太陽能光熱發電控制策略探討

劉勝 陳麗文

摘要：眾所周知，當今世界所依賴的能源不外乎石油、煤炭、核電、水力，然而這些能源儲量有限，且開發利用時會引起環境污染或生態環境破壞，尋找一種可取代現有能源并對地球環境無污染的新能源是現今世界發展的迫切需要。太陽能是我們一直在盡力開發的全新可再生能源，目前發展比較成熟的與太陽能有關的技術有太陽能光伏發電技術，太陽能熱水器等等，該文主要針對太陽能光伏光熱發電控制策略進行分析。

隨著全球氣候的變化，自然災害的頻發，都對人類的生存帶來巨大的挑戰，環境污染及能源利用問題現也已成為制約世界各國經濟快速發展的瓶頸，所以越來越多的國家開始實施推進可再生能源路線圖計劃，推動可再生能源的發展。據統計，全球目前每年的能源消耗的總和只相當于太陽在40分鐘內照射到地球表面的能量，所以太陽能作為一種取之不盡、用之不竭的無限可再生能源，得到了全世界的普遍關注和積極開發利用，如現在太陽能熱水器、太陽能光伏發電、太陽能光熱發電等技術日漸成熟，現已進入快速發展時期。

一、太陽能光熱發電系統簡介

（一）太陽能發電系統分類

目前，較為成熟的太陽能發電技術是太陽能光伏發電和太陽能光熱發電。太陽能光熱發電技術又分為塔式太陽能光熱發電、槽式太陽能光熱發電和碟式太陽能光熱發電。目前槽式太陽能熱發電系統已進入商業化運行階段，塔式太陽能已開始進入示范運行階段，而碟式發電應應用領域較窄，目前仍處于試驗階段。下面簡單介紹這3種太陽能光熱發電技術及其發展現狀。

（二）槽式太陽能光熱發電系統

利用槽式拋物面聚光器聚光的太陽能光熱發電系統簡稱分散型系統。該系統一般由聚光集熱裝置、蓄熱裝置、熱機發電裝置和輔助能源裝置（如鍋爐）等組成。槽式拋物面將太陽光聚在一條線上，在這條焦線上安裝管狀集熱器，以吸收聚焦的太陽輻射能，常將眾多的槽式聚光器串并聯成聚光集熱器陣列。槽式聚光器對太陽輻射進行一維跟蹤。

由于槽式聚光器的幾何聚光比低及集熱溫度不高，使得拋物槽式太陽能光熱發電系統中動力子系統的熱轉功效率偏低，通常在35%左右。因此，單純的拋物槽式太陽能光熱發電系統在進一步提高熱效率、降低發電成本方面的難度較大。

（三）塔式太陽能光熱發電系統

塔式太陽能光熱發電系統也稱為集中式太陽能光熱發電，利用定日鏡將太陽光聚焦在中心吸熱塔的吸熱器上，聚焦的輻射能轉變成熱能，然后傳遞給熱力循環的工質，再驅動汽輪機做功發電。塔式太陽能光熱發電系統主要分熔鹽系統、空氣系統和水/蒸汽系統。無論采用哪種工質，系統的蓄熱至關重要。由于太陽能的間隙性，必須由蓄熱器提供足夠的熱能來補充烏云遮擋及夜晚時太陽能的不足，否則發電系統將無法正常工作。

（四）碟式太陽能光熱發電系統

碟式太陽能光熱發電系統是利用旋轉拋物面反射鏡，將入射陽光聚集在焦點上，放置在焦點處的太陽能接收器收集較高溫度的熱能，加熱工質以驅動汽輪機，從而將熱能轉化為電能。整個系統包括：旋轉拋物面反射鏡、接收器、跟蹤裝置和蓄熱系統。

不難看出，塔式太陽能光熱發電系統和槽式、碟式的系統相比，除聚光集熱器有所不同外，3者在系統構成和工作原理等方面都基本相似。

二、太陽能光熱發電控制策略

（一）普通清晨啟動

各區域定日鏡處于各自自然朝向位置，并沒處在待機狀態（Standby，即各區域定日鏡的聚焦光線分別定位于空中數點），此時的全廠啟動運行稱為“普通清晨啟動”，其啟動過程中各模塊的基本邏輯判斷順序。

（二）冷啟動

在全廠啟動運行過程中，吸熱器由于熱損失影響，啟動時的狀態參數與周圍環境相應，定日鏡場在前一次運行之后，處于待機狀態，此類運行稱為全廠“冷啟動”。其各模塊運行的邏輯順序除了鏡場是從待機狀態而非自然朝向狀態啟動外，其余都與普通清晨啟動相同。

（三）熱啟動

由于某些原因比如輻照、大風等導致吸熱器和汽輪機解耦運行時，某些帶有隔離門的吸熱器，可以保持內部蓄有一定壓強和溫度的蒸汽，當輻照、風速等外界條件變化，使得吸熱器滿足再次運行時的啟動稱為“熱啟動”，此時將能在較短時間內達到額定運行狀況，具體視吸熱器設計而定。此類啟動時除了鏡場位于待機狀態而非自然朝向狀態啟動、及蒸汽參數能較快達到額定值而減少旁路流通外，其余基本相同。

（四）正常運行

當啟動完成后，在外界條件沒有劇變影響的條件下，全廠處于正常運行狀態，全廠的發電功率與輻照變化存在直接關聯。

（五）云遮運行

當投射到吸熱器表面的輻照強度低于吸熱器設計的下限達到N個（由具體設計決定）時間步長后，定日鏡場開始啟動偏轉到待機狀態的程序;由此導致當汽輪機進汽壓強低于設定值時（為了確保與電網持續聯接，該設定值越小越好），在儲能充足的條件下，由儲能系統自動產生蒸汽供給汽輪機。若在定日鏡場完全偏轉前輻照強度恢復，則重新將定日鏡從當前位置投射聚焦到吸熱器表面運行。

（六）晚間關停

當傍晚投射到吸熱器表面的聚光輻照強度低于設計下限值時，自動啟動鏡場從聚焦吸熱器的位置偏轉到待機狀態的程序，控制調壓和調溫裝置來減小汽輪機所帶負載，最后將發電機組與電網解裂。

（七）事故應急運行

事故主要來源于吸熱器及鏡場兩個方面：吸熱器的故障主要發生在給水系統，比如給水泵失靈、管路出現機械或電氣故障，此時由于吸熱器表面仍有很強聚光分布，所以在啟動定日鏡場偏轉的同時必須啟用噴水減溫系統，并開啟吸熱器的安全閥。鏡場的故障通常來自于通訊或供電中斷，此時必須啟用備用電源偏置定日鏡到待機位置。

三、結束語

利用太陽能發電是解決當前能源、資源和環境等問題的有效途徑和方法。太陽能熱電開發所占土地面積并不比某些常規能源大，且可在太陽能資源豐富的荒漠地區建設，這是常規能源所不能達到的。太陽能熱力發電與火力發電相比，不會消耗資源;也不會產生廢氣、廢渣而污染空氣、土壤和水;也不會像核電工程如果產生核泄漏而對較大范圍造成嚴重而深遠的放射性環境影響。太陽能光熱發電技術商業化發展的主要障礙是成本，建立高效率、大容量、高聚光比的太陽能光熱發電系統是降低發電成本的主要研究方向。

參考文獻

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（作者單位：蘭州職業技術學院）