含電加熱裝置的光熱電站儲熱時長優化研究

王豫昊

（華北水利水電大學 河南省鄭州市 450000）

當前我國太陽能太熱光電光伏發熱系統技術從一定很大程度上處于影響光伏光熱發電產業為主的我國太陽能發電領域，按照對EIEA 的長期預測，在2030年以后我國太陽光熱光伏發電裝機時長將首次達到裝機規模29GW，2050年以后我國的光熱光伏發電系統裝機容量規模將首次達到125GW。2016年5月我國國家能源管理局正式發布國家太陽能熱光伏發電重點項目建設有關政策通知，入選首批2017年國家光熱光伏發電重點項目的企業共有20 個，裝機量達到1.3GW。在大型光伏加熱電站中通過直接引用其他光熱源為電站除熱，能夠有效實現電站出力的平穩自動控制，從一定很大程度上可以降低新一代能源不足的確定性供給電力系統實時自動調度和日前實時調度系統形成的困難。太陽能熱發電具有可調風，儲能經濟，能夠實現可持續性發電等特點，因此其成為可再生領域，研究學者高度重視這一方面。本研究以具體多能互補基地作為研究對象，針對含電加熱裝置及光熱電站的互補，進而實現最大化收益為發展目標，提出通過光熱電站度電成本，以進行光加熱功率及儲熱時長的確定，能夠為光熱電站儲熱時長優化分析提供重要參考。

1 文獻研究

過去采用光伏電站以及風電場這種傳統新能源發電項目來說，相對光熱電站配置儲能系統在處于較高直接輻射條件下，能夠實現持續性發電并進行熱量儲存，尤其在夜間用電高峰期時，能夠充分利用所儲存熱量來發電，確保發電站能夠持續運行，為人們提供穩定電能輸出。該光熱電站中配置儲熱裝置能夠為電熱協同運行提供新路徑，充分利用光熱電站可實現集成運行，提升能源利用率。在多項研究中指出，光熱系統能夠與燒結余熱電站，大型或小型燃煤熱電廠，燃氣蒸汽熱電廠的發電系統進行聯合運行，基本是構成循環發電系統。國內研究學者提出新型風熱裝置，能夠有效利用風能將其聯合槽式光熱電站，進一步構建可再生能源，即風光熱電站。針對分時電價微網并網運行條件下，進一步構建熱電風電以及光伏聯合供電系統，儲能系統以及燃料電池的微網模型。

2 光熱電站配置電加熱裝置的原理分析

2.1 傳統太陽能熱發電站

過去塔式太陽能熱發電站是由吸熱裝置除熱裝置，發電系統，換熱系統以及聚光集熱系統構成的，過去塔式熔鹽太陽能熱發電系統中能夠將290℃的熔鹽通過冷卻后將其送至吸熱器中，在吸熱器中能夠升溫至565℃，最后將熔鹽送入熱罐中，當發電時熱鹽能夠經過泵，進入到蒸汽發生裝置中，進而能夠形成過熱蒸汽，該蒸汽進入到汽輪機以實現郎肯循環發電。通過放熱的熔鹽可進入冷罐中再次循環。吸熱器的加熱過程對于配置電下熱裝置后，熔鹽在冷罐中，可通過泵將其送入電加熱裝置中，根據劉文飛等人提出了含電加熱裝置的光熱電站建模，在該項發明中針對風力發電過程中存在的不確定性以及。新能源中國在接入光伏電網之后，存在一定的能源消納困難，且棄光棄電和風棄電問題仍然比較嚴重，進一步研究提出應對含有光伏電加熱技術裝置的新型光伏加熱電站采用相關技術模型，將其與風電場進行協同優化之后，能夠構建聯合發電系統，即風電光熱發電系統。考慮兩種發電的輸出功率在時間中具備的互補性，能夠運用光熱電站儲能系統有效控制風電出力平滑，抑制風力觸電過程中存在的波動性，進而減少風電光熱聯合發電存在的處理波動，之后將一定容量電加熱裝置配置到光熱電站中，能夠有效將棄風電能轉為熱能。

