塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站定日鏡場(chǎng)布置優(yōu)化

徐培培 董舟 蔡小剛 鄭立國(guó) 趙奕萌 劉健

摘 ?要：本論文根據(jù)塔式太陽(yáng)能聚光集熱技術(shù)特點(diǎn)，提出采用密集布置和交錯(cuò)布置相結(jié)合的布置策略，此種優(yōu)化策略在保證定日鏡合理布置的前提下，有效提高定日鏡場(chǎng)的聚光效率，在相同的鏡場(chǎng)采光面積下能夠減少定日鏡的數(shù)量和減少電站占地面積，起到降低初始投資的作用。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能熱發(fā)電;塔式;密集布置;交錯(cuò)布置;聚光效率

1前言

在當(dāng)今清潔能源發(fā)電的大趨勢(shì)下，可再生能源迎來平價(jià)上網(wǎng)，但其不連續(xù)不穩(wěn)定的缺陷限制了其發(fā)展。而光熱發(fā)電的可再生、安全無污染的優(yōu)質(zhì)調(diào)峰電源特性，成為穩(wěn)定清潔的調(diào)峰電源的最佳選擇。

根據(jù)聚光集熱系統(tǒng)的不同，太陽(yáng)能熱發(fā)電的代表性技術(shù)主要有四種[1]：拋物槽式系統(tǒng)、塔式或中央集熱器系統(tǒng)、線性菲涅爾系統(tǒng)以及碟式系統(tǒng)。其中，碟式光熱轉(zhuǎn)化效率最高，塔式次之，其次為槽式、菲涅爾式，但碟式技術(shù)在發(fā)達(dá)國(guó)家處于實(shí)驗(yàn)階段;國(guó)內(nèi)處于實(shí)驗(yàn)示范階段。

根據(jù)最新數(shù)據(jù)顯示，目前全球已建成的光熱發(fā)電項(xiàng)目以槽式技術(shù)路線為主，而在建中的塔式項(xiàng)目裝機(jī)規(guī)模約占全球在建總裝機(jī)的50%左右;規(guī)劃中的塔式項(xiàng)目裝機(jī)量則占到了全球規(guī)劃裝機(jī)量的70%左右。

2016年獲批的首批國(guó)家光熱發(fā)電技術(shù)20個(gè)示范項(xiàng)目共1.349GW裝機(jī)規(guī)模包括9個(gè)塔式電站，7個(gè)槽式電站和4個(gè)菲涅爾電站。塔式電站將成為未來光熱發(fā)電市場(chǎng)主力。

2塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)原理

塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的基本原理是利用獨(dú)立跟蹤太陽(yáng)的定日鏡群，將陽(yáng)光聚集到固定在塔頂部的接收器上，加熱工質(zhì)產(chǎn)生過熱蒸汽或高溫氣體，驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組或燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，從而將太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為電能。

塔式電站主要包括集熱系統(tǒng)、熱交換及儲(chǔ)熱系統(tǒng)、常規(guī)島系統(tǒng)。其中集熱系統(tǒng)主要包含定日鏡、吸熱器以及吸收塔。據(jù)統(tǒng)計(jì)，一般定日鏡場(chǎng)成本約占總投資成本的40%～50%，而定日鏡場(chǎng)布置決定了整個(gè)光熱電站的占地面積，本文主要對(duì)定日鏡場(chǎng)的布置進(jìn)行研究。

3定日鏡場(chǎng)布置優(yōu)化原則

定日鏡場(chǎng)布置主要有麥田型排列和輻射網(wǎng)絡(luò)法兩種類型[2]，其中麥田型排列法布置比較簡(jiǎn)單且定日鏡密度較大，但其主要適用于定日鏡數(shù)量較少的情況。輻射網(wǎng)絡(luò)法采用徑向交錯(cuò)排列的方式。如圖3-1所示。

目前塔式光熱電站容量多為50MW，100MW甚至向更大容量發(fā)展，定日鏡數(shù)量從幾萬(wàn)到甚至數(shù)十萬(wàn)不等，數(shù)量龐大，因此目前定日鏡場(chǎng)布置多采用輻射網(wǎng)絡(luò)法。本文提出定日鏡場(chǎng)布置設(shè)計(jì)原則采用密集布置和交錯(cuò)布置相結(jié)合的方法，即靠近吸熱塔的一定區(qū)域采用密集布置，剩余區(qū)域采用交錯(cuò)布置方式，該布置方式充分利用占地面積以及高能量利用效率的區(qū)域，同時(shí)避免了較大的陰影和遮擋損失。

為了避免相鄰定日鏡之間發(fā)生機(jī)械碰撞，相鄰定日鏡之間要留有可以保證旋轉(zhuǎn)的空間，還應(yīng)考慮人為常規(guī)操作的空間。密集布置即周向間距和徑向間距均為不發(fā)生碰撞的最小距離;交錯(cuò)布置即輻射狀布置，插空放置。定日鏡在布置時(shí)按照一定的數(shù)學(xué)規(guī)律來布置，相鄰定日鏡的位置由周向間距、徑向間距確定。定日鏡徑向間距和周向間距應(yīng)保持鏡場(chǎng)的陰影和遮擋效率在合理范圍內(nèi)。

4應(yīng)用成果

鏡場(chǎng)在設(shè)計(jì)點(diǎn)DNI下吸收的能量應(yīng)滿足汽輪機(jī)滿發(fā)時(shí)的所需能量與儲(chǔ)熱系統(tǒng)能量之和，由此可以預(yù)估定日鏡的總數(shù)量。按照上述定日鏡場(chǎng)的布置策略，根據(jù)某地夏至日太陽(yáng)能輻射數(shù)據(jù)，可以得到研究對(duì)象圓形定日鏡場(chǎng)布置的坐標(biāo)，得出不同時(shí)刻的聚光效率分布圖。經(jīng)過對(duì)比，采用密集-交錯(cuò)結(jié)合布置方法鏡場(chǎng)效率提升了約1.4%，LCOE降低了約9.2%，定日鏡數(shù)量減少了約1000面。

結(jié)論

采用密集-交錯(cuò)結(jié)合布置方法，提高了定日鏡場(chǎng)的聚光效率，減少了定日鏡的數(shù)量、減少電站占地面積，進(jìn)而降低電站的初始投資，同時(shí)對(duì)密集布置區(qū)域和交錯(cuò)布置區(qū)域給出明確的區(qū)域劃分原則，相比于現(xiàn)有鏡場(chǎng)布置方法更加便捷，更容易實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)編程，對(duì)定日鏡場(chǎng)的優(yōu)化布置研究提供了新的理論依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

[1] 袁煒東.國(guó)內(nèi)外太陽(yáng)能光熱發(fā)電發(fā)展現(xiàn)狀及前景[J].電力與能源，2015-36（4），487-490

[2] 關(guān)弘揚(yáng)，張艷梅，廖文俊，顧清之，段洋，張亞偉.不同定日鏡場(chǎng)排布形式對(duì)鏡場(chǎng)光學(xué)效率的影響[J].裝備機(jī)械，2017，1：6-10.