張春琳，周志偉，陳 昕，祝培旺，肖 剛，聶 婧

（1.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院有限公司，湖北 武漢 430071；2.浙江大學(xué)能源清潔利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310027）

太陽(yáng)輻射到地球的總能量約合91 萬(wàn)億標(biāo)準(zhǔn)煤，其中陸地上可利用能量約8.7 萬(wàn)億標(biāo)準(zhǔn)煤[1]。太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)先將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為熱能，然后通過(guò)汽輪機(jī)或其他熱功轉(zhuǎn)換裝置發(fā)電，該技術(shù)可耦合大規(guī)模低成本儲(chǔ)熱，實(shí)現(xiàn)持續(xù)穩(wěn)定出力，開(kāi)發(fā)潛力巨大。根據(jù)聚光方式的不同，太陽(yáng)能熱發(fā)電主要分為槽式、塔式、線性菲涅爾式和碟式等[2]。

在太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)中，槽式熱發(fā)電是最早實(shí)現(xiàn)商業(yè)化的技術(shù)形式，其采用線聚光的方式，通過(guò)槽式集熱器匯聚太陽(yáng)光，加熱集熱管中傳熱工質(zhì)；但受傳熱工質(zhì)和聚光比的限制，其運(yùn)行溫度一般小于400 ℃，系統(tǒng)效率較低[3]。塔式熱發(fā)電采用點(diǎn)聚光方式，通過(guò)眾多定日鏡將太陽(yáng)光匯聚到固定在塔上的吸熱器以加熱傳熱工質(zhì)。該技術(shù)聚光比可達(dá)300～1 200，系統(tǒng)運(yùn)行溫度和效率較高[1]。

太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)中鏡場(chǎng)的投資較大，占比約為50%[4]，鏡場(chǎng)優(yōu)化研究具有重要意義。在塔式光熱發(fā)電鏡場(chǎng)中，距離吸熱塔遠(yuǎn)端的定日鏡，光學(xué)效率較低，限制了系統(tǒng)的發(fā)電效率和電站容量[5]。而槽式集熱器為模塊化設(shè)計(jì)，各模塊相對(duì)獨(dú)立，光學(xué)效率幾乎不會(huì)受規(guī)模的影響。塔槽耦合的太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)有望降低鏡場(chǎng)成本，提高系統(tǒng)效率。Li X 等[6]利用SAM 軟件對(duì)裝機(jī)容量為50 MW 和100 MW 的太陽(yáng)能熱電廠進(jìn)行了效率分析，發(fā)現(xiàn)低緯度地區(qū)塔式電站效率低于槽式電站，而高緯度地區(qū)相反。Pan C A等[7]對(duì)熔鹽槽式光熱系統(tǒng)、熔鹽塔式光熱系統(tǒng)和導(dǎo)熱油槽式光熱系統(tǒng)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)分析，發(fā)現(xiàn)前兩者的平準(zhǔn)發(fā)電成本（levelized cost of electricity，LCOE）和容量因子都優(yōu)于后者。閆曉宇等[5]建立了一種新型塔槽耦合太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了典型年8 760 h 的模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)塔槽耦合系統(tǒng)在一定條件下具有更高的年平均發(fā)電效率與發(fā)電量。Han W 等[8]提出了一種集成塔式吸熱器的槽式光熱電站，利用槽式集熱器產(chǎn)生飽和蒸汽，再通過(guò)塔式吸熱器加熱為540 ℃的過(guò)熱蒸汽，并通過(guò)仿真發(fā)現(xiàn)該集成系統(tǒng)熱效率可達(dá)24.7%。Rendón 等人[9]提出并分析了槽式光熱電站改造的方案，發(fā)現(xiàn)塔槽耦合鏡場(chǎng)在一定條件下是具有經(jīng)濟(jì)效益的。

本文提出將塔式光熱鏡場(chǎng)中距離較遠(yuǎn)且光學(xué)效率相比較低的定日鏡替換為槽式集熱器，新增中溫熔鹽儲(chǔ)罐，進(jìn)而將塔式和槽式光熱鏡場(chǎng)有效耦合起來(lái)，提高鏡場(chǎng)的年均光學(xué)效率；并采取蒙特卡洛光線追跡法，分析鏡場(chǎng)光學(xué)效率，優(yōu)化塔槽耦合方案，為太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)發(fā)展提供有效參考。

