摘 要：太陽能是一種清潔、可再生的能源，是今后化學(xué)能源的主要替代能源之一。太陽能熱發(fā)電是主要的太陽能利用方式。由于天氣、晝夜等不穩(wěn)定因素，現(xiàn)階段太陽能熱發(fā)電存在發(fā)電與用電不同步、發(fā)電不穩(wěn)定等問題。在太陽能電站中加入蓄熱系統(tǒng)，用以減少甚至消除太陽輻射強度的波動對太陽能利用的穩(wěn)定性的影響。從控制策略上做到對能源的合理利用，真正做到節(jié)能減排。

關(guān)鍵詞：太陽能 熱流計算器 節(jié)能減排

中圖分類號：TK519 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）06（c）-0099-02

1 研究背景

能源是人類社會賴以生存和發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)。目前絕大數(shù)能源都以石油、天然氣和煤炭等化石燃料為主，而化石能源是有限的。太陽能以其儲量的無限性、存在的普遍性和利用的清潔性等優(yōu)勢成為了最理想的替代能源之一。

我國有著豐富的太陽能資源。全國陸地表面每年接收的太陽能輻射能量相當于49000億噸標煤。如果將這些能量全部用于發(fā)電，約等于上萬個三峽水電站的發(fā)電總和。[1]近年來，太陽能熱利用得到高度重視。

由于受到各種自然因素的影響，到達地面的太陽輻射不穩(wěn)定，這給太陽能的使用增加了難度。為了提高發(fā)電效率、減少發(fā)電成本、提高太陽能熱電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和連續(xù)性，則需要對太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)增加蓄熱裝置，以使系統(tǒng)在沒有太陽輻射能量的時候能繼續(xù)滿足發(fā)電需要。蓄熱系統(tǒng)已成為衡量熱發(fā)電系統(tǒng)效率的重要因素，但目前的大型熱發(fā)電系統(tǒng)中，只有很少的系統(tǒng)增加了蓄熱裝置，蓄熱技術(shù)也需要繼續(xù)的研究和完善。[2]

2 系統(tǒng)簡介

由于受到天氣、季節(jié)等自然條件的影響，太陽能熱發(fā)電存在較大的不穩(wěn)定性。為了保證太陽能熱發(fā)電站發(fā)電相對穩(wěn)定，可以采取蓄熱措施，將太陽光照充足時蓄熱器所吸收的滿足發(fā)電所需之外的熱量儲存于蓄熱器當中；在太陽光照不足，即集熱器吸收的熱量無法滿足發(fā)電需求時，將蓄熱器里儲存的熱量用于發(fā)電，以此來保證云遮間隙系統(tǒng)的正常運行。

3 控制方案

高溫蓄熱技術(shù)是太陽能熱發(fā)電的關(guān)鍵技術(shù)。按照熱能存儲方式不同太陽能高溫蓄熱技術(shù)可分為潛熱蓄熱化學(xué)反應(yīng)蓄熱和顯熱蓄熱三種方式。其中潛熱蓄熱主要是通過蓄熱材料發(fā)生相變時吸收或放出熱量來實現(xiàn)能量的儲存具有蓄熱密度大充放熱過程溫度波動范圍小等優(yōu)點[3]。潛熱蓄熱也是本方案在分析蓄熱系統(tǒng)時所采用的蓄熱方式。

按太陽能直射強度大小區(qū)分，該系統(tǒng)可以以4種工作模式運行。

（1）集熱器向換熱器供熱，蓄熱器蓄熱模式（閥門A、B、C開啟）。

（2）集熱器與蓄熱器同時供熱模式（閥門A、B、C開啟）。

（3）蓄熱器單獨蓄熱模式（閥門A關(guān)閉、閥門B、C開啟）。

（4）集熱器停止供熱，蓄熱器停止蓄熱模式（閥門A、B、C關(guān)閉）。

為了對太陽直射強度進行比較，可定義太陽能直射強度臨界值

其中：為換熱器進行油水換熱時與導(dǎo)熱流體交換的熱量，KJ

C為導(dǎo)熱油比熱容，J/kg·℃；

為換熱器進口油溫，℃；

為換熱器出口油溫，℃；

W為集熱器總面積，；

G為太陽直射強度，；

為太陽入射角，度，根據(jù)1.4小節(jié)的分析可以計算出某時刻的太陽入射角；

為太陽入射角修正系數(shù)，度，一般可取0.95；

為早晚時集熱管列陰影相互影響因子，一般可取0.92；

為集熱管末端損失影響因子，一般可取0.91；

為由于反射鏡面光學(xué)特性等與理想鏡面差異相關(guān)的集熱島效率，一般可取0.98；

為由于集熱部分光學(xué)特性等與理想情況差異相關(guān)的集熱器效率，一般可取0.94；

為集熱島運行與太陽跟蹤影響因子，一般可取0.99[3]。

3.1 上午太陽光照較弱條件下

當上午（6：00～12：00）太陽光較弱，即太陽直射強度G小于太陽直射強度臨界值（）時，為在集熱器出口參數(shù)低于額定工況時進行調(diào)節(jié)，需要首先對虛熱系統(tǒng)進行充熱[4]。且考慮到蓄熱裝置內(nèi)儲存的能量是有限的，讓蓄熱器向換熱器提供熱量也是不現(xiàn)實的。此時，集熱器吸收太陽輻射，集熱器與換熱流體交換的熱量將流入蓄熱器，即蓄熱器處于“充熱”狀態(tài)。該工況下，關(guān)閉閥門A，調(diào)節(jié)閥門B流量。

