王豫昊

（華北水利水電大學(xué) 河南省鄭州市 450000）

當(dāng)前我國太陽能太熱光電光伏發(fā)熱系統(tǒng)技術(shù)從一定很大程度上處于影響光伏光熱發(fā)電產(chǎn)業(yè)為主的我國太陽能發(fā)電領(lǐng)域，按照對EIEA 的長期預(yù)測，在2030年以后我國太陽光熱光伏發(fā)電裝機(jī)時長將首次達(dá)到裝機(jī)規(guī)模29GW，2050年以后我國的光熱光伏發(fā)電系統(tǒng)裝機(jī)容量規(guī)模將首次達(dá)到125GW。2016年5月我國國家能源管理局正式發(fā)布國家太陽能熱光伏發(fā)電重點(diǎn)項(xiàng)目建設(shè)有關(guān)政策通知，入選首批2017年國家光熱光伏發(fā)電重點(diǎn)項(xiàng)目的企業(yè)共有20 個，裝機(jī)量達(dá)到1.3GW。在大型光伏加熱電站中通過直接引用其他光熱源為電站除熱，能夠有效實(shí)現(xiàn)電站出力的平穩(wěn)自動控制，從一定很大程度上可以降低新一代能源不足的確定性供給電力系統(tǒng)實(shí)時自動調(diào)度和日前實(shí)時調(diào)度系統(tǒng)形成的困難。太陽能熱發(fā)電具有可調(diào)風(fēng)，儲能經(jīng)濟(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)可持續(xù)性發(fā)電等特點(diǎn)，因此其成為可再生領(lǐng)域，研究學(xué)者高度重視這一方面。本研究以具體多能互補(bǔ)基地作為研究對象，針對含電加熱裝置及光熱電站的互補(bǔ)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)最大化收益為發(fā)展目標(biāo)，提出通過光熱電站度電成本，以進(jìn)行光加熱功率及儲熱時長的確定，能夠?yàn)楣鉄犭娬緝釙r長優(yōu)化分析提供重要參考。

1 文獻(xiàn)研究

過去采用光伏電站以及風(fēng)電場這種傳統(tǒng)新能源發(fā)電項(xiàng)目來說，相對光熱電站配置儲能系統(tǒng)在處于較高直接輻射條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)持續(xù)性發(fā)電并進(jìn)行熱量儲存，尤其在夜間用電高峰期時，能夠充分利用所儲存熱量來發(fā)電，確保發(fā)電站能夠持續(xù)運(yùn)行，為人們提供穩(wěn)定電能輸出。該光熱電站中配置儲熱裝置能夠?yàn)殡姛釁f(xié)同運(yùn)行提供新路徑，充分利用光熱電站可實(shí)現(xiàn)集成運(yùn)行，提升能源利用率。在多項(xiàng)研究中指出，光熱系統(tǒng)能夠與燒結(jié)余熱電站，大型或小型燃煤熱電廠，燃?xì)庹羝麩犭姀S的發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)合運(yùn)行，基本是構(gòu)成循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)。國內(nèi)研究學(xué)者提出新型風(fēng)熱裝置，能夠有效利用風(fēng)能將其聯(lián)合槽式光熱電站，進(jìn)一步構(gòu)建可再生能源，即風(fēng)光熱電站。針對分時電價微網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行條件下，進(jìn)一步構(gòu)建熱電風(fēng)電以及光伏聯(lián)合供電系統(tǒng)，儲能系統(tǒng)以及燃料電池的微網(wǎng)模型。

