喻修成，張智

（1.中核武漢核電運行技術股份有限公司，武漢430223；2.西安交通大學化學工程與技術學院，西安710049）

0 引言

太陽能是一種可再生、無污染的新能源，地球每秒鐘接收的太陽輻射量等同于6 Gt標準煤所含的能量［1］，是目前最有前景的新能源之一。中國幅員遼闊，西北部地區(qū)太陽能資源豐富，年輻射總量可達6 500～8 500 MJ/m2，年日照時數(shù)在3 000～3 300 h［2-4］，太陽能利用具有巨大的潛力。目前，太陽能利用方式主要分光熱和光伏2種技術。太陽能光熱發(fā)電主要通過鏡場集熱器加熱工質后產生蒸汽，送入汽輪機推動發(fā)電機轉子轉動，進而輸出電能，該過程先將太陽能變?yōu)闊崮茉俎D化為電能。然而由于太陽能資源受到地理位置及氣候等自然因素的影響，且太陽能熱發(fā)電前期初始投資成本高，獨立太陽能熱電站參與電網調峰能力差等缺點，使太陽能熱發(fā)電技術面臨很多挑戰(zhàn)。依托我國燃煤發(fā)電大國背景，通過太陽能鏡場集熱產生合適參數(shù)的蒸汽，用于取代汽輪機回熱抽汽或直接送入汽輪機做功，這種太陽能協(xié)同燃煤進行電力生產的方式是一種高效利用太陽能發(fā)電的技術［5］。通過將太陽能與燃煤機組有機結合，直接在已建成的燃煤機組上進行改造，不再開發(fā)新的機組，節(jié)省了投資成本［6］。借助燃煤機組的高參數(shù)特點，提高了太陽能轉換效率，減少了初始投資成本，且可通過調整鍋爐送粉減少太陽輻射波動的影響，穩(wěn)定和協(xié)同系統(tǒng)的電力輸出以減少對電網的沖擊。

太陽能協(xié)同燃煤電站中槽式聚光型太陽能熱發(fā)電的平準化度電成本（LCOE）相對單純燃煤電站有一定程度降低，但仍然較高。一方面是由于燃煤價格較低使得燃煤發(fā)電成本低，另一方面則是因槽式太陽能聚光鏡場與水循環(huán)回路的換熱溫差較大，產生較高的能量損失，在集熱量相同時需要更多鏡場面積和初始投資成本。對槽式集熱場進行優(yōu)化以降低高溫導熱油與進入鏡場低溫水的換熱溫差，可減少價格較高的槽式集熱器鏡場面積，進而降低鏡場初始投資和LCOE。對此，本研究采用梯級加熱形式，即用低成本的真空管集熱器預熱槽式太陽能聚光鏡場給水，然后再用高成本的槽式集熱器進行加熱得到高溫蒸汽，利用混合梯級鏡場設計可以降低投資及運行成本，進而減少發(fā)電成本。

基于此，本文提出一種將真空管集熱器和槽式集熱器混合構成梯級集熱的太陽能鏡場與傳統(tǒng)燃煤機組協(xié)同發(fā)電的模型，并針對所提出的混合梯級鏡場進行建模與優(yōu)化研究。

1 混合梯級鏡場建模

混合鏡場協(xié)同燃煤機組發(fā)電模型如圖1 所示。圖中HP，IP，LP 分別為汽輪機高、中、低壓缸，H1─H8 為換熱器。太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)由真空管集熱器和槽式集熱器串聯(lián)布置組成，來自凝汽器的太陽能混合鏡場給水首先進入真空管集熱器，預熱至一定溫度后送入水油換熱器，槽式集熱器中的高溫油在水油換熱器中將熱量傳遞給太陽能蒸汽，產生符合要求的蒸汽送至回熱系統(tǒng)的加熱器中取代汽輪機抽汽。

圖1 混合鏡場協(xié)同燃煤機組模型Fig.1 Model of the mixed mirror field coordinated with coal-fired units

