塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量模擬分析研究

蔣浩

前言

目前，塔式發(fā)電技術(shù)是一項較新的技術(shù)，國外正式公開的資料較少，同時國內(nèi)產(chǎn)業(yè)政策及技術(shù)不成熟，相關(guān)研究不深入，已投運示范項目較少，可借鑒經(jīng)驗不多。因此，對塔式光熱電站發(fā)電量分析計算研究具有重要意義。本文針對太陽能塔式光熱發(fā)電設(shè)計技術(shù)，從光學(xué)、力學(xué)、傳熱學(xué)、材料學(xué)等多方面著手，研究建立一套太陽光能的收集、聚焦、能流傳輸以及光熱、熱電轉(zhuǎn)換為一體的發(fā)電量分析模型，研究成果將對塔式太陽能熱電站的整體性能分析及控制策略研究有重要意義，并對塔式光熱發(fā)電項目的前期開展及后續(xù)設(shè)計工作提供指導(dǎo)。

1塔式光熱電站運行方式

塔式光熱電站的發(fā)電量分析與運行工況及運行方式密切相關(guān)，塔式光熱電站的主要運行工況包括：蓄熱工況、集熱發(fā)電工況、蓄熱和發(fā)電并行工況、蓄熱發(fā)電工況、防凝工況。

（1）春季運行方式

春季反映了在太陽能輻射持續(xù)波動，并且輻射能量較低的情況下，利用蓄能系統(tǒng)，汽輪發(fā)電機(jī)組斷斷續(xù)續(xù)發(fā)電的運行模式，適合輕度參與調(diào)峰。

（2）夏季運行方式

夏季反映了在太陽能輻射比較好的情況下，利用蓄熱系統(tǒng)存儲的能量來延長汽輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電時間的運行模式，適合深度參與調(diào)峰。該狀態(tài)應(yīng)盡量高效利用蓄熱罐蓄熱，使汽輪機(jī)長期處于額定負(fù)荷運行，提高發(fā)電量及整場效率。

（3）秋季運行方式

秋季與春季近似，反映了在太陽能輻射持續(xù)波動，并且輻射能量較低的情況下，利用蓄能系統(tǒng)，汽輪發(fā)電機(jī)組斷斷續(xù)續(xù)發(fā)電的運行模式，適合輕度參與調(diào)峰。

（4）冬季運行方式

冬季反映了當(dāng)太陽輻射情況不佳時，汽輪發(fā)電機(jī)組大部分時間處于停運狀態(tài)，適合于適當(dāng)調(diào)峰。此時應(yīng)做好低負(fù)荷及停機(jī)時熔融鹽防凝措施以及空冷器防凍措施，在空冷器啟動時應(yīng)分組投運。

2發(fā)電量計算模型

根據(jù)太陽能發(fā)電子系統(tǒng)分類，將發(fā)電量計算分解為太陽能資源模型、集熱系統(tǒng)模型、蒸汽發(fā)生及汽輪發(fā)電系統(tǒng)模型、儲熱系統(tǒng)模型等4個模塊。

2.1太陽能資源模型

太陽能資源模型主要針對光熱電站對可利用的太陽能資源進(jìn)行分析，主要分析指標(biāo)為太陽能水平面總輻射量（GHI）以及法向直接輻射照度（DNI）。

某一時刻，地面水平面總輻射量（I_t）主要由直接輻射（I_b）、散射輻射（I_d）兩部分組成，即

（式2-1）

（式2-2）

式中：為太陽直接輻射透明度系數(shù);為太陽散射輻射透明度;為太陽光入射角;為太陽高度角;為傾斜面傾角。

（式2-3）

（式2-4）

式中：表示一定地形高度下的大氣量，;

為海平面上的大氣量，

;

是大氣修正系數(shù)，，h為海拔高度。

根據(jù)水平面直射分量可計算得出太陽能法向直接輻射照度DNI=。

2.2集熱系統(tǒng)模型

（1）光學(xué)模型

光學(xué)模型是基于太陽法向直射輻照度垂直于定日鏡采光平面并且將會被吸熱器外避免吸收的部分展開研究，該模型涉及反光鏡光學(xué)損失系數(shù)、定日鏡場光學(xué)損失系數(shù)和吸熱器光學(xué)損失系數(shù)。

集熱系統(tǒng)模型主要針對光熱鏡場所吸收的太陽輻射熱量進(jìn)行分析。可表示為：

（式2-5）

式中：

為場址所在地代表年太陽能法向直接輻射照度（DNI）;

為鏡場光學(xué)系數(shù)：

;

其中：

（a）為余弦損失系數(shù)

（式2-6）

式中：

，，為入射光及反射光向量，

S及R為入射光及反射光向量長度。

（b）為大氣透過效率

（式2-7）

為定日鏡和吸熱器之間的距離（km）;

（c）為陰影遮擋損失效率系數(shù)

（式2-8）

式中：

為第i排的定日鏡數(shù)量，

為定日鏡數(shù)量，

為第i排陰影高度：，

為第i排陰影寬度：

，

為入射光與定日鏡法線夾角，

為入射光的天頂角，

，為入射光方位角，為反射光方位角;