流向為集熱器流入蓄熱器。

其中，為集熱器出口流量，即為閥門C流量，。

3.2 上午太陽光照充足條件下

當上午（6：00～12：00）太陽光照充足，即太陽直射強度G大于太陽直射強度臨界值（），這時集熱器吸收太陽輻射后與換熱流體交換熱量已經(jīng)能滿足換熱器中油水換熱所需要的熱量（）。換熱流體從集熱器獲得的熱量將被分成兩部分，一部分用于滿足換熱器的換熱需求，另一部分流向蓄熱器，儲存于蓄熱器當中。

閥門A流量：

流向為集熱器流向換熱器。

其中：

為換熱器進行油水換熱時與導(dǎo)熱流體交換的熱量，kJ；

C為換熱流體比熱容，；

為換熱流體溫度，℃；

為換熱器出口油溫，℃；

閥門B流量：

流向為集熱器流向蓄熱器，

為集熱器出口流量，即為閥門C流量，。

注：出于簡化計算的考慮，我們假設(shè)換熱流體在管道中流通時沒有熱量損失。

3.3 下午太陽光充足條件下

當下午太陽光輻射夠強，即大于太陽直射強度臨界值（）時，同上一小節(jié)所分析，集熱器接受太陽輻射收集到的熱量分為兩部分，一部分用于滿足換熱器油水換熱所需的熱量，剩余的熱量流入蓄熱器貯存。

閥門A流量

流量為集熱器流向蓄熱器，

閥門B流量：

流向為集熱器流向蓄熱器，

3.4 下午太陽光較弱條件下

當下午太陽輻射較弱，即小于太陽直射強度臨界值（）時，此時，集熱器收集的熱量不足以滿足換熱器中油水換熱所需的熱量，即時：

若，則蓄熱器向換熱器提供熱量，即蓄熱器處于“放熱”狀態(tài)。

其中：

為蓄熱器所貯存的熱量；

為換熱器進行油水換熱時與導(dǎo)熱流體交換的熱量，；

為集熱管與換熱流體對流換熱量，。

閥門B流量：

流向為蓄熱器流向換熱器，kg/s

其中：

為蓄熱器儲熱罐中的溫度，℃

為換熱器出口油溫，℃

閥門A流量：

流向為蓄熱器流向換熱器，kg/s

若，此時蓄熱器內(nèi)貯存的熱量連同集熱器吸收的太陽輻射能的總和都不足以提供換熱器油水換熱所需的熱量（這種情況只有在陰雨的天氣條件下才可能發(fā)生）。則關(guān)閉閥門A，開啟閥門B，集熱器吸收太陽輻射能流入蓄熱器，蓄熱器處于“充熱”狀態(tài)。

閥門B流量，流向為集熱器流向蓄熱器，kg/s

閥門A流量。

3.5 晚上無光照條件下

當晚上太陽下山之后，此時。由可知。此時，集熱器無法對換熱器充熱，也無法向換熱器提供熱量。考慮到蓄熱器容量是有限的等實際情況，讓蓄熱器在晚上對換熱器供熱是不切實際的，故在晚上關(guān)閉閥門A、閥門B、閥門C。

4 應(yīng)用前景與問題討論

中國作為資源消耗大國在尋求替代能源之路上必然要在該領(lǐng)域走在世界前列。在可以預(yù)見的未來必將建設(shè)更多的太陽能熱發(fā)電站。倘若沒有采取較好的蓄熱措施與控制策略，由于太陽能發(fā)電的不穩(wěn)定性將可能帶來嚴重的后果。為了保證太陽能發(fā)電的穩(wěn)定性與經(jīng)濟性，除了提高集熱效率，改進蓄熱技術(shù)之外，還可以在控制策略上尋求進步?！盁崃饔嬎闫鳌边€可以考慮在軟件中加入智能算法，根據(jù)大規(guī)模的天氣數(shù)據(jù)預(yù)測集熱——蓄熱系統(tǒng)中的流量變化。

除了太陽能熱發(fā)電領(lǐng)域，該軟件也可以應(yīng)用于家庭熱水器的蓄熱控制。根據(jù)天氣情況合理的分配能源，避免不必要的浪費，真正做到節(jié)能減排。

參考文獻

[1]閻秦.太陽能輔助燃煤發(fā)電系統(tǒng)熱力特性研究.

[2]楊小平，楊曉西，丁靜，等.太陽能高溫?zé)岚l(fā)電蓄熱技術(shù)進展研究.

[3]吳玉庭，張麗娜，馬重芳.太陽能熱發(fā)電高溫蓄熱技術(shù).