南、北側(cè)各一臺(tái)定日鏡的余弦效應(yīng)。圖中顯示定日鏡A的余弦損失比B小，這得益于其法向方向幾乎正對(duì)著接收器；而定日鏡B有著較大的余弦損失，這是由其為了反射陽(yáng)光到接收器上所處于的狀態(tài)決定的。一般來(lái)說(shuō)，正對(duì)著太陽(yáng)的定日鏡有較高的余弦因子。

圖6 余弦效應(yīng)

把全年每小時(shí)的全廠平均余弦因子按輻射的時(shí)間分布加權(quán)平均，得到全廠全年平均余弦因子約為77%。

4）陰影和遮擋因子

如圖7所示，陰影因子指某一時(shí)刻被其它定日鏡或塔遮擋的能量與該定日鏡未被遮擋時(shí)接收的總能量之比。遮擋因子指某一時(shí)刻定日鏡的反射光投射到接收器之前被相鄰定日鏡遮擋的能量與該定日鏡反射的總能量之比。兩者合稱(chēng)陰影和遮擋因子。

圖7 陰影和遮擋損失

陰影和遮擋因子的大小與廠址地理、廠址地形、聚光場(chǎng)內(nèi)定日鏡分布、接收塔高度和形狀、太陽(yáng)位置有關(guān)，本文通過(guò)相鄰定日鏡沿太陽(yáng)入射光束方向和向接收器反射光線(xiàn)方向上在所計(jì)算定日鏡上的投影來(lái)進(jìn)行計(jì)算，并考慮了與之相鄰的多臺(tái)定日鏡對(duì)所計(jì)算定日鏡造成的陰影和遮擋的影響。

結(jié)合輻射的時(shí)間分布，利用計(jì)算機(jī)逐時(shí)模擬得到陰影和遮擋因子約為92%。

5）衰減因子

衰減因子即太陽(yáng)能傳輸損失，由于大氣對(duì)太陽(yáng)能輻射的吸收和散射帶來(lái)的太陽(yáng)輻射傳輸損失。衰減因子與太陽(yáng)的位置（隨時(shí)間變化）、當(dāng)?shù)睾０胃叨纫约按髿鈼l件（如氣溶膠、水汽含量、二氧化碳含量）、能見(jiàn)度等有關(guān)。

利用上述條件計(jì)算衰減因子十分復(fù)雜，并且需要對(duì)各影響因素進(jìn)行定量觀測(cè)。一般通過(guò)唯象公式估計(jì)衰減因子。常見(jiàn)的唯象公式一般給出能見(jiàn)度分別為23km和5km兩種情況下的衰減因子，分別代表晴朗干凈大氣條件和霧霾大氣條件。

本文中發(fā)電量估算的衰減因子的計(jì)算采用適用于高海拔地區(qū)的唯象公式，

Att＝99.191-6.04×S+0.504×S×S，（S＞0.1km）

其中Att是衰減因子，單位：%。S是反射光束離開(kāi)定日鏡后到達(dá)接收器時(shí)實(shí)際穿過(guò)的路徑長(zhǎng)度，單位：km。

經(jīng)計(jì)算，聚光場(chǎng)的平均衰減因子是97%。

6）溢出因子

溢出因子指單位時(shí)間內(nèi)到達(dá)接收器表面的能量與由聚光場(chǎng)反射并到達(dá)接收器平面總能量之比。

影響溢出因子的因素包括定日鏡尺寸、接收器尺寸、定日鏡跟蹤精度[9]、風(fēng)造成的定日鏡擺動(dòng)、風(fēng)造成的接收器擺動(dòng)等。計(jì)算得出2009年全年平均溢出因子約為97%。

3.1.2 接收器部分

1）吸收率指單位時(shí)間內(nèi)接收器表面吸收的能量與到達(dá)接收器表面的能量之比。吸收率主要由接收器表面涂層材料[10]、噴涂工藝、使用條件等決定。

本文中吸收率為94%。

2）熱損失因子

接收器系統(tǒng)熱損失因子指單位時(shí)間內(nèi)熔鹽工質(zhì)從接收器吸收的能量與接收器表面吸收的能量之比。

接收器系統(tǒng)熱損失因子通過(guò)接收器系統(tǒng)的熱量損失來(lái)計(jì)算。接收器系統(tǒng)的熱量損失包括對(duì)流損失、輻射損失、傳導(dǎo)損失。其中對(duì)流損失和輻射損失這兩類(lèi)損失是接收器系統(tǒng)最主要的熱損失。這些損失的大小都取決于接收器面積、工作溫度、發(fā)射率等接收器參數(shù)，另外還受到環(huán)境風(fēng)速、環(huán)境溫度、空氣物性等的影響[11]。本文的發(fā)電量計(jì)算中，對(duì)流損失和輻射損失采用熱力學(xué)公式計(jì)算。