1.1 真空管集熱器建模

真空管集熱器集熱量為［7］

式中:QETC為真空管集熱場的集熱量，kJ；ηETC為真空管集熱器的效率，%；IG為落在平板上的輻射總容量，kW/m2；FETC，shadowing為真空管集熱器間相互遮擋系數(shù)；SETC為真空管集熱器鏡場面積，m2；Kθ，ETC為入射角經向修正系數(shù)。

ηETC采用Budihardjo給出的計算公式［8］

式中:ΔT為真空管內工質定性溫度與環(huán)境的溫差，K。

式中:cosθETC為真空管集熱器法線與入射光線的夾角余弦值［9］。

其中cosθETC計算公式為［10］

式中:φ為集熱器所在緯度，（°）；θZ為天頂角，（°）；δ為太陽赤緯角，（°）；ω為小時角，（°）；β為傾斜角，（°）。

IG與其傾斜角有關，可表示為［7］

式中:ID為真空管集熱器所接收的直接輻射強度，kW/m2；IN為接收的散射輻射強度，kW/m2；θeva為入射太陽光與聚光器表面的夾角，（°）。

將真空管集熱器朝南組合成平板式集熱器，如圖2 所示。其中，圖2a 為相鄰真空管集熱器的遮擋示意圖，高度角為α，方位角為γ的入射光線投射到長為l、寬為b的平板上，相鄰平板間距為d；圖2b 為真空管集熱器布置時的側視圖，AC為實際布置間距，AF為最小無遮擋時間距；圖2c 為真空管集熱器布置時的俯視圖。

當光線照在集熱器表面時，相鄰2 個集熱器無遮擋的最短距離為

式中:l為集熱器長AB，m；γ為方位角，（°）；α為光線與水平線夾角為，（°）。

水平方向上出現(xiàn)的遮擋主要是入射光線與正南方向存在γ角，相鄰真空管鏡面間端部無遮擋損失為

由此，總遮擋系數(shù)可表達為

可簡化為

式中:b為平板寬度，m。

圖2 真空管集熱器布置Fig.2 Layout of the evacuated tube heat collector

1.2 槽式集熱器建模

槽式集熱器則采用南北水平布置，其跟蹤方式選為單軸東西跟蹤。槽式集熱場主要相關參數(shù)參照美國SEGS VI 光熱電站槽式集熱器集熱系統(tǒng)，見表1。

槽式集熱場集熱量計算式為

式中:QPTC為槽式集熱場集熱量，kJ；ηPTC為槽式集熱器集熱效率，%；DNI為太陽直接輻射強度，kW/m2；SPTC為集熱場面積，m2；t為集熱場運行時間，s。

表1 SEGS VI電站集熱系統(tǒng)主要參數(shù)［11］Tab.1 Main parameters of the SEGS VI power station heat collector［11］

1.3 混合梯級鏡場建模

梯級集熱系統(tǒng)由真空管集熱器和槽式集熱器混合構成，如圖3 所示。來自凝汽器的凝結水先經過真空管集熱場預熱后送入水油換熱器，利用來自槽式太陽能集熱器的高溫熱油將凝結水加熱成蒸汽，產生的蒸汽用于取代回熱系統(tǒng)抽汽。

圖3 混合鏡場示意Fig.3 Sketch of the mixed mirror field

混合鏡場送入燃煤機組取代抽汽的供熱量由真空管集熱場與槽式集熱場的集熱總量組成，計算式為

式中:Qhy為混合鏡場的集熱總量，kJ；ηwo為水油換熱器的換熱效率，%。

混合鏡場中，由于真空管集熱場和槽式集熱場采用串聯(lián)方式進行梯級加熱，則流經鏡場的質量應相等，需滿足

式中:hin為入口比焓，kJ/kg；hm為混合點比焓，kJ/kg；hout為出口比焓，kJ/kg；

真空管集熱器和槽式集熱器管內工質的定性溫度與環(huán)境的溫差會影響其集熱效率。因而，梯級鏡場不同的混合點溫度（真空管集熱場出口給水溫度）會直接影響鏡場的集熱效率，進而影響鏡場集熱總量。在對混合鏡場進行設計時，以完全取代第一段抽汽所需的集熱量為基礎，以使太陽能熱發(fā)電LCOE最低時的混合點溫度為最佳混合溫度