1 模型建立

1.1 塔槽耦合系統(tǒng)方案

將塔式光熱鏡場(chǎng)中距離較遠(yuǎn)且光學(xué)效率相對(duì)較低的定日鏡替換為槽式集熱器，基于塔式和槽式光熱鏡場(chǎng)的能量比例，優(yōu)化塔式與槽式鏡場(chǎng)布置方案，進(jìn)而提高鏡場(chǎng)的年均光學(xué)效率。塔槽耦合系統(tǒng)示意如圖1 所示。集熱系統(tǒng)利用槽式光熱鏡場(chǎng)的導(dǎo)熱油加熱低溫熔鹽，實(shí)現(xiàn)熔鹽293～385 ℃的第一段溫升；塔式光熱鏡場(chǎng)加熱中溫熔鹽，實(shí)現(xiàn)熔鹽385～565 ℃的第二段溫升。

圖1 塔槽耦合系統(tǒng)示意Fig.1 Schematic diagram of the tower trough coupled solar thermal power generation system

1.2 塔式鏡場(chǎng)仿真

采用SOLARPILOT 軟件對(duì)定日鏡場(chǎng)進(jìn)行鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)與優(yōu)化，探究輻射網(wǎng)格式塔式定日鏡場(chǎng)與槽式鏡場(chǎng)耦合的光學(xué)效率特性。

鏡場(chǎng)光學(xué)效率是衡量光熱電站能量收集性能的重要指標(biāo)，鏡場(chǎng)年均光學(xué)效率ηannual可以表示為[10]：

式中：ηins(t)為全鏡場(chǎng)各時(shí)刻瞬時(shí)光學(xué)效率。

采用MATLAB 軟件對(duì)定日鏡場(chǎng)進(jìn)行仿真，探究塔式定日鏡場(chǎng)光學(xué)效率的變化，鏡場(chǎng)光線如圖2所示。基于蒙特卡洛光線追跡法生成并追蹤大量隨機(jī)光線，分析鏡場(chǎng)光學(xué)效率及光斑分布情況。定日鏡光學(xué)效率的計(jì)算可以表示為[11]：

圖2 鏡場(chǎng)光線示意Fig.2 Schematic diagram of heliostat field light

式中：η為定日鏡瞬時(shí)光學(xué)效率；ηref為定日鏡有效反射率；ηcos為定日鏡余弦效率；ηair為定日鏡大氣衰減效率；ηint為定日鏡截?cái)嘈?；ηs為定日鏡陰影遮擋效率。

1）余弦效率 由太陽(yáng)入射光線和鏡面法向量之間的夾角引起。余弦效率的計(jì)算需要2 個(gè)單位向量：由定日鏡中心指向太陽(yáng)方向的太陽(yáng)向量s；由定日鏡中心指向塔頂集熱器的塔向量t。于是余弦效率可以計(jì)算為：

2）大氣衰減效率 由于大氣分子的散射作用，來(lái)自定日鏡的分子反射光線會(huì)產(chǎn)生一定程度的衰減，由此引起大氣衰減損失。大氣衰減效率與定日鏡與集熱器之間的距離成正相關(guān)，可以表示為如下分段函數(shù)：

式中：D為定日鏡與塔頂集熱器之間的距離。

3）陰影遮擋效率[12]當(dāng)入射到或反射自某定日鏡的太陽(yáng)光線被相鄰的其余定日鏡阻擋時(shí)，分別發(fā)生陰影損失和遮擋損失，共同構(gòu)成定日鏡效率的陰影遮擋損失。

4）截?cái)嘈?由于定日鏡跟蹤精度、太陽(yáng)形狀和定日鏡表面不平整度等因素的影響，僅有部分反射光線可以順利達(dá)到集熱器，由此引起定日鏡截?cái)鄵p失。