2 光熱電站配置電加熱裝置的原理分析

2.1 傳統(tǒng)太陽能熱發(fā)電站

過去塔式太陽能熱發(fā)電站是由吸熱裝置除熱裝置，發(fā)電系統(tǒng)，換熱系統(tǒng)以及聚光集熱系統(tǒng)構(gòu)成的，過去塔式熔鹽太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中能夠?qū)?90℃的熔鹽通過冷卻后將其送至吸熱器中，在吸熱器中能夠升溫至565℃，最后將熔鹽送入熱罐中，當(dāng)發(fā)電時熱鹽能夠經(jīng)過泵，進(jìn)入到蒸汽發(fā)生裝置中，進(jìn)而能夠形成過熱蒸汽，該蒸汽進(jìn)入到汽輪機(jī)以實(shí)現(xiàn)郎肯循環(huán)發(fā)電。通過放熱的熔鹽可進(jìn)入冷罐中再次循環(huán)。吸熱器的加熱過程對于配置電下熱裝置后，熔鹽在冷罐中，可通過泵將其送入電加熱裝置中，根據(jù)劉文飛等人提出了含電加熱裝置的光熱電站建模，在該項(xiàng)發(fā)明中針對風(fēng)力發(fā)電過程中存在的不確定性以及。新能源中國在接入光伏電網(wǎng)之后，存在一定的能源消納困難，且棄光棄電和風(fēng)棄電問題仍然比較嚴(yán)重，進(jìn)一步研究提出應(yīng)對含有光伏電加熱技術(shù)裝置的新型光伏加熱電站采用相關(guān)技術(shù)模型，將其與風(fēng)電場進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化之后，能夠構(gòu)建聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)，即風(fēng)電光熱發(fā)電系統(tǒng)?？紤]兩種發(fā)電的輸出功率在時間中具備的互補(bǔ)性，能夠運(yùn)用光熱電站儲能系統(tǒng)有效控制風(fēng)電出力平滑，抑制風(fēng)力觸電過程中存在的波動性，進(jìn)而減少風(fēng)電光熱聯(lián)合發(fā)電存在的處理波動，之后將一定容量電加熱裝置配置到光熱電站中，能夠有效將棄風(fēng)電能轉(zhuǎn)為熱能。

2.2 光熱電站

在光熱電站中將能量儲存在蓄熱系統(tǒng)，能夠有效增加發(fā)電量，提升風(fēng)電消納能力。采用這種系統(tǒng)其包含換熱裝置，發(fā)電系統(tǒng)，蓄熱系統(tǒng)以及聚光集熱系統(tǒng)和風(fēng)電場中的變流器，風(fēng)力發(fā)電機(jī)等。利用進(jìn)入聚光蓄能集熱發(fā)電系統(tǒng)之后能夠?qū)⑺枰盏臒崃刻柲芙?jīng)聚光換熱發(fā)電裝置系統(tǒng)加熱為其傳熱介質(zhì)，并將其熱能轉(zhuǎn)為剩余熱能后再進(jìn)入聚光發(fā)電裝置系統(tǒng)中，通過其在水中的加熱可以使其迅速形成含有過熱量的蒸汽，進(jìn)而可以能夠直接帶動過熱氣輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電，進(jìn)入聚光蓄熱發(fā)電系統(tǒng)之后能夠可直接進(jìn)行剩余熱量水的儲存，通過系統(tǒng)釋放出的熱量，能夠直接使加入的熱水迅速形成含有過熱量的蒸汽進(jìn)而能夠可直接帶動過熱汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行發(fā)電，將來在光熱光伏電站中沒有配置的水加熱發(fā)電裝置之后，能夠?qū)⒐鉄犸L(fēng)電場之中多余下的電能進(jìn)行轉(zhuǎn)化而成為剩余熱能，充分的的實(shí)現(xiàn)了在光熱光伏電站之中電與熱的雙向熱能轉(zhuǎn)換，合理利用棄風(fēng)電量。

系統(tǒng)存在4 種運(yùn)行狀態(tài)：

（1）在處于無風(fēng)無光照條件下，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)無法同時獲得系統(tǒng)啟動發(fā)電速度，而使得會容易出現(xiàn)系統(tǒng)停止聯(lián)合發(fā)電發(fā)熱問題，對于其他光熱聯(lián)合電站，僅僅是需通過系統(tǒng)釋放虛熱發(fā)電系統(tǒng)過程中的多余熱量將其電能轉(zhuǎn)為其他電能；

（2）在無風(fēng)或者有風(fēng)大光照的這種情況下，由于其他風(fēng)力蓄熱發(fā)電機(jī)使得無法同時達(dá)到一個相應(yīng)的系統(tǒng)啟動發(fā)電速度，會容易出現(xiàn)系統(tǒng)停止聯(lián)合發(fā)電發(fā)熱問題，在其他光伏發(fā)熱電站中使得能夠有效利用大量太陽能進(jìn)行輻射，經(jīng)過蓄熱發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行充熱和聯(lián)合放熱達(dá)到輸出最大功率；

