馮云崗，崔　云，蔣　浩

(上海電力設(shè)計院有限公司，上?！?00021)

槽式太陽能光熱系統(tǒng)發(fā)電量計算研究

馮云崗，崔云，蔣浩

(上海電力設(shè)計院有限公司，上海200021)

摘要：針對太陽能槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)，基于光學(xué)、力學(xué)、傳熱學(xué)、材料學(xué)等多方面理論知識，從太陽能光照資源出發(fā)，綜合考慮集熱系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、儲熱系統(tǒng)以及常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)各環(huán)節(jié)效率及折減因素，研究建立了一套太陽能槽式發(fā)電量計算模型，為光熱發(fā)電項目前期咨詢及后期運行預(yù)測數(shù)據(jù)提供參考。

關(guān)鍵詞：槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)；發(fā)電量計算；模型；DNI

在太陽能利用技術(shù)中，雖然目前光伏占據(jù)著較大的市場份額，但是由于受太陽能資源特性限制，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的不穩(wěn)定性，將成為其大規(guī)模接入電網(wǎng)的瓶頸；而配套儲能電池技術(shù)，又使其成本大幅增加。太陽能光熱發(fā)電直接輸出交流電力，而且太陽能光熱發(fā)電可以比較容易地解決儲能問題，使得太陽能發(fā)電不會增加電網(wǎng)負擔，更有利于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定而能被電網(wǎng)大規(guī)模的接受[1-2]。

太陽能熱發(fā)電基本過程涉及聚光、傳熱和熱工轉(zhuǎn)換等多個方面，光熱、熱力學(xué)、傳熱學(xué)、材料學(xué)等多個學(xué)科交叉，目前太陽能光熱發(fā)電缺少一套完整理論發(fā)電量計算方法，本文主要針對目前主流的太陽能槽式聚光系統(tǒng)，基于光學(xué)、力學(xué)、傳熱學(xué)、材料學(xué)等多方面理論知識，從太陽能光照資源出發(fā)，綜合考慮集熱系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、儲熱系統(tǒng)以及常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)各環(huán)節(jié)效率及折減因素，對太陽能槽式發(fā)電量計算模型進行研究，以期探索一套太陽能槽式發(fā)電量計算模型，為光熱發(fā)電項目前期咨詢及后期運行預(yù)測數(shù)據(jù)提供參考[3]。

1發(fā)電量計算原則

1.1系統(tǒng)光照直接輻射照度(DNI)設(shè)計點確定

當太陽集熱場在設(shè)計點輸出的能量可同時供滿負荷的儲熱和發(fā)電，而不是在超出汽輪機容量需求后，儲熱器才開始儲能。當太陽輻射較低或夜間，太陽能集熱場不能產(chǎn)生足夠的能量來滿足汽輪機負荷要求時，儲熱器將放熱，彌補太陽輻射的不足。

但不在設(shè)計點工況時，集熱場的輸出只能滿足發(fā)電和儲熱其中一個設(shè)備滿負荷工作。因此設(shè)計點的條件選取很重要。否則可能造成：

(1)儲熱器或汽輪機長期處于非額定負荷工作狀態(tài)；

(2)集熱場輸出的能量多于儲熱和發(fā)電的需要，此時需要關(guān)閉一部分聚光器，造成設(shè)備不能充分利用。

實際上由于氣象條件、太陽輻照和太陽位置等的變化，任何計算方法均無法保證儲熱器和汽輪機同時滿足額定輸入。當太陽輻照高于設(shè)計點值時，將會引起一部分聚光器關(guān)閉，否則聚光場輸出的多余能量無法利用。當太陽輻照低于年平均值時，一般是儲熱器不滿負荷工作。因此，系統(tǒng)光照DNI設(shè)計點選擇應(yīng)盡量做到足夠的代表性。設(shè)計點應(yīng)根據(jù)全年DNI值分布，選擇DNI出現(xiàn)概率最大的點作為設(shè)計輸入試算，并經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較后確定。當缺少全年DNI值時，一般可取春分日正午，年平均太陽輻照度及年平均氣象條件作為設(shè)計點。

