太陽能熱電廠蓄熱系統控制方案

摘 要：太陽能是一種清潔、可再生的能源，是今后化學能源的主要替代能源之一。太陽能熱發電是主要的太陽能利用方式。由于天氣、晝夜等不穩定因素，現階段太陽能熱發電存在發電與用電不同步、發電不穩定等問題。在太陽能電站中加入蓄熱系統，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，真正做到節能減排。

關鍵詞：太陽能 熱流計算器 節能減排

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展的物質基礎。目前絕大數能源都以石油、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電，約等于上萬個三峽水電站的發電總和。[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定，這給太陽能的使用增加了難度。為了提高發電效率、減少發電成本、提高太陽能熱電系統的穩定性和連續性，則需要對太陽能熱發電系統增加蓄熱裝置，以使系統在沒有太陽輻射能量的時候能繼續滿足發電需要。蓄熱系統已成為衡量熱發電系統效率的重要因素，但目前的大型熱發電系統中，只有很少的系統增加了蓄熱裝置，蓄熱技術也需要繼續的研究和完善。[2]

2 系統簡介

由于受到天氣、季節等自然條件的影響，太陽能熱發電存在較大的不穩定性。為了保證太陽能熱發電站發電相對穩定，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電需求時，將蓄熱器里儲存的熱量用于發電，以此來保證云遮間隙系統的正常運行。

3 控制方案

高溫蓄熱技術是太陽能熱發電的關鍵技術。按照熱能存儲方式不同太陽能高溫蓄熱技術可分為潛熱蓄熱化學反應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生相變時吸收或放出熱量來實現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點[3]。潛熱蓄熱也是本方案在分析蓄熱系統時所采用的蓄熱方式。

按太陽能直射強度大小區分，該系統可以以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熱流體交換的熱量，KJ

C為導熱油比熱容，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1.4小節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，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特性等與理想鏡面差異相關的集熱島效率，一般可取0.98；

為由于集熱部分光學特性等與理想情況差異相關的集熱器效率，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低于額定工況時進行調節，需要首先對虛熱系統進行充熱[4]。且考慮到蓄熱裝置內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。該工況下，關閉閥門A，調節閥門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。

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生）。則關閉閥門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。

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，故在晚上關閉閥門A、閥門B、閥門C。

4 應用前景與問題討論

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域走在世界前列。在可以預見的未來必將建設更多的太陽能熱發電站。倘若沒有采取較好的蓄熱措施與控制策略，由于太陽能發電的不穩定性將可能帶來嚴重的后果。為了保證太陽能發電的穩定性與經濟性，除了提高集熱效率，改進蓄熱技術之外，還可以在控制策略上尋求進步。“熱流計算器”還可以考慮在軟件中加入智能算法，根據大規模的天氣數據預測集熱——蓄熱系統中的流量變化。

除了太陽能熱發電領域，該軟件也可以應用于家庭熱水器的蓄熱控制。根據天氣情況合理的分配能源，避免不必要的浪費，真正做到節能減排。

參考文獻

[1]閻秦.太陽能輔助燃煤發電系統熱力特性研究.

[2]楊小平，楊曉西，丁靜，等.太陽能高溫熱發電蓄熱技術進展研究.

[3]吳玉庭，張麗娜，馬重芳.太陽能熱發電高溫蓄熱技術.