（3）在處于有水大風(fēng)或者無風(fēng)的光照情況條件下，利用其他風(fēng)力發(fā)電機(jī)最大發(fā)熱功率，可實(shí)現(xiàn)輸出最大功率及電能利用方式風(fēng)電發(fā)熱攻略對于光伏發(fā)熱電站使得可通過蓄熱發(fā)電系統(tǒng)對其進(jìn)行聯(lián)合放熱，其中也可與其他風(fēng)電進(jìn)行聯(lián)合蓄熱發(fā)電；

（4）在處于有水無風(fēng)前熱和有風(fēng)無光照的這種條件下，如果其他風(fēng)電的輸出力較小，這種放熱情況條件下光伏發(fā)熱電站使得能夠通過蓄熱發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行放熱，進(jìn)而使得能夠有效提高其他聯(lián)合蓄熱發(fā)電發(fā)力系統(tǒng)的發(fā)熱輸出力和功率，如果在其他風(fēng)電聯(lián)合發(fā)力較大的這種情況下，可通過其他光熱協(xié)同電站的聯(lián)合蓄熱發(fā)電系統(tǒng)蓄熱以有效減少其他光熱聯(lián)合電站的輸出力，進(jìn)而能夠維持聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)輸出功率。

3 配置電加熱裝置后光熱儲能時長優(yōu)化分析

3.1 儲熱時長及電加熱功率優(yōu)化

當(dāng)前，在設(shè)計光熱電站過程中是通過本體儲熱系統(tǒng)最優(yōu)化，進(jìn)行除了時長的確定，而度電成本最低則為其最優(yōu)化目標(biāo)判斷依據(jù)。將光熱電站中配置電加熱裝置之后，這種多能互補(bǔ)系統(tǒng)蓄熱時長也會發(fā)生顯著變化，為能夠滿足棄電轉(zhuǎn)換相應(yīng)的熱量儲存要求，需結(jié)合電加熱功率，針對光電站的時長進(jìn)行合理優(yōu)化。從一定程度上來看，在確保儲熱時長不變時，電加熱功率會發(fā)生變化，進(jìn)而獲得光熱度電成本的變化曲線，在該曲線最低位置并加熱功率是最優(yōu)化的電加熱配置功率。不同儲能時長能夠與電加熱功率進(jìn)行對應(yīng)，進(jìn)而通過曲線能夠獲得該系統(tǒng)中最優(yōu)化的電加熱功率。

3.2 儲熱時長優(yōu)化思路

針對儲熱時長一定時，進(jìn)行電加熱功率計算，通過生產(chǎn)模擬，計算能夠獲得不同電加熱功率相應(yīng)光熱發(fā)電量，在計算光熱電站輸入成本時，需加入配置電加熱裝置的成本以及光熱電站的度電成本，在儲熱時程增加之后，需針對不同電價熱功率進(jìn)行光熱發(fā)電量的計算，設(shè)置光熱發(fā)電站的度電成本變化曲線，能夠以最低度電成本，相應(yīng)電加熱功率及儲熱時長作為最優(yōu)化參數(shù)。在上述優(yōu)化中，光熱電站配置電加熱裝置，在確定最優(yōu)化電加熱功率以及主要時長可主要分為三個環(huán)節(jié)：

（1）輸入初始參數(shù)，需要擬定光熱電站的添加熱功率相關(guān)參數(shù)以及初始時長相關(guān)參數(shù)；

（2）生產(chǎn)模擬，設(shè)置固定的儲熱時長，在處于不同電加熱功率下計算相應(yīng)發(fā)電量以及度電成本；

（3）輸出優(yōu)化方案以最低度電成本為目標(biāo)，輸出相應(yīng)電加熱功率以及除熱時長。

4 具體案例分析

在本研究中一某多能互補(bǔ)光熱電站基地作為研究對象，該基地風(fēng)電裝機(jī)光伏裝機(jī)光熱專機(jī)量分別為400MW，200MW，以及50MW，在該互補(bǔ)基地中組網(wǎng)能夠通過330kv1回電路進(jìn)行有效連接。利用歷史數(shù)據(jù)對光伏出力特性風(fēng)電出力特性進(jìn)行8760 小時數(shù)據(jù)預(yù)測獲得變化曲線，其中供熱機(jī)組運(yùn)用塔式熔鹽方法，在整個光熱電站中，太陽倍數(shù)為所有即熱聚光設(shè)備在投入使用之后吸熱器的輸出功率以及在處于額定負(fù)荷條件下，汽輪機(jī)運(yùn)行需要的熱功率比值，在該案例中選取2.8 作為太陽倍數(shù)，場地面積設(shè)置為66 萬平方米。