（d）為遮擋損失效率系數(shù)

（式2-9）

式中：

為第i排的定日鏡數(shù)量，

為定日鏡數(shù)量，

為第i排遮擋陰影高度：，

為第i排遮擋陰影寬度：，

為入射光與定日鏡法線夾角，

為反射光的天頂角;

（e）為截斷損失效率系數(shù)

（式2-10）

式中：

為定日鏡面型誤差、跟蹤誤差等整體誤差，

dx、dy為吸熱器長、寬微分。

（f）為吸熱器反射損失效率系數(shù)

（式2-11）

（式2-12）

式中：

為吸熱器反射損失與入射光關(guān)系系數(shù)，

為吸熱器表面吸收率，

為吸熱器開口面積（m²），

為吸熱器吸熱體表面面積（m²），

為吸熱器入射角;

為其它損失系數(shù);

為鏡面反射率;

（2）散熱模型

集熱系統(tǒng)的散熱模型主要以吸熱器散熱損失為主。吸熱器散熱損失主要包括吸熱器吸熱體表面通過采光口向外的輻射熱損，吸熱體表面通過吸熱器采光口與外界對流換熱損失，吸熱體表面與外界的導(dǎo)熱損失。

（式2-13）

則吸熱器散熱損失效率為：

（式2-14）

2.3蒸發(fā)及發(fā)電系統(tǒng)模型

根據(jù)熱力系統(tǒng)，從集熱系統(tǒng)出來，熔鹽通過換熱器產(chǎn)生高溫過熱蒸汽。其中主要效率損失包括熔鹽、汽管路系統(tǒng)損失，換熱設(shè)備效率損失。

（1）熔鹽、汽管道散熱損失

熔鹽、汽管道散熱損失量將根據(jù)管道保溫厚度、管徑以及保溫傳熱系數(shù)等參數(shù)計算所得。

（2） 換熱設(shè)備效率損失：熔鹽依次通過過熱器、再熱器、高壓蒸汽發(fā)生器、預(yù)熱器，根據(jù)現(xiàn)有制造水平，各換熱器效率取95%。

（3）發(fā)電系統(tǒng)模型：其中主要效率損失包括汽輪機(jī)冷源損失，汽輪機(jī)機(jī)械效率損失，發(fā)電機(jī)效率損失等。

2.4儲熱系統(tǒng)模型

儲熱系統(tǒng)將根據(jù)設(shè)計的汽輪發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量和蓄熱時間，通過機(jī)組的熱平衡，求得在T₁時間內(nèi)汽輪發(fā)電機(jī)組運行所消耗的熱量Q₀。蓄熱時間為T₁的儲熱裝置最少吸收熱量見下式：

（式3-22）

式中：為太陽能熱電站裝機(jī)容量;T₁為儲熱時間;為汽輪機(jī)組額定工況下絕對效率;為儲熱系統(tǒng)放熱過程效率。

2.5光熱電站發(fā)電量計算

根據(jù)太陽輻射資源分析所確定的廠址所在地代表年法向逐時太陽能直射輻射總量（DNI），結(jié)合主要設(shè)備類型參數(shù)，進(jìn)行太陽能電站年發(fā)電量估算。

光熱發(fā)電站年平均上網(wǎng)電量Ep計算如下：

/1000

（式3-23）

式中：

i——計算時間間隔序號;

n——總計算次數(shù)，對于典型氣象年，若按1小時間隔計算，則為8760。

e_i——發(fā)電量（kWh）;

DNIⁱ——法向直接輻照度（W/m²）;

tⁱ——時間間隔，（h）;

——鏡場總采光面積，（m²）;

dⁱ——某一計算時刻因為考慮DNI達(dá)不到吸熱器啟動及正常運行要求、吸熱器溫升速率限制、最大功率限制、定日鏡最大運行風(fēng)速限制、蓄熱系統(tǒng)容量限制等引起的定日鏡棄光率。

——定日鏡場效率，包括鏡面反射率、定日鏡鏡面清潔度、定日鏡誤差、定日鏡余弦效率、遮擋和陰影效率、大氣衰減和吸熱器截斷效率等;

——吸熱器熱效率;

——集熱及換熱系統(tǒng)傳熱流體管道傳輸效率，可取99%;

——熱電轉(zhuǎn)換平均效率，包括蓄熱系統(tǒng)熱效率、汽輪發(fā)電機(jī)組效率、熱力系統(tǒng)管道效率。

3案例分析

本文以某地區(qū)50MW塔式光熱發(fā)電站為例，通過上述模型對發(fā)電量進(jìn)行模擬分析。主要性能參數(shù)如下表所示。

4結(jié)束語

本文針對塔式光熱電站系統(tǒng)特性，根據(jù)其運行工況及運行方式，建立了4個分析模塊，針對每個模塊的特點建立數(shù)學(xué)模型，并通過多目標(biāo)優(yōu)化循環(huán)計算，對塔式系統(tǒng)的全年發(fā)電量進(jìn)行分析模擬，為今后的塔式電站設(shè)計提供一定的理論依據(jù)。

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