5）反射率和清潔度 定日鏡反射率由定日鏡鏡面材料決定，定日鏡的清潔程度由電站的實(shí)際運(yùn)行管理水平?jīng)Q定。

基于蒙特卡洛光線跟蹤的仿真算法流程如圖3所示。

圖3 基于蒙特卡洛光線跟蹤的仿真算法流程Fig.3 Flow chart of simulation algorithm based on Monte Carlo ray tracking

1.3 槽式鏡場(chǎng)仿真

槽式集熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型對(duì)光熱發(fā)電系統(tǒng)的能量利用率及經(jīng)濟(jì)性具有重大影響[13]。槽式集熱器主要有LS-1 集熱器、LS-2 集熱器、LS-3 集熱器、ET100 集熱器、ET-150 集熱器、SKAL-ET 集熱器、E2 集熱器、SENER Trough 集熱器、Heilo Trough 集熱器和Ultimate Trough 集熱器等。其中，ET-150 集熱器因具有變形較小，驅(qū)動(dòng)器和聯(lián)接器的數(shù)量較少，熱損失和總成本較低，易于安裝和運(yùn)行維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用[14]。本文的槽式集熱器選用水平南北向布置，單軸跟蹤。

槽式鏡場(chǎng)光學(xué)效率為投射到金屬吸熱管上的太陽(yáng)輻射能與投射在整個(gè)鏡場(chǎng)上的能量比值，可由下式表示[15]：

式中：ηtracker為集熱器跟蹤誤差修正系數(shù)；ηgeo為集熱器反射鏡的幾何精度；ηref為鏡面反射率，與鏡面材料等因素有關(guān)；ηclean為鏡面清潔度，與環(huán)境條件、鏡面清理方式有關(guān)；ηendloss為末端損失矯正系數(shù)；ηshadow為行間陰影損失效率；ηcos余弦效率；ηIAM入射角修正系數(shù)。

式中：f為集熱器的焦距，m；l為集熱器的長(zhǎng)度，m；L為集熱器列間距，m；W為集熱器的開(kāi)口寬度，m；θz為太陽(yáng)天頂角，°；θ為太陽(yáng)入射角，°；ηdust為吸熱管灰塵損失；θtras為玻璃管透射率。

1.4 塔槽耦合基準(zhǔn)

保持耦合前后聚光集熱系統(tǒng)能量不變，耦合前后塔式鏡場(chǎng)與槽式鏡場(chǎng)的能量關(guān)系如下：

式中：ηtower1為耦合前塔式鏡場(chǎng)的光學(xué)效率；ηtower2為塔式鏡場(chǎng)耦合后的光學(xué)效率；ηtrough為槽式鏡場(chǎng)的光學(xué)效率；ηabs_tower和ηabs_trough分別為塔式吸熱器的熱效率和槽式集熱管的熱效率，假定兩者分別為0.88 和0.84。

根據(jù)耦合后塔式鏡場(chǎng)和槽式鏡場(chǎng)提供的熔鹽溫升得出塔式吸熱器和槽式集熱管的能量比值為：

式中：Csalt為熔融鹽比熱容，與熔融鹽溫度有關(guān)，J/(kg·℃）；msalt為熔鹽流量，本文假定流經(jīng)槽式鏡場(chǎng)的熔鹽流量與流經(jīng)塔式鏡場(chǎng)的熔鹽流量相等，kg/s；ηoil_salt為油鹽換熱器效率，本文中為0.999；ΔT1為熔鹽在槽式集熱管中的溫升，ΔT1=385-293=92 2 ℃；ΔT2為熔鹽在塔式吸熱器中的溫升，ΔT2=565-385=180 ℃；設(shè)計(jì)點(diǎn)太陽(yáng)直接輻射強(qiáng)度DNI（direct normal irradiance）為760 W/m2。

將鏡場(chǎng)劃分為32 個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域按照鏡場(chǎng)效率由高到低進(jìn)行排序，優(yōu)先選擇光學(xué)效率高的定日鏡，當(dāng)吸熱器上能流密度達(dá)到設(shè)計(jì)值時(shí)停止選擇定日鏡，算法流程如圖4 所示。

