塔式熔融鹽太陽能熱發電法向直射輻射設計點選擇方法研究

高嵩

(中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司，長春 130021)

塔式熔融鹽太陽能熱發電法向直射輻射設計點選擇方法研究

高嵩

(中國電力工程顧問集團東北電力設計院有限公司，長春 130021)

根據塔式太陽能熱發電技術特點，以50 MW裝機規模為計算模型，依據某地區太陽能資源條件，選取不同的直射輻射(DNI)作為設計點，與不同的太陽倍數(SM)和儲熱時間形成多個配置方案進行模擬，以相同的年發電設備利用小時數作為邊界條件，篩選配置方案，以單位電價最低作為優化目標。從對比結果可以發現，不同的年發電量要求對應的不同配置方案，即使在相同地區，不同的年發電量對應的設計點也是不同的，設計點是確定SM為某一值時聚光場采光面積的一個必要條件，通過對聚光、吸熱、儲熱和發電單元容量優化設計，最終確定聚光場采光面積。設計點的確定為聚光及儲熱系統設計中設備選型提供依據。

塔式太陽能熱發電；直射輻射；太陽倍數；儲熱時間；設計點

0 引言

光場集熱面積、塔頂吸熱器功率、儲熱時間的選擇是光熱發電設計中最重要的部分，由于鏡場的投資約占全廠初投資的50%，所以上述3個方面的優化對于節省初投資，降低單位電價作用明顯[1]。上述 3 個方面的優化配置與設計點的選取有著密切的關系，由于光照在一年中逐時地變化，這就要求針對不同的設計點開展不同的配置方案動態模擬，通過比對模擬結果，在相同發電量的前提下，選出最低單位電價對應的集熱面積和吸熱器功率的配置方案，對于光場設計方案的選擇有重要意義。

1 儲熱式塔式熔融鹽太陽能熱發電系統

1.1 塔式熔融鹽太陽能熱發電系統

熔融鹽塔式太陽能光熱發電技術通過定日鏡、吸熱器收集太陽能熱量，將熱量暫時儲存在鹽罐中，輸送到蒸汽發生區加熱水形成蒸汽，最終送至動力區推動汽輪機發電[2]。集熱工質和儲熱工質均為熔融鹽，熔融鹽通過冷熔鹽泵在動力塔的管道內循環流動，太陽光通過吸熱器將熔融鹽循環加熱，達到一定溫度后流向熱熔鹽罐，再通過熱熔鹽泵送至蒸汽發生區進行發電，熔融鹽在冷罐和熱罐之間循環流動進行儲熱或放熱。

1.2 鏡場系統

鏡場系統由集熱、吸熱、儲熱3部分組成，集熱部分由數量眾多的定日鏡組成鏡場，數量眾多的定日鏡鏡面面積構成了全廠的集熱面積[3]；吸熱部分在鏡場中心吸熱塔，吸熱器在吸熱塔上方布置，吸熱器由多個集熱面組成，每個集熱面包含多個集熱管，集熱管上端和下端分別連接2個聯箱，冷熔鹽通過冷熔鹽泵從冷熔鹽罐進入到吸熱器，在吸熱器內通過輻射換熱吸收通過定日鏡聚焦的太陽能熱量。吸熱器輸出熱量的一部分可以滿足汽輪機滿負荷發電的熱量需求，當超出汽輪機滿發需求時，將多余的熱量保存在熱熔鹽罐中，進而提供平穩持久的電力輸出。就工藝流程而言，在鏡場設計中，吸熱器功率的選型，儲熱時間的選擇，鏡場集熱面積的確定要進行大量的工作。

由于光熱發電的特點之一是輸入熱量波動，一旦設備選型確定，該設備需要滿足輸入熱量波動的所有正常工況的要求，但廠家設備的設計制造需要一個確定的設計點作為依據，而這個設計點應該是通過全廠技術經濟比較后優化出的結果，設計點的選擇原則及最終的設計點選擇是電廠設計人員的重要設計依據。

2 計算模型

2.1 計算模型介紹

下面以某地區光資源為例進行模擬計算，對采用雙融鹽罐儲熱技術[4]的熔融鹽塔式50 MW太陽能熱發電系統進行單位電價模擬。該地區全年有效法向直射輻射(DNI)約1 500 (kW·h)/m2。DNI 設計點(記作DNIsjd)分別選取200，300，400，500，600，700，800，900，1 000 W/m2，太陽倍數(SM)分別選取1.8，1.9，2.1，2.2，2.3，2.4，儲熱時間分別選取5，7，9，11，13，15 h。將上述參數進行排列組合產生出378組配置情況，通過軟件全年模擬逐時計算得到378組結果，結果中包括年發電量及單位電價2個部分。

SM為吸熱器輸出的熱量與汽輪機滿負荷運行需要輸入熱量的比值，SM決定吸熱器額定輸出功率[5]。理論上若無蓄熱系統則SM=1.0，考慮部分系統能量轉換效率則SM可取1.1～1.3。帶儲熱系統的塔式熔融鹽熱發電系統中，SM的選取范圍理論上可以是任意值，但受到目前吸熱器廠家實際制造能力的限制，SM設計范圍往往在1.6～2.8之間。

DNIsjd即太陽通過大氣層進入到項目所在地區，與投入光線垂直的平面所接收到的光照強度，W/m2。理論上DNIsjd可以是200～1 000 W/m2之間的任意直射輻照強度。