1.2發(fā)電量計算流程圖

在年發(fā)電量計算中，除太陽輻照資源和氣象是不可變的因素外，其余量均是可變的。計算年發(fā)電量的關(guān)鍵點在于確定集熱場功率，它包括確定聚光場面積和吸熱器功率。聚光過程與吸熱、儲熱、換熱和發(fā)電是耦合的，需要幾個因素同時在系統(tǒng)能量平衡的基礎(chǔ)上計算。在典型時刻，例如設(shè)計點處，聚光場面積取決于汽輪機額定輸入和儲熱器額定輸入以及電站在設(shè)計點的運行模式。一般要求是，在設(shè)計點，聚光場提供能量給吸熱器，吸熱器輸出的功率應(yīng)不小于汽輪機的額定輸入與儲熱器額定輸入之和，這時的電站基本保證白天滿負荷發(fā)電和夜間數(shù)小時發(fā)電。此時儲熱器額定輸入功率應(yīng)為儲熱器的容量除以儲熱器充熱運行時數(shù)。

圖1所示為年發(fā)電量計算過程。給定太陽能輻照DNI設(shè)計點和氣象條件以及汽輪機額定功率，然后假設(shè)一個聚光場面積，將聚光場的輸出作為吸熱器的輸入，吸熱器的輸出功率應(yīng)等于汽輪機和儲熱器需要的額定輸入功率之和。如果該條件不滿足，那么需要重新假設(shè)聚光場面積，直到滿足要求。

步驟一:給定設(shè)計點輻照和氣象條件，同時給定汽輪機額定功率PTURBINE。

步驟二:假定聚光場面積A。

步驟三:按照設(shè)計點時系統(tǒng)各單元的能量平衡，計算設(shè)計點的電站輸出功率，并進行迭代復(fù)合計算。

圖1　發(fā)電量計算流程圖

計算年發(fā)電量的基本思路是：在給定的地理位置、氣象條件、太陽輻照條件、汽輪機容量和儲熱容量下，確定聚光場面積和太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的年平均發(fā)電效率，近而確定太陽能集熱場的面積。在太陽能集熱場面積確定后，即可根據(jù)聚光效率、吸熱器效率和發(fā)電效率等計算出系統(tǒng)效率，然后計算得出系統(tǒng)年發(fā)電量。

2發(fā)電量計算模型

根據(jù)槽式太陽能發(fā)電子系統(tǒng)分類，將發(fā)電量計算分解為太陽能資源模型、集熱系統(tǒng)模型、蒸發(fā)及發(fā)電系統(tǒng)模型、儲熱系統(tǒng)模型、光熱電站發(fā)電量4個模塊。

2.1太陽能資源模型

太陽能資源模型主要針對光熱電站對可利用的太陽能資源進行分析，主要分析指標為太陽能水平面總輻射量(GHI)以及法向DNI。目前國內(nèi)氣象站一般均不做DNI和水平面直射分量的測量，僅提供水平面總輻射量，因此需要對總輻射量進行直、散分離。

2.1.1太陽能輻射量計算

某一時刻，地面水平面總輻射量(It)主要由直接輻射(Ib)、散射輻射(Id)兩部分組成，即

It=Ib+Id

(1)

(2)

式中τb——太陽直接輻射透明度系數(shù)；τd——太陽散射輻射透明度；θ——太陽光入射角；α——太陽高度角；β——傾斜面傾角。

τb=0.56(e-0.56AMh+e-0.95AMh)

(3)

τd=0.271-0.294τb

(4)

根據(jù)水平面直射分量Ib以及天文對應(yīng)關(guān)系，可計算得出即為太陽能法向直接輻射照度。

2.1.2太陽能代表年輻射量計算

收集光熱發(fā)電站站址處連續(xù)1個完整年以上的逐時水平面總輻射量以及站址所在地附近長期觀測氣象站近10～30年的逐月輻射資料和站址收集數(shù)據(jù)同時段的完整年逐時水平面總輻射量數(shù)據(jù)。