圖4 塔槽鏡場(chǎng)耦合流程Fig.4 Coupling flow of tower trough heliostat field

2 系統(tǒng)模擬

2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)參數(shù)、塔式鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)、槽式鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表1—表3。

表1 總體設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.1 Overall design parameters

表2 塔式鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.2 Design parameters of tower heliostat field

表3 槽式鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.3 Design parameters of trough heliostat field

2.2 性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

鏡場(chǎng)光學(xué)效率是衡量光熱電站能量收集性能的重要指標(biāo)，忽略瞬時(shí)輻照強(qiáng)度的影響，塔式及槽式鏡場(chǎng)年均光學(xué)效率均可以表示為：

式中：ηins(t)為全鏡場(chǎng)各時(shí)刻的瞬時(shí)光學(xué)效率。

耦合后鏡場(chǎng)的光學(xué)效率可以表示為：

2.3 模擬結(jié)果

采用SolarPILOT 軟件進(jìn)行鏡場(chǎng)布局與優(yōu)化，得到13 445 面定日鏡組成的鏡場(chǎng)布局如圖5 所示。采用MATLAB 仿真軟件對(duì)全年8 760 h 進(jìn)行逐時(shí)模擬，太陽(yáng)高度角5°以下的時(shí)陰影遮擋嚴(yán)重，不進(jìn)行計(jì)算，模擬結(jié)果見(jiàn)表4，年均光學(xué)效率分布如圖6和圖7 所示。

圖5 鏡場(chǎng)布局Fig.5 Layout of heliostat field

圖6 塔式鏡場(chǎng)年均光學(xué)效率分布Fig.6 Annual average optical efficiency distribution of tower heliostat field

圖7 塔槽耦合鏡場(chǎng)年均光學(xué)效率分布Fig.7 Annual average optical efficiency distribution of tower-trough coupled heliostat field

表4 耦合前后模擬結(jié)果Tab.4 Simulation results before and after coupling

3 耦合鏡場(chǎng)性能分析

3.1 塔高的影響

塔式鏡場(chǎng)的光學(xué)效率隨著塔高的升高而增加。槽式南北布置方式的鏡場(chǎng)光學(xué)效率均高于塔式，但聚光較低，集熱溫度不高。塔槽耦合鏡場(chǎng)的光學(xué)效率比單純塔式鏡場(chǎng)高出3.04～3.48 百分點(diǎn)。耦合鏡場(chǎng)的光學(xué)效率隨著塔高的增加而提高，這是因?yàn)樗咴礁?，定日鏡之間的陰影和遮擋損失越小。塔槽耦合前后鏡場(chǎng)光學(xué)效率如圖8 所示。

圖8 塔槽耦合前后鏡場(chǎng)光學(xué)效率Fig.8 Optical efficiency of heliostat field before and after tower-trough coupling

由圖8 可見(jiàn)，隨著塔高增高，塔式鏡場(chǎng)光學(xué)效率與槽式的差異縮小，塔槽耦合鏡場(chǎng)的光學(xué)效率提升不明顯。耦合鏡場(chǎng)塔槽面積比及單位面積能量如圖9 所示。由圖9 可知，塔式鏡場(chǎng)效率越高，所需的塔式鏡場(chǎng)面積越小，塔槽面積比越低。

圖9 耦合鏡場(chǎng)塔槽面積比及單位面積能量Fig.9 Area ratio and energy per unit area of heliostat field of the tower-trough coupled system

3.2 緯度的影響

選擇三亞（18°N，109°E）、拉薩（30°N，91°E）和玉門（40°N，97°E）3 個(gè)具有代表性的地點(diǎn)，分析塔式、槽式以及塔槽耦合系統(tǒng)鏡場(chǎng)性能。3 個(gè)地點(diǎn)年平均光學(xué)效率如圖10 所示，年平均光學(xué)效率均隨緯度的上升而下降，這是由于緯度越高，鏡場(chǎng)余弦損失越大，導(dǎo)致光學(xué)效率越低。