接收器系統(tǒng)的傳導(dǎo)損失較少，在接收器系統(tǒng)的熱量損失中只占很小一部分，并可通過(guò)優(yōu)化接收器與接收塔的連接點(diǎn)的數(shù)量和尺寸以及采用低導(dǎo)熱率材料降低傳導(dǎo)損失[12]。本文忽略傳導(dǎo)損失。

接收器系統(tǒng)熱損失因子全年計(jì)算平均值約為89%。

3）啟動(dòng)及云損失因子

接收器啟動(dòng)及云損失因子指因接收器啟動(dòng)、有云待機(jī)、散焦所造成的能量損失修正。

利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)及接收器運(yùn)行原則，確定接收器的啟動(dòng)及云損失因子為約96%。

4）熔鹽循環(huán)熱損失因子

熔鹽循環(huán)熱損失因子指在某時(shí)間段內(nèi)蒸汽從熔鹽換熱過(guò)程所獲得的能量與熔鹽工質(zhì)從接收器獲得的能量之比。

本文中熔鹽循環(huán)熱損失因子包括了熔鹽罐、熔鹽管道、蒸汽發(fā)生器的散熱損失以及熔鹽泵的增熱效應(yīng)。

計(jì)算得到2009年全年的熔鹽循環(huán)熱損失因子為96%。

3.2 發(fā)電系統(tǒng)

從能量轉(zhuǎn)變的角度，發(fā)電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)蒸汽到電能的轉(zhuǎn)變。發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換因子為考察時(shí)間段內(nèi)發(fā)電機(jī)出線(xiàn)端產(chǎn)生的電能與蒸汽從熔鹽換熱過(guò)程得到的熱能之比。

發(fā)電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換因子受熱鹽量、汽輪發(fā)電機(jī)組效率曲線(xiàn)、汽輪發(fā)電機(jī)組負(fù)荷、蒸汽參數(shù)、汽輪發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)和停機(jī)等因素的影響[13]。

根據(jù)汽輪機(jī)制造廠提供的效率參數(shù)，綜合考慮以上因數(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬，發(fā)電系統(tǒng)效率為39%[14]。

3.3 全廠利用率

全廠利用率指正常工作時(shí)某些設(shè)備因故障、檢修等原因處于不可利用狀態(tài)造成無(wú)法收集當(dāng)時(shí)的輻射而導(dǎo)致太陽(yáng)能的浪費(fèi)以及發(fā)電量的降低。在極端光照情況下，還可能出現(xiàn)控制系統(tǒng)無(wú)法充分調(diào)度定日鏡進(jìn)行工作從而導(dǎo)致太陽(yáng)能浪費(fèi)等情況，充分應(yīng)用人工智能技術(shù)可大幅度提高全廠利用率[15]。

全廠利用率需考慮定日鏡、接收器、熔鹽泵、儲(chǔ)存罐、蒸汽發(fā)生器、汽輪發(fā)電機(jī)組、控制系統(tǒng)和管閥等設(shè)備的故障、檢修所造成的全廠利用率。其中最主要是接收器、冷鹽泵的影響。因?yàn)榻邮掌鳌⒗潲}泵、控制系統(tǒng)的故障或檢修，會(huì)造成輻射的浪費(fèi)。而蒸汽發(fā)生器、汽輪發(fā)電機(jī)組在故障或檢修時(shí)，不影響太陽(yáng)能的收集工作。只有當(dāng)蒸汽發(fā)生器、汽輪發(fā)電機(jī)組持續(xù)故障或檢修時(shí)，熱鹽罐儲(chǔ)存量達(dá)到極限，無(wú)法再收集太陽(yáng)能，才會(huì)造成太陽(yáng)能的浪費(fèi)。

綜合考慮各設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造情況，全廠利用率按95%計(jì)算。

本文不考慮電網(wǎng)調(diào)度因素對(duì)發(fā)電量的影響。

4 發(fā)電量估計(jì)

發(fā)電量由太陽(yáng)能資源、聚光場(chǎng)采光面積、光電轉(zhuǎn)換效率3項(xiàng)因素確定。

根據(jù)上述對(duì)太陽(yáng)能資源的分析，確定2009年為典型代表年。2009年全年直接輻射量為6 715MJ/㎡。

該工程聚光場(chǎng)總有效反射面積為1 224 000㎡。全廠光電轉(zhuǎn)換效率及發(fā)電量見(jiàn)表3。

計(jì)及全廠利用率后的總發(fā)電量為37 721萬(wàn)kWh。

全廠光電轉(zhuǎn)換效率（不含廠用電率）為16.5%。廠用電率10%，計(jì)及廠用電率的全廠光電轉(zhuǎn)換效率為14.9%。

表3 全廠光電轉(zhuǎn)換效率及發(fā)電量表

5 結(jié)論

塔式光熱電站正在世界范圍內(nèi)掀起一股建設(shè)風(fēng)潮，在建設(shè)前期對(duì)發(fā)電量進(jìn)行正確評(píng)估對(duì)行業(yè)和行業(yè)的發(fā)展具有積極的意義。