站址所在地代表年逐時總輻射數(shù)據(jù)可通過對站址所在地與長期氣象站數(shù)據(jù)相關(guān)性分析后，對站址所在地完整年逐時水平面總輻射量修正計算得到。計算公式如下：

(5)

其中，Iti為第i月站址所在地代表年逐時總輻射量；I0i為站址所在地第i月的逐時水平面總輻射量；QMi為長期觀測氣象站近10～30年的第i月總輻射量；Q0i為站址所在地完整年第i月水平面總輻射量，Q0i=∑I0i；i為1～12月份；ai及bi為站址所在地及長期觀測站同時間段逐月水平面總輻射量相關(guān)性系數(shù)，利用最小二乘法計算求出：

(6)

bi=Q0i-aiQMi

(7)

式中Q0i——站址所在地完整年第i月水平面總輻射量平均值；

QMi——長期觀測氣象站近10～30年的第i月總輻射量平均值。

通過以上對場址所在地完整年逐時數(shù)據(jù)的修正，得出場址所在地代表年逐時數(shù)據(jù)，此值即為代表年逐時太陽能水平面總輻射量(GHI)，近而計算得出逐時太陽能法向直接輻射照度。

2.2集熱系統(tǒng)模型

2.2.1集熱管傳熱模型

太陽輻射能到達金屬吸熱管后，一部分能量由金屬吸收管外皮通過導(dǎo)熱的方式傳入金屬吸收管內(nèi)壁，金屬吸收管內(nèi)壁與導(dǎo)熱介質(zhì)通過對流換熱，另一部分能量通過支架結(jié)構(gòu)散熱給環(huán)境，以及玻璃套管向環(huán)境散失。本報告基于集總參數(shù)法，對槽式集熱器的金屬吸熱管傳熱流體建立模型，表達式為：

(8)

式中Tfo——槽式集熱器傳熱流體出口溫度；

Tfi——槽式集熱器傳熱流體進口溫度；

S——太陽法向直射輻照度垂直于槽式集熱器采光平面并且將會被金屬吸熱管外避免吸收的部分；

τ——時間。

2.2.2光學(xué)模型

光學(xué)模型是基于太陽法向直射輻照度垂直于槽式集熱器采光平面并且將會被金屬吸熱管外避免吸收的部分展開研究，該模型涉及反光鏡光學(xué)損失系數(shù)和集熱元件光學(xué)損失系數(shù)。反光鏡光學(xué)損失系數(shù)包括反光鏡反射率、追蹤損失系數(shù)、幾何準確度系數(shù)和反光鏡潔凈度系數(shù)，這四項分別反映了集熱場在實際運行中由于結(jié)構(gòu)準確度、反光鏡形狀、鍍膜質(zhì)量以及灰塵等原因產(chǎn)生的各種光學(xué)損失；集熱元件光學(xué)損失系數(shù)包括玻璃管潔凈度系數(shù)、玻璃管透射率、玻璃管反射率、玻璃管發(fā)射率、密封頭損失系數(shù)、金屬涂層吸收率系數(shù)以及其他損失系數(shù)，這七項分別反映了集熱器場在實際運行中由于集熱元件本身的物性、灰塵覆蓋、密封頭遮擋、金屬涂層老化以及不確定因素等原因引起的損失。

集熱系統(tǒng)模型主要針對光熱鏡場所吸收的太陽輻射熱量進行分析?？杀硎緸椋?/p>

Si=IbiηoptηK1

(9)

其中，Ibi為場址所在地代表年太陽能法向直接輻射照度(DNI)；

入射角修正系數(shù)：

K1=cosθ+0.000 848θ-0.000 053 69θ2

(10)

