槽型拋物面太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)在國內(nèi)典型地區(qū)的仿真分析與對比研究

曲 航,趙 軍,邵周亭

(1.魯東大學(xué)應(yīng)用技術(shù)學(xué)院,煙臺 264025;2.天津大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,天津 300072;3.光匯石油海運(yùn)集團(tuán)股份有限公司,深圳 518119)

0 引 言

槽型拋物面太陽能熱發(fā)電 (Parabolic Trough Solar Power,PTSP)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)太陽能-熱能-電能的轉(zhuǎn)化,其技術(shù)可靠性和大規(guī)?；虡I(yè)化前景已由美國加利福尼亞洲 Mojave Desert,自1985年～1991年間陸續(xù)興建的9座總裝機(jī)容量354 MW的PTSP電站所證明[1]。以及PTSP相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步帶來的建設(shè)和運(yùn)營成本的下降使得PTSP日益成為國際上的熱點(diǎn)。

槽型拋物面太陽能電站對于選址有一定的要求,包括太陽能資源、土地面積、土地利用情況、坡度,以及包括電網(wǎng)、天然氣管線、鐵路和公路在內(nèi)的基礎(chǔ)設(shè)施等。我國新疆、西藏和內(nèi)蒙古地區(qū)由于兼?zhèn)涑渥愕闹鄙涮栞椛浜兔娣e廣大的未利用土地,滿足PTSP電站的選址要求,具有建設(shè)太陽能電站的潛力[3～4]。在這3個(gè)地區(qū)中,內(nèi)蒙古自治區(qū)在電網(wǎng)設(shè)施方面具有優(yōu)勢,可通過華北和東北電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與其它區(qū)域之間的互聯(lián),利于將來將太陽能轉(zhuǎn)化而成的電力外送。本文以內(nèi)蒙古奈曼地區(qū)為背景,用TRNSYS軟件對槽型拋物面太陽能電站進(jìn)行了系統(tǒng)仿真,分析了該系統(tǒng)在當(dāng)?shù)貧庀髼l件下的適用性,研究了直射輻射強(qiáng)度 (Direct Normal Insolation,DNI)對電站運(yùn)行性能的影響。為比較國內(nèi)不同氣象條件對系統(tǒng)的影響,選擇了西藏拉薩地區(qū)對同樣的電站系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析。

1 槽型拋物面太陽能熱發(fā)電仿真系統(tǒng)的建立

槽型拋物面太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的單位發(fā)電成本隨著電站規(guī)模的擴(kuò)大而降低,因此,本文中系統(tǒng)仿真的對象選擇為35 MW的槽型拋物面太陽能電站,系統(tǒng)的建立遵循朗肯循環(huán)的原理,其系統(tǒng)流程圖見圖1[4]。

圖1 槽型拋物面式太陽能電站系統(tǒng)圖Fig.1 Schematic of the parabolic trough solar power station

槽型拋物面太陽能電站有別于傳統(tǒng)火力發(fā)電廠的核心部分是聚光集熱子系統(tǒng),它由槽型拋物面集熱器陣列組成,陣列中的單元是LS-2代集熱器[4]。

除了聚光集熱器陣列之外,電站系統(tǒng)中的其它部件都屬于發(fā)電子系統(tǒng)。蒸汽器由單相的省煤器、蒸發(fā)器和過熱器組成;預(yù)熱器和過冷器兩個(gè)模塊一起共同組成給水加熱器。在給水加熱器中,由汽輪機(jī)抽出的蒸汽在給水流入省煤器前對其進(jìn)行預(yù)熱;除氧器用來除去給水中的氧氣。此外,其它主要部件還有冷凝器和冷卻塔。此仿真電站系統(tǒng)的汽輪機(jī)具有抽汽部分,抽出的蒸汽除了引入給水加熱器之外,還被引入除氧器進(jìn)行加熱脫氧。

在進(jìn)行系統(tǒng)仿真時(shí),集熱器陣列的出口溫度設(shè)定為390℃,在額定發(fā)電功率時(shí)對應(yīng)的直射太陽輻射通量為850 W/m2。

2 研究區(qū)概況

奈曼旗位于內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市西南部。地理位置位于 120°19′～ 121°35′E,42°14′～ 43°32′N之間,全境東西寬68 km,南北長140 km,土地總面積8 137.5 km2(約1 220萬畝)。全旗土地沙漠化嚴(yán)重,流動半流動沙漠化面積達(dá)5 110.4 km2,占土地總面積的62.8%[5～6]。