2.2 光熱電站

在光熱電站中將能量儲存在蓄熱系統，能夠有效增加發電量，提升風電消納能力。采用這種系統其包含換熱裝置，發電系統，蓄熱系統以及聚光集熱系統和風電場中的變流器，風力發電機等。利用進入聚光蓄能集熱發電系統之后能夠將所需要吸收的熱量太陽能經聚光換熱發電裝置系統加熱為其傳熱介質，并將其熱能轉為剩余熱能后再進入聚光發電裝置系統中，通過其在水中的加熱可以使其迅速形成含有過熱量的蒸汽，進而可以能夠直接帶動過熱氣輪發電機組進行發電，進入聚光蓄熱發電系統之后能夠可直接進行剩余熱量水的儲存，通過系統釋放出的熱量，能夠直接使加入的熱水迅速形成含有過熱量的蒸汽進而能夠可直接帶動過熱汽輪發電機組進行發電，將來在光熱光伏電站中沒有配置的水加熱發電裝置之后，能夠將光熱風電場之中多余下的電能進行轉化而成為剩余熱能，充分的的實現了在光熱光伏電站之中電與熱的雙向熱能轉換，合理利用棄風電量。

系統存在4 種運行狀態：

（1）在處于無風無光照條件下，由于風力發電機無法同時獲得系統啟動發電速度，而使得會容易出現系統停止聯合發電發熱問題，對于其他光熱聯合電站，僅僅是需通過系統釋放虛熱發電系統過程中的多余熱量將其電能轉為其他電能；

（2）在無風或者有風大光照的這種情況下，由于其他風力蓄熱發電機使得無法同時達到一個相應的系統啟動發電速度，會容易出現系統停止聯合發電發熱問題，在其他光伏發熱電站中使得能夠有效利用大量太陽能進行輻射，經過蓄熱發電系統進行充熱和聯合放熱達到輸出最大功率；

（3）在處于有水大風或者無風的光照情況條件下，利用其他風力發電機最大發熱功率，可實現輸出最大功率及電能利用方式風電發熱攻略對于光伏發熱電站使得可通過蓄熱發電系統對其進行聯合放熱，其中也可與其他風電進行聯合蓄熱發電；

（4）在處于有水無風前熱和有風無光照的這種條件下，如果其他風電的輸出力較小，這種放熱情況條件下光伏發熱電站使得能夠通過蓄熱發電系統進行放熱，進而使得能夠有效提高其他聯合蓄熱發電發力系統的發熱輸出力和功率，如果在其他風電聯合發力較大的這種情況下，可通過其他光熱協同電站的聯合蓄熱發電系統蓄熱以有效減少其他光熱聯合電站的輸出力，進而能夠維持聯合發電系統輸出功率。

3 配置電加熱裝置后光熱儲能時長優化分析

3.1 儲熱時長及電加熱功率優化

當前，在設計光熱電站過程中是通過本體儲熱系統最優化，進行除了時長的確定，而度電成本最低則為其最優化目標判斷依據。將光熱電站中配置電加熱裝置之后，這種多能互補系統蓄熱時長也會發生顯著變化，為能夠滿足棄電轉換相應的熱量儲存要求，需結合電加熱功率，針對光電站的時長進行合理優化。從一定程度上來看，在確保儲熱時長不變時，電加熱功率會發生變化，進而獲得光熱度電成本的變化曲線，在該曲線最低位置并加熱功率是最優化的電加熱配置功率。不同儲能時長能夠與電加熱功率進行對應，進而通過曲線能夠獲得該系統中最優化的電加熱功率。

3.2 儲熱時長優化思路

針對儲熱時長一定時，進行電加熱功率計算，通過生產模擬，計算能夠獲得不同電加熱功率相應光熱發電量，在計算光熱電站輸入成本時，需加入配置電加熱裝置的成本以及光熱電站的度電成本，在儲熱時程增加之后，需針對不同電價熱功率進行光熱發電量的計算，設置光熱發電站的度電成本變化曲線，能夠以最低度電成本，相應電加熱功率及儲熱時長作為最優化參數。在上述優化中，光熱電站配置電加熱裝置，在確定最優化電加熱功率以及主要時長可主要分為三個環節：