2.2.3散熱模型

集熱系統(tǒng)的散熱模型主要以真空管散熱損失為主。真空管散熱損失由于涉及真空、透明體玻璃管和膜層隨溫度的變物性，真空管熱損的計算較為困難，一般均采用實驗測量方法獲得。本報告真空管散熱損失模型采用SCHOTT的真空管的熱損系數(shù)測試數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)進行建模分析。表1為SCHOTT PTR70真空管熱損系數(shù)，根據(jù)吸熱管與環(huán)境的溫差值以及熱損系數(shù)，擬合出熱損曲線及公式見圖1。

表1　SCHOTT PTR70真空管熱損系數(shù)測定值

圖1　熱損系數(shù)擬合曲線

2.3換熱及發(fā)電系統(tǒng)模型

根據(jù)熱力系統(tǒng)，從集熱系統(tǒng)出來，導(dǎo)熱油通過換熱器產(chǎn)生高溫過熱蒸汽。其中主要效率損失包括油、汽管路系統(tǒng)損失，換熱設(shè)備效率損失。

(1)油、汽管道散熱損失

油、汽管道散熱損失量將根據(jù)管道保溫厚度、管徑以及保溫傳熱系數(shù)等參數(shù)計算所得：

(11)

式中T1——管道內(nèi)溫度；T∞——環(huán)境溫度；r1——管道內(nèi)徑；r2——內(nèi)層保溫半徑；r3——外層保溫半徑；L——管長；hc,1——管道內(nèi)流體傳熱系數(shù)；hc,3——管道外環(huán)境傳熱系數(shù)；λa——內(nèi)層保溫傳熱系數(shù)；λb——外層保溫傳熱系數(shù)。

(2)換熱設(shè)備效率損失

導(dǎo)熱油依次通過四級過熱器和高壓蒸汽發(fā)生器、高溫?zé)崴畵Q熱器、低溫?zé)崴畵Q熱器，根據(jù)現(xiàn)有制造水平，各換熱器效率取95%。

(3)發(fā)電系統(tǒng)模型

蒸汽進入汽輪機推動發(fā)電機做功，做功后的乏汽通過凝汽器排放。其中主要效率損失包括汽輪機冷源損失，汽輪機機械效率損失，發(fā)電機效率損失等。本報告將根據(jù)收集到的汽輪機數(shù)據(jù)，擬合出各工況下發(fā)電功率及發(fā)電效率曲線。以50 MW汽輪機為例，擬合功率—效率曲線及公式：

圖2　50 MW汽輪機發(fā)電效率隨功率變化曲線

儲熱系統(tǒng)將根據(jù)設(shè)計的汽輪發(fā)電機組裝機容量和蓄熱時間，通過機組的熱平衡，求得在T1時間內(nèi)汽輪發(fā)電機組運行所消耗的熱量Q0。在放熱過程中，熔鹽罐中所儲存的鹽全部從熱鹽罐經(jīng)油-鹽換熱器放熱后進入冷鹽罐，導(dǎo)熱油在油-鹽換熱器重吸收熱量溫度升高，然后加熱水或蒸汽，推動汽輪機運轉(zhuǎn)。蓄熱時間為T1的儲熱裝置最少吸收熱量Q1可計算為：

(12)

其中，Pe為太陽能熱電站裝機容量；T1為儲熱時間；ηe為汽輪機組額定工況下絕對效率；η1為儲熱系統(tǒng)放熱過程效率。

2.4光熱電站發(fā)電量計算

根據(jù)太陽輻射資源分析所確定的廠址所在地代表年法向逐時太陽能直射輻射總量(DNI)，結(jié)合主要設(shè)備類型案，進行太陽能電站年發(fā)電量估算。

光熱發(fā)電站年平均發(fā)網(wǎng)電量Ep計算如下：

Ep=EJr+EBr

(13)

EJr=HJ×(1+C×ηCr)×ηGd×ηH×ηQj

(14)

EBr=HBr×ηBg×ηGd×ηQj

(15)