奈曼旗氣候?qū)儆诒睖貛Т箨懶约撅L(fēng)干旱氣候。年平均日照時(shí)數(shù)為2 940～2 955 h左右,年平均氣溫5.0～6.5℃,全年的平均直射太陽輻射(DNI)量為196.2W/m2(1718.7 kW?h/(m2?a))[7]。冬季多西北風(fēng),春季多西南風(fēng),年平均風(fēng)速3.6～4.1 m/s。

3 系統(tǒng)仿真結(jié)果及其分析

根據(jù)所建立的35 MW槽型拋物面太陽能電站仿真系統(tǒng),采用Meteonorm和Energy Plus氣象數(shù)據(jù)[7～8],對奈曼旗地區(qū)的電站運(yùn)行情況進(jìn)行了模擬。本文還選擇了國內(nèi)直射輻射資源居于前列的西藏拉薩地區(qū) (年均DNI值271.3 W/m2,即2 376.6 kW?h/(m2?a))就同樣的系統(tǒng)進(jìn)行了模擬。

圖2 奈曼電站夏季的模擬運(yùn)行結(jié)果Fig.2 Simulation result of Naiman power station in summer

圖3 奈曼電站冬季的模擬運(yùn)行結(jié)果Fig.3 Simulateion result of Naiman power station in winter

圖2和圖3則為內(nèi)蒙古奈曼電站在夏季的7月10日和冬季的1月5日的運(yùn)行模擬結(jié)果,而圖4、圖5分別為拉薩電站在夏季的6月8日和冬季的12月21日的運(yùn)行模擬結(jié)果,其中涵蓋了較為晴朗的天氣和多云天氣 (圖2、圖4)。從圖中可以看出,直射輻射強(qiáng)度的變化對于槽型拋物面太陽能電站的運(yùn)行性能有著較大的影響;另一方面,冬夏兩季的電站運(yùn)行特性有著較大的差異。在夏季,電站的產(chǎn)熱量和發(fā)電量與DNI的走勢較為吻合,在冬季則不然,這是由于太陽光線入射角在冬季和夏季的不同變化特性所決定的。因此,筆者引入了入射直射輻射強(qiáng)度 (Incident Direct Radiation,IDR)這一概念[9],從圖中可以看出,相對而言,IDR更好地反映了PTSP電站的運(yùn)行性能,這一點(diǎn)在冬季更為明顯。相對于目前國際上通行的聚焦式太陽能電站太陽能資源評估標(biāo)準(zhǔn)— —DNI來說,入射直射輻射強(qiáng)度— —IDR與電站發(fā)電量的關(guān)系更為明顯。

圖4 拉薩電站夏季的模擬運(yùn)行結(jié)果Fig.4 Simulation result of Lhasa power station in summer

圖5 拉薩電站冬季的模擬運(yùn)行結(jié)果Fig.5 Simulation result of Lhasa power station in winter

進(jìn)一步選擇全年這一較長的時(shí)間跨度進(jìn)行研究,作為電站選址分析中評估系統(tǒng)性能的重要參數(shù)之一,分別計(jì)算出仿真系統(tǒng)在奈曼和拉薩兩地的模擬年發(fā)電量 分別為37 271.10 MW?h和66 541.08 MW?h,兩者相差78.5%。

除了直射輻射強(qiáng)度之外,環(huán)境溫度和風(fēng)速等氣象參數(shù)也是影響槽型拋物面太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)性能的因素。表1列出了奈曼以及拉薩兩地的DNI,IDR以及其余氣象參數(shù)的年度值[7,8],結(jié)合前面的分析可以得出,從全年的角度來看,環(huán)境溫度和風(fēng)速對于電站的全年發(fā)電量的影響相對較小。

表1 奈曼和拉薩兩地的氣象數(shù)據(jù)Tab.1 年度值

為了進(jìn)一步評估各氣象參數(shù)對于槽型拋物面電站運(yùn)行性能的影響,模擬計(jì)算了奈曼和拉薩兩地電站仿真系統(tǒng)的逐月發(fā)電量,見圖6和圖7。從圖中可以看出,拉薩和奈曼旗兩地仿真電站的逐月發(fā)電量大致隨著IDR平均值的增減而變化,但是在個(gè)別月份出現(xiàn)例外,如拉薩電站在8,9月份的發(fā)電量和奈曼旗電站在4,5月的發(fā)電量。