在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)參數(shù)計算過程中，該光熱電站初期投資成本為17億元，整個施工周期為2a，按照1.5%作為光熱電站的運(yùn)行維修費(fèi)用費(fèi)率，每增加一小時除額時長，那么會使該光熱電站投資成本增加0.15 億元。電陽能加熱器和光伏配電配套設(shè)備上網(wǎng)投資利用成本預(yù)測可按照每千瓦1000 元樣本進(jìn)行電價預(yù)測，按照2020年該地光伏發(fā)電標(biāo)桿及該地風(fēng)電企業(yè)上網(wǎng)平均電價統(tǒng)計數(shù)據(jù)樣本進(jìn)行有效電價預(yù)測，比如光伏標(biāo)桿上網(wǎng)以及該地風(fēng)電標(biāo)桿上網(wǎng)平均電價分別為0.65 和0.6 元每千瓦時，而該地光熱標(biāo)桿上網(wǎng)平均電價可按照1元每千瓦時，棄電電價為0。可通過上述電價進(jìn)行邊界條件計算，不同地區(qū)會存在一定差異。

（1）在固定儲熱時長中，優(yōu)化電加熱功率。在未配置并加熱裝置時上網(wǎng)電量達(dá)到1.8 千瓦時，其度電成本達(dá)到1.15 元每千瓦時，而將光熱電站中配置電加熱裝置且其功率為60MW，那么由電加熱所吸收的棄電量可達(dá)到0.3 億千瓦時，上網(wǎng)電量為11.9 億千瓦時，相比未引入電加熱裝置之后可增加0.09 億千瓦時，所消耗的度電成本為1.1 億每千瓦時，能夠降低度電成本達(dá)0.019 千瓦時。根據(jù)該結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，在固定儲熱時長之后，增加光熱電站的電加熱功率之后能夠使儲罐容量利用率顯著增加，同時會增加電加熱的吸收棄電電量，可顯著增加發(fā)電量，當(dāng)電加熱功率達(dá)120MW，這種情況下，其會從一定程度上受到儲罐容量因素的影響。保持電加熱吸收棄電量不變，那么整體上網(wǎng)電量也不會發(fā)生相應(yīng)的變化。然而需要注意，按照分類電價政策實(shí)施之后，由于光熱電源，風(fēng)電及光伏上網(wǎng)電價不同，其中電價最高的是光熱電源，棄電電價為0。

（2）在不同處熱時場下優(yōu)化光熱電站的電加熱功率。在處于不同程度的時常條件下，將光熱電站中配置電加熱功率達(dá)60MW此時能夠獲得最低的固定成本。在選擇12 小時和16 小時除熱時長時，對應(yīng)度電成本是最低的，但兩者數(shù)值接近。當(dāng)設(shè)置60MW 電加熱功率之后，選擇14 小時儲熱時長，此時能夠獲得最低的度電成本。根據(jù)該數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，將一定容量電加熱裝置配置在光熱電站中，兩者聯(lián)合運(yùn)行，這種情況下能夠充分運(yùn)用棄電將其轉(zhuǎn)為光熱電量，通過光熱電站儲熱裝置進(jìn)而能夠提高發(fā)電效率，增加發(fā)電量，有效降低度電成本。

5 小結(jié)

總而言之，針對當(dāng)前將電加熱裝置應(yīng)用于光熱電站中能夠有效減少棄風(fēng)棄電，充分進(jìn)行能源利用，然而光熱電站以及電加熱裝置兩者之間存在偶合性。在本研究中通過分析光熱電站中電加熱功率以及儲熱時長兩者之間的變化以及其對于度電成本產(chǎn)生的影響，進(jìn)而能夠獲得最低度電成本，相應(yīng)的電加熱功率以及除了時長將其作為函數(shù)優(yōu)化目標(biāo)。通過具體的案例分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)，聯(lián)合運(yùn)行并加入裝置以及光熱電站能夠有效運(yùn)用棄電，并將其轉(zhuǎn)為光熱電量，利用光熱電站進(jìn)行熱量儲存，能夠有效提升光熱發(fā)電站的運(yùn)行效率，增加發(fā)電量，降低度電成本，在使用14 小時儲能時長條條件下，將光熱電站中增加電加熱裝置，功率為60MW 此時能夠有效降低度電成本達(dá)1.1 元每千瓦時。