（1）輸入初始參數，需要擬定光熱電站的添加熱功率相關參數以及初始時長相關參數；

（2）生產模擬，設置固定的儲熱時長，在處于不同電加熱功率下計算相應發電量以及度電成本；

（3）輸出優化方案以最低度電成本為目標，輸出相應電加熱功率以及除熱時長。

4 具體案例分析

在本研究中一某多能互補光熱電站基地作為研究對象，該基地風電裝機光伏裝機光熱專機量分別為400MW，200MW，以及50MW，在該互補基地中組網能夠通過330kv1回電路進行有效連接。利用歷史數據對光伏出力特性風電出力特性進行8760 小時數據預測獲得變化曲線，其中供熱機組運用塔式熔鹽方法，在整個光熱電站中，太陽倍數為所有即熱聚光設備在投入使用之后吸熱器的輸出功率以及在處于額定負荷條件下，汽輪機運行需要的熱功率比值，在該案例中選取2.8 作為太陽倍數，場地面積設置為66 萬平方米。

在經濟指標參數計算過程中，該光熱電站初期投資成本為17億元，整個施工周期為2a，按照1.5%作為光熱電站的運行維修費用費率，每增加一小時除額時長，那么會使該光熱電站投資成本增加0.15 億元。電陽能加熱器和光伏配電配套設備上網投資利用成本預測可按照每千瓦1000 元樣本進行電價預測，按照2020年該地光伏發電標桿及該地風電企業上網平均電價統計數據樣本進行有效電價預測，比如光伏標桿上網以及該地風電標桿上網平均電價分別為0.65 和0.6 元每千瓦時，而該地光熱標桿上網平均電價可按照1元每千瓦時，棄電電價為0。可通過上述電價進行邊界條件計算，不同地區會存在一定差異。

（1）在固定儲熱時長中，優化電加熱功率。在未配置并加熱裝置時上網電量達到1.8 千瓦時，其度電成本達到1.15 元每千瓦時，而將光熱電站中配置電加熱裝置且其功率為60MW，那么由電加熱所吸收的棄電量可達到0.3 億千瓦時，上網電量為11.9 億千瓦時，相比未引入電加熱裝置之后可增加0.09 億千瓦時，所消耗的度電成本為1.1 億每千瓦時，能夠降低度電成本達0.019 千瓦時。根據該結果可以發現，在固定儲熱時長之后，增加光熱電站的電加熱功率之后能夠使儲罐容量利用率顯著增加，同時會增加電加熱的吸收棄電電量，可顯著增加發電量，當電加熱功率達120MW，這種情況下，其會從一定程度上受到儲罐容量因素的影響。保持電加熱吸收棄電量不變，那么整體上網電量也不會發生相應的變化。然而需要注意，按照分類電價政策實施之后，由于光熱電源，風電及光伏上網電價不同，其中電價最高的是光熱電源，棄電電價為0。

（2）在不同處熱時場下優化光熱電站的電加熱功率。在處于不同程度的時常條件下，將光熱電站中配置電加熱功率達60MW此時能夠獲得最低的固定成本。在選擇12 小時和16 小時除熱時長時，對應度電成本是最低的，但兩者數值接近。當設置60MW 電加熱功率之后，選擇14 小時儲熱時長，此時能夠獲得最低的度電成本。根據該數據可以發現，將一定容量電加熱裝置配置在光熱電站中，兩者聯合運行，這種情況下能夠充分運用棄電將其轉為光熱電量，通過光熱電站儲熱裝置進而能夠提高發電效率，增加發電量，有效降低度電成本。

5 小結

總而言之，針對當前將電加熱裝置應用于光熱電站中能夠有效減少棄風棄電，充分進行能源利用，然而光熱電站以及電加熱裝置兩者之間存在偶合性。在本研究中通過分析光熱電站中電加熱功率以及儲熱時長兩者之間的變化以及其對于度電成本產生的影響，進而能夠獲得最低度電成本，相應的電加熱功率以及除了時長將其作為函數優化目標。通過具體的案例分析結果發現，聯合運行并加入裝置以及光熱電站能夠有效運用棄電，并將其轉為光熱電量，利用光熱電站進行熱量儲存，能夠有效提升光熱發電站的運行效率，增加發電量，降低度電成本，在使用14 小時儲能時長條條件下，將光熱電站中增加電加熱裝置，功率為60MW 此時能夠有效降低度電成本達1.1 元每千瓦時。