HJ=∑Si×nSJ×ηG×ηQ

HBr=B×Qnet

式中Ep——多年平均發(fā)電量，kWh；EJr——太陽能集熱器驅(qū)動汽輪機發(fā)電的平均發(fā)電量，kWh；EBr——補燃鍋爐驅(qū)動汽輪機發(fā)電的平均發(fā)電量，kW·h；HJ——集熱器集熱量，kWh；HBr——余熱鍋爐補燃所輸入的熱量，kWh；HCr——儲熱量，kWh；SJ——單臺集熱器有效反射鏡面積，m2；n——集熱器數(shù)量；C——儲熱比例；ηG——光照有效系數(shù)；ηK——太陽能發(fā)電系統(tǒng)可用率；ηCr——儲熱效率；ηQ——棄光損失效率；ηGd——管路系統(tǒng)熱損失效率；ηH——換熱設(shè)備效率；ηBg——補燃鍋爐效率；ηQj——汽輪機效率；B——燃料耗量，Nm3/h；Qnet——燃料低位熱值，kJ/Nm3。

以青海某地一個50 MW的槽式太陽能光熱發(fā)典系統(tǒng)為例計算發(fā)電量，該系統(tǒng)包括51.24萬

m2槽式太陽能集熱系統(tǒng)+130 MW蒸汽發(fā)生系統(tǒng)+1臺50 MW汽輪發(fā)電機組+3 h儲熱系統(tǒng)+3臺25 MW導(dǎo)熱油鍋爐，計算結(jié)果見表2。

表2　理論發(fā)電量計算

3結(jié)論

本文主要基于目前較為成熟的槽式發(fā)電技術(shù)著重對發(fā)電量計算進行了深入的研究，研究了槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)各模塊計算模型以及相應(yīng)的計算公式和取值依據(jù)，從太陽能光照資源出發(fā)，綜合考慮集熱系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、儲熱系統(tǒng)以及常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)各環(huán)節(jié)效率及折減因素，研究建立了一套太陽能槽式發(fā)電量計算模型，形成了一個完整的太陽能槽式光熱系統(tǒng)發(fā)電量計算方法，并通過一個典型工程案例對項目的系統(tǒng)發(fā)電量進行了計算。本文提出的計算方法主要基于現(xiàn)有理論進行公式推導(dǎo)得出，下一步需要根據(jù)已經(jīng)成功運行的光熱電站的實測數(shù)據(jù)進行驗證，然后逐個進行參數(shù)取值的偏差分析，以期得到更加準確切合實際運行的計算參數(shù)和修正系數(shù)，為光熱發(fā)電項目前期咨詢及后期運行預(yù)測數(shù)據(jù)提供參考。

參考文獻：

[1]黃素逸，黃樹紅，等.太陽能熱發(fā)電原理及技術(shù)[M].北京：中國電力出版社，2012.

[2]王志峰，等.太陽能熱發(fā)電站設(shè)計[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

[3]何梓年，等.太陽能熱利用[M].合肥：中國科技大學(xué)出版社，2008.

(本文編輯：楊林青)

Research on Calculation of Solar Thermal Power Generation

FENG Yun-gang，CUI Yun，JIANG Hao

(ShanghaiElectricPowerDesignInsituteCo.,Ltd.,Shanghai200021,China)

Abstract:For parabolic trough solar thermal power generation system, based on the aspects of optics, mechanics, heat transfer, material science theory knowledge, from the solar energy resources of, considering the set a heating system, heating system, heat storage system and conventional power system the link efficiency and fold reduction factors, study the establishment of the parabolic trough solar power generation capacity of a calculation model, for solar thermal power generation is currently consulting and late forecast data to provide a refence.

Key words:solar thermal power generation; power generation calculation; model; DNI

DOI：10.11973/dlyny201601021

作者簡介：馮云崗(1981)，男，碩士，高級工程師，從事新能源發(fā)電設(shè)計。

中圖分類號：TM615

文獻標志碼：A

文章編號：2095-1256(2016)01-0093-05

收稿日期：2015-10-21