2.2 計算結果篩選

以相同的年發電設備利用小時數作為結果篩選的依據，本文以項目發電利用小時數3 000為例，可在378個配置方案中篩選出如下能夠滿足要求的配置方案，相應的單位電價匯總見表1，由表1結果形成單位電價變化曲線如圖1所示。

表1 單位電價匯總(3 000 h) 元/(kW·h)

圖1 單位電價隨儲熱時間SM變化曲線

如果選擇年發電設備利用小時數為3 500，可在378個配置方案中篩選出如下能夠滿足要求的配置方案，相應的單位電價匯總見表2，根據表2結果形成單位電價變化曲線如圖2所示。

表2 單位電價匯總(3 500 h) 元/(kW·h)

圖2 單位電價隨儲熱時間SM變化曲線

2.3 篩選結果匯總

從上述結果中可以得出，不同的年發電設備利用小時數所給出的單位電價最優配置是不同的，年發電設備利用小時數為3 000，SM取1.9，儲熱時間9 h，是單位電價最低的配置方案，此配置對應集熱面積為656 496 m2，吸熱器額定輸出功率為247 MW，對應鏡場設計點為700 W/m2。而在年發電設備利用小時數選定為3 500的條件下，SM取2.3，儲熱時間選定在13 h，單位電價最低點對應的集熱場面積為948 240 m2，吸熱器額定輸出功率為317 MW，對應鏡場設計點為600 W/m2。

3 設計點選取的討論

在設計階段，逐時模擬開展之前，需要人為先選定一個 DNIsjd，以便進一步確定系統各個設備的參數，進而建立模型，對單位電價進行測算，理論上設計點可以是200～1 000 W/m2之間任意的直射輻照強度，部分觀點認為選取項目所在地春分日正午12：00或者夏至日正午12：00的瞬時DNI。若選用春分日正午12：00的瞬時DNI，春分日的日輻照強度在光學中認為與全年平均輻照強度誤差在5%左右，可以代表全年直射輻照平均值。若選用夏至日正午12：00的瞬時DNI，夏至日太陽光直射北回歸線，北回歸線以北的地區在這一天光照輻照最強，在晴天模型中，理論上一年中其他時間點的光照強度均不會高于夏至日正午12：00的DNI。

上述2種DNI的選擇與運行模式有關，選用春分日正午12:00的瞬時DNI作為設計點，在直射光照強度大于此設計點時，通過控制關閉部分定日鏡，避免吸熱器超溫運行，因為吸熱器超溫自燃是非常嚴重的事故，需要做到絕對保證吸熱器在整個運行周期內不發生超溫運行。選用夏至日正午12:00的瞬時DNI作為設計點，則無需擔心吸熱器超溫，理論上全年其他時間點的瞬時DNI均低于此值。也有部分地區由于當地氣候特點，一年中DNI瞬時最高值出現在夏至日以外的時間點，那么可根據實際光資源情況選取一年中瞬時DNI最高值作為設計點DNI。所以，要想得到度電價格最低的配置方案，應利用計算軟件采用全年的逐時模擬，對不同配置的鏡場進行比對，篩選最優配置所對應的設計點。

4 結論

塔式太陽能熱發電系統中，鏡場系統的集熱面積以及吸熱器功率的選型均需要設計人員給出一個合理的設計點，設備的供應商在此設計點下進行設備的設計和制造，所以，設計點的選擇是關乎項目最終是否能夠達到設計預期的重要因素之一。本文利用軟件模擬，提出了塔式熔融鹽發電鏡場系統設計點選擇的方法，根據分析得到以下結論：本文認為設計點的選取是一個優化的結果，預先設定可以用春分日或夏至日正午12：00的DNI作為設計點，建立模型，初步確定系統各設備容量時的必要條件，通過在不同設計點下獲得不同的鏡場面積，不同的鏡場面積會與不同SM對應吸熱器功率的排列組合形成不同的鏡場配置，得到不同的年發電量，進而得到不同的單位電價。根據項目初投資或目標年發電利用小時數作為選擇邊界條件，找到最低的單位電價，最終確定鏡場系統方案，該方案所對應的設計點可作為本項目最終選取的設計點。

[1]KALOGIROU S A. Solar thermal collectors and applications[J].Progress in energy and combustion science, 2004, 30(3): 231-295.

[2]王長貴,崔容強,周篁.新能源發電技術[M].北京:中國電力出版社,2003.

[3]NEUMANN A, GOETZBERGER A, FISCH M,et al. Renewable energy [M].Berlin: Heidelberg Springer,2006.

[4]宿建峰,韓巍,林汝謀,等.雙級蓄熱與雙運行模式的塔式太陽能熱發電系統[J].熱能動力工程,2009,24(1)：132-137.

[5]MONTES M J, ABANADES A, MARTINEZ-VAL J M, et al. Solar multiple optimization for a solar-only thermal power plant, using oil as heat transfer fluid in the parabolic trough collectors[J]. Solar energy, 2009, 83(12): 2165-2176.

(本文責編：白銀雷)

2017-01-19；

2017-03-31

TM 615

B

1674-1951(2017)04-0074-03

高嵩(1984—)，男，吉林長春人，工程師，工學碩士，從事太陽能光熱發電設計研究方面的工作(E-mail:826871454@qq.com)。