式中:Qes1為完全取代第一段抽汽時的混合鏡場供熱量，取72 MJ/h；tm為混合點溫度，℃。

當實際運行的氣象條件不滿足設計要求時，對于不同的混合溫度，混合鏡場產生的集熱總量是不同的。實際運行中混合鏡場入口和出口的蒸汽質量保持不變，真空管集熱器和槽式集熱器的鏡場面積已經固定且其效率隨輻照度而變化，混合溫度會偏離設計值。為保證出口參數(shù)達到要求，需根據(jù)實際輻照度變化而調整混合鏡場運行方式。

2 混合梯級加熱鏡場經濟性評價

為評價真空管集熱器和槽式集熱器組成混合鏡場與燃煤機組協(xié)同運行后的經濟性，需要獲取當?shù)厝陮嶋H氣象數(shù)據(jù)。本文以太陽能熱發(fā)電的LCOE 為評價指標，考慮了初始投資成本及運行維護成本后，除以協(xié)同系統(tǒng)使用年限內的發(fā)電總量，得出混合鏡場電價，主要經濟性成本參數(shù)見表2。

表2 主要經濟性成本參數(shù)［13-16］Tab.2 Main economic cost parameters［13-16］

混合系統(tǒng)的全年經濟性評價方式由Roy提出［12］

式中:Cinvest為初始投資，元；fannuity為等值支付現(xiàn)值系數(shù)；CO&M，ann為系統(tǒng)運行維護費用，元；Eel，net，ann為太陽能鏡場等效全年發(fā)電總容量，kW；ASF為鏡場面積，m2；CSF為鏡場投資成本，元/m2；fland為鏡場占地系數(shù)；Cstaff為鏡場運維人力費用，元；Cspare為鏡場設備更新費用，元。

為合理評估太陽能鏡場的發(fā)電成本，在汽輪機輸出功率保持600 MW 不變時，隨著太陽能鏡場提供抽汽，電廠的熱耗率下降。將下降部分的能耗折算回純燃煤電站，可計算出相應燃煤的發(fā)電功率，由此計算得到太陽能鏡場的等效功率

式中:Psolar為太陽能鏡場梯級協(xié)同燃煤電廠中太陽能鏡場的發(fā)電功率，MW；Pr為電廠的額定輸出功率，600 MW；Qbr為汽輪機額定輸出功率時蒸汽從鍋爐的吸熱量，MJ；Qbs為有太陽能協(xié)同時蒸汽鍋爐的吸熱量，MJ。

3 混合梯級鏡場優(yōu)化結果

銀川作為中國高輻射強度的典型地區(qū)，全年日照時間充足，年直接輻射總量可達2 373 kW?h/m2，適合發(fā)展太陽能協(xié)同燃煤發(fā)電技術。以將該地區(qū)的某600 MW 凝汽式燃煤機組作為本文的研究對象，可從System Advisor Model（SAM）軟件獲取主要設計參數(shù)，見表3。

表3 太陽能鏡場的主要設計參數(shù)（銀川）Tab.3 Main design parameters of the solar mirrorfield in Yinchuan city

3.1 真空集熱管最佳布置方式

真空管集熱器的布置需要進行一定的優(yōu)化以收集最多的太陽能，集熱器的傾斜角β對光線與平板集熱器的夾角存在一定影響，從而影響集熱器上所接收的輻射總量。此外，集熱器陣列間會存在相互遮擋損失，改變相鄰集熱器的間距可以減小鏡場遮擋損失從而收集到最多的熱量。不同間距與不同傾斜角下年集熱總量變化如圖4所示。

從圖4 可知，隨著真空管集熱器的傾斜角從0°上升到90°時，其年集熱量先增加后減少，最佳值為40°～50°。集熱器間距在1.5～2.5 m 時，平板間距的增減可以使年集熱量明顯增加，而當集熱器間距超過2.5 m 后，年集熱總量隨平板間距增大而增加的幅值減少。