圖6 奈曼電站的逐月發(fā)電量Fig.6 Monthly output of Naiman power station

圖7 拉薩電站的逐月發(fā)電量Fig.7 Monthly output of Lhasa power station

個(gè)別月份的IDR平均值和電站發(fā)電量的不一致變化可以從兩地的月度環(huán)境溫度和風(fēng)速的變化規(guī)律得到解釋,見圖8及圖9。拉薩8,9月的IDR平均值分別為244.8 W/m2和251.3 W/m2,而電站發(fā)電量在9月的仿真結(jié)果為6 143.30 MW?h,低于8月的發(fā)電量6 262.24 MW?h。這是由于在月均風(fēng)速不變的情況下,當(dāng)?shù)卦戮h(huán)境溫度由8月的11.2℃降低到9月的9.4℃;奈曼電站5月的發(fā)電量為5 795.24 MW?h,比4月的5 639.92 MW?h有所升高,而IDR平均值則從4月的255.4 W/m2降低到5月的233.7 W/m2,這是由于5月的月均風(fēng)速從4月的5.0 m/s降低到4.6 m/s,而環(huán)境溫度則從7.3℃升高到15.1℃。

圖8 奈曼的月度環(huán)境溫度和風(fēng)速Fig.8 Monthly ambient temperature and wind speed in Naiman

圖9 拉薩的月度環(huán)境溫度和風(fēng)速Fig.9 Monthly ambient temperature and wind speed in Lhasa

拉薩和奈曼旗兩地電站全年發(fā)電量的差別顯然是由于不同的IDR年平均值的緣故;從發(fā)電量的逐月分布來看,由于IDR平均值以及其它氣象參數(shù)的綜合影響,拉薩和奈曼旗兩處電站在冬季的發(fā)電量差別要大于夏季,這一點(diǎn)在進(jìn)行選址評估考慮電網(wǎng)負(fù)荷變化時(shí)顯得尤為重要。

4 結(jié) 論

本文應(yīng)用STEC部件庫在 TRNSYS環(huán)境下建立了35 MW槽型拋物面太陽能電站的仿真模型,對其在內(nèi)蒙古奈曼地區(qū)氣象條件下的運(yùn)行性能進(jìn)行了模擬分析。結(jié)果表明,電站的全年發(fā)電量可達(dá)37 271.10 MW?h。

本文還針對同樣系統(tǒng)在奈曼和西藏拉薩兩地進(jìn)行的模擬運(yùn)行性能進(jìn)行了對比分析。結(jié)果表明,拉薩電站的年發(fā)電量明顯較高。因此,在電站選址時(shí)應(yīng)該對各要素進(jìn)行綜合考慮。

為了較為準(zhǔn)確地評估當(dāng)?shù)靥柲苜Y源對于太陽能電站運(yùn)行性能的影響,本文提出了入射直射輻射強(qiáng)度IDR這一概念,并通過系統(tǒng)仿真得出其比目前國際上通行的直射輻射強(qiáng)度DNI更加適宜作為聚焦式太陽能電站的太陽能資源評估指標(biāo)。

[1]E.Zarza,H.Price,E.Lupfert,et al.Advances in Parabolic Trough Solar Power Technology[J].Journal of Solar Energy Engineering 2002,124:109-125.

[2]http://www.nevadasolarone.net/the-plant.

[3]Qu Hang,Zhao Jun,Yu Xiao,et al.Prospect of Concentrating Solar Power in China-the Sustainable Future[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2008 12(9):2498-2507.

[4]QU Hang,ZHAO Jun,YU Xiao.Simulation of parabolic trough solar power generating system for typical Chinese sites.Proceedings of the CSEE:2008,28(11):87-93.

[5]常學(xué)禮,李勝功,趙學(xué)勇.奈曼旗沙漠化地區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)能流效益特征分析[J].中國沙漠,1992,6(3):85-91.

[6]www.naimanqi.gov.cn

[7]Meteotest.MeteonormHandbook[R/OL].Bern,Switzerland.Oct,2007.

[8]U.S.Dept.of Energy.Energy Plus Handbook[R/OL].Washington DC,the United States of America,Oct 2007.

[9]曲航,槽型拋物面太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)選址分析及集熱管傳熱的研究[D],天津:天津大學(xué)博士學(xué)位論文,2008.