圖10 3 個(gè)系統(tǒng)光學(xué)效率Fig.10 Optical efficiency of the three systems

假定塔式熔鹽吸熱器的熱效率為0.880，槽式集熱管的熱效率為0.840，熔鹽儲(chǔ)熱系統(tǒng)的效率為0.980，油鹽換熱器的效率為0.999，蒸汽發(fā)生系統(tǒng)的效率為0.980，槽式光熱系統(tǒng)的汽輪機(jī)效率為0.393，塔式光熱系統(tǒng)的汽輪機(jī)效率為0.446，發(fā)電機(jī)效率為0.985 時(shí)，槽式、塔式及耦合鏡場(chǎng)的光電效率如圖11 所示。由圖11 可見(jiàn)：在三亞（18°N）塔槽耦合鏡場(chǎng)的光電效率比單純塔式光熱系統(tǒng)提高了12.99%，比單純槽式光熱系統(tǒng)提高20.42%；在拉薩（30°N）比單純塔式光熱系統(tǒng)提高11.38%，比單純槽式光熱系統(tǒng)提高22.07%；在玉門（40°N）比單純塔式光熱系統(tǒng)提高5.57%，比單純槽式光熱系統(tǒng)提高17.99%。

圖11 3 個(gè)系統(tǒng)光電效率Fig.11 Photoelectric efficiency of the three systems

3.3 系統(tǒng)容量的影響

塔槽式耦合儲(chǔ)熱太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)結(jié)合了塔式與槽式熱發(fā)電技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，提高了鏡場(chǎng)的光學(xué)效率，有效提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。隨著系統(tǒng)容量的增加，鏡場(chǎng)面積增加，遠(yuǎn)塔處定日鏡效率的降低，當(dāng)系統(tǒng)容量增加到一定程度時(shí)，塔槽耦合光熱系統(tǒng)的光電效率會(huì)與純槽式光熱電站的光電效率相等，甚至更低，因此有必要尋找塔槽耦合的適用范圍。

以玉門某塔高260 m 的塔式光熱鏡場(chǎng)為例，分析100、150、200 MW 光熱系統(tǒng)的年均光學(xué)效率及光電效率，結(jié)果如圖12 和圖13。由圖12 和圖13可見(jiàn)，系統(tǒng)容量越大，塔式光熱系統(tǒng)的光學(xué)效率下降越明顯，當(dāng)系統(tǒng)容量增加到200 MW 時(shí)，塔槽耦合系統(tǒng)的光電效率僅略高于純槽式光熱系統(tǒng)。如果繼續(xù)增大系統(tǒng)容量，鏡場(chǎng)光學(xué)效率會(huì)進(jìn)一步下降，塔槽耦合系統(tǒng)的光電效率將小于純槽式光熱系統(tǒng)。因此，在上述條件下，100～200 MW 是塔槽耦合的適用規(guī)模范圍。

圖13 光電效率隨系統(tǒng)容量的變化Fig.13 Variation of photoelectric efficiency with system capacity

4 結(jié)論

針對(duì)太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)規(guī)?；男枨?，本文提出塔槽式耦合儲(chǔ)熱太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)，將塔式鏡場(chǎng)中距離較遠(yuǎn)且光學(xué)效率相比較低的定日鏡替換為槽式集熱器，提高了鏡場(chǎng)的年均光學(xué)效率。

1）塔槽耦合太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的全年鏡場(chǎng)光學(xué)效率可達(dá)50.65%，比單純塔式鏡場(chǎng)提高了3.04%。塔高為260、220、180 m 的塔槽面積比分別為2.22、2.27、2.35。

2）塔槽耦合太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的光電效率在緯度18°、30°和40°下均優(yōu)于單純塔式或單純槽式系統(tǒng)。18°緯度下，耦合系統(tǒng)的光電效率分別比單純塔式和單純槽式提高12.99%和20.42%；30°緯度下，耦合系統(tǒng)的光電效率分別比單純塔式和單純槽式提高11.38%和22.07%；40°緯度下，分別提高5.57%和17.99%?？梢?jiàn)，塔槽耦合的布置方式可有效提高系統(tǒng)光電效率。

3）以玉門某塔高260 m 的塔式光熱鏡場(chǎng)為例，塔槽耦合光熱系統(tǒng)適宜容量為100～200 MW。