當真空管為最佳傾斜角40°，在考慮土地成本后，得到單位成本集熱量與間距的關系，如圖5 所示。兩者關系呈現(xiàn)近似拋物線形，在間距為2.5 m時有最低遮擋成本效益，為1.49 kW?h/元。因此真空管集熱器的布置宜采用傾斜角為40°，間距為2.5 m，年集熱量為295.56 kW?h/m2。

圖4 年集熱量隨傾斜角和間距變化Fig.4 Annual collected heat varying with the tilt angles and spacing

圖5 單位成本集熱量隨間距變化Fig.5 Cost of heat collection per unit varying with the spacing

3.2 最佳混合點溫度

混合鏡場混合點溫度的變化會影響管內工質與環(huán)境的溫差和集熱器效率，并影響真空管和槽式集熱器的鏡場面積及整個混合鏡場的年集熱總量和初始投資金額。

以N600-24.2/566/566 型超臨界中間再熱凝汽式燃煤機組為協(xié)同對象，該機組100 %額定工況時第1 級抽汽的質量流量為104 233 kg/h，壓力為6.042 MPa，溫度為353.6 ℃。圖6 給出了在該工況下完全取代第1 段抽汽時，混合鏡場年集熱量和鏡場的初始投資隨混合溫度變化時的關系。從圖6可以看出，隨著混合溫度從130 ℃上升至190 ℃，混合鏡場的年集熱總量和初始投資金額都呈現(xiàn)線性下降趨勢。究其原因是由于隨著混合鏡場結合點溫度的升高，真空管集熱器和槽式集熱器內工質與環(huán)境的溫差增大，集熱器散熱損失增大效率降低，槽式集熱場面積減小，真空管集熱場面積增大，因此混合鏡場年集熱總量減少；同時由于真空管的成本較槽式集熱器更低，且間距更小，單位面積的鏡場占地面積更少，土地成本更少，故混合鏡場初始投資隨混合鏡場結合點溫度的升高也不斷降低。

為尋找最優(yōu)的結合點溫度，使得LCOE 達到最低?；旌乡R場LCOE 隨結合點溫度變化的關系如圖7 所示?？梢钥闯?，在完全取代第1 段抽汽時，混合鏡場的LCOE 隨真空管集熱器和槽式集熱器的結合點溫度的升高先降低后升高，最優(yōu)值出現(xiàn)在160 ℃時為0.734元/（kW?h）。

圖6 年集熱量和初始投資隨結合點溫度變化Fig.6 Annual collected heat and initial investment varying with the temperature at the junction

圖7 LCOE隨結合點溫度變化Fig.7 LCOE varying with the temperature at the junction

4 結論

本文主要針對目前太陽能協(xié)同燃煤電廠中存在的成本高、能量損失大的問題，采取了梯級加熱的思想，構建了真空管集熱器與槽式集熱器混合的鏡場梯級加熱模型，并針對此模型中真空集熱器布置方式以及結合點溫度進行了優(yōu)化研究。以N600-24.2/566/566 型超臨界中間再熱凝汽式燃煤機組為協(xié)同對象，當混合梯級集熱系統(tǒng)完全取代第1 級抽汽時，得到以下結論。

（1）通過分析真空集熱器傾斜角β、平板間距d與年集熱量QETC關系，發(fā)現(xiàn)隨著傾斜角增加，年集熱量先增加后降低，最佳傾斜角范圍為40°～50°。

（2）基于最佳傾斜角40°，分析不同間距下的年集熱量變化，發(fā)現(xiàn)隨著平板間距增大，年集熱量增量逐漸減少。真空管集熱器采用傾斜角為40°布置時，推薦最佳間距為2.5 m，年集熱量可達295.56 kW?h/m2。

（3）研究結合點溫度與集熱量，初始投資的關系，發(fā)現(xiàn)隨著結合點溫度升高，集熱量與初始投資都不斷降低。

（4）分析結合點溫度與LCOE 的關系，發(fā)現(xiàn)隨著溫度升高，LCOE 先降低后增加，在160 ℃取得最低的LCOE，為0.734元/（kW?h）。