塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站集熱場(chǎng)布置優(yōu)化研究

中國(guó)華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司 ■ 曹傳釗鄭建濤 劉明義 徐海衛(wèi) 裴杰

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塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電站集熱場(chǎng)布置優(yōu)化研究

中國(guó)華能集團(tuán)清潔能源技術(shù)研究院有限公司 ■ 曹傳釗*鄭建濤 劉明義 徐海衛(wèi) 裴杰

摘 要：針對(duì)Planta Solar 20塔式電站采用葉序排列算法對(duì)鏡場(chǎng)重新布置，根據(jù)電站的定日鏡數(shù)量，以最高效率為原則，得出鏡場(chǎng)布置圖形和每個(gè)定日鏡具體坐標(biāo)，并給出定日鏡場(chǎng)的光能利用率，對(duì)鏡場(chǎng)的余弦效率、大氣衰減損失、鏡場(chǎng)光能利用率與塔高之間的關(guān)系進(jìn)行研究。

關(guān)鍵詞：塔式太陽(yáng)能電站；鏡場(chǎng)布置；葉序排列法；大氣透射率

0 引言

塔式太陽(yáng)能電站具有聚光比大、工作溫度高、系統(tǒng)管道熱損小、發(fā)電效率高等優(yōu)點(diǎn)。而作為塔式太陽(yáng)能電站關(guān)鍵部分的集熱場(chǎng)定日鏡場(chǎng)的布置和效率，將直接影響整個(gè)電站的集熱效率和發(fā)電成本。故對(duì)定日鏡場(chǎng)的優(yōu)化布置研究對(duì)高效收集和利用太陽(yáng)能、提高電站經(jīng)濟(jì)性具有重要作用。

當(dāng)前對(duì)定日鏡場(chǎng)布置優(yōu)化的研究主要有：Schramek等[1]提出輻射網(wǎng)絡(luò)排列方式，這種布置方法避免了相鄰定日鏡產(chǎn)生光學(xué)遮擋，但集熱場(chǎng)的效率不高；Sanchez等[2]提出一種增長(zhǎng)式鏡場(chǎng)布置方法；Noone等[3]提出一種基于生物統(tǒng)計(jì)學(xué)的排布方式；Schramek等[4]采用高密集的鏡場(chǎng)排列方式，雖然會(huì)有較多遮擋和陰影，但可安裝更多定日鏡；張宏麗等[5,6]基于遺傳算法，通過多目標(biāo)優(yōu)化，研究了定日鏡場(chǎng)設(shè)計(jì)參數(shù)、獲取的能量及投資成本之間的關(guān)系。

本文以西班牙Gemasolar的110 MW塔式熔鹽太陽(yáng)能電站為例，采用葉序排列算法對(duì)鏡場(chǎng)重新布置，對(duì)每個(gè)定日鏡的具體坐標(biāo)、定日鏡場(chǎng)排列方式、光能利用率、余弦效率、大氣衰減損失及定日鏡場(chǎng)光能利用率與塔高之間的關(guān)系等進(jìn)行研究，并研究不同因素對(duì)電廠LCOE的影響。

1 影響定日鏡場(chǎng)布置的幾種因素

塔式太陽(yáng)能電站鏡場(chǎng)布置需考慮的因素主要有：技術(shù)形式、地理位置、大氣狀況、吸熱器參數(shù)、定日鏡參數(shù)及投資運(yùn)維等經(jīng)濟(jì)因素。定日鏡場(chǎng)的成本主要包括：定日鏡及跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)

表1　幾種典型塔式太陽(yáng)能熱發(fā)電技術(shù)配置

備成本、場(chǎng)地成本、接收塔成本及后期運(yùn)行維修成本。Kistler[7]提出了定日鏡場(chǎng)成本的計(jì)算公式，但實(shí)際上由于建筑材料及地域不同，成本無(wú)法采用統(tǒng)一公式計(jì)算得出。

圖1　各種不同的塔式技術(shù)布置圖

2 鏡場(chǎng)的光能利用效率

為了評(píng)價(jià)塔式電站集熱鏡場(chǎng)的效率，需從鏡場(chǎng)的各項(xiàng)損失入手得到鏡場(chǎng)光能利用效率的計(jì)算方法，如式(1)所示：

式中，ηcos為定日鏡場(chǎng)的總余弦效率；ηat為定日鏡場(chǎng)的大氣衰減效率；ηsb為陰影和遮擋效率；ηin為截?cái)嘈省?/p>

截?cái)鄵p失是因定日鏡反射的光線沒有被集熱器接收而產(chǎn)生的能量損失，一般損失占比不大。本研究在對(duì)定日鏡場(chǎng)進(jìn)行重新布置的過程中，以余弦因子和大氣透射率的乘積作為優(yōu)化函數(shù)，即Ws=fcosfat。由于未加入能考慮陰影和遮擋損失的效率項(xiàng)，在葉序排列法中，人為規(guī)定ds=0.3，使其相鄰環(huán)間距保持相對(duì)合理。

2.1 大氣透射率fat的計(jì)算

在能見度為40 km的晴天條件下，鏡場(chǎng)中某一位置的大氣透射率計(jì)算式為：

2.2 余弦因子的計(jì)算

計(jì)算太陽(yáng)入射角θ，需確定太陽(yáng)高度角αs和方位角γs。選擇夏至日6月22日的正午時(shí)間作為計(jì)算時(shí)間，則ω=0°，δ=1.06°。入射光線的方向向量I→=(cosαssinγs，-cosαscosγs，-sinαs)；接收塔與定日鏡中心相對(duì)高度差Ht=93.2 m，定日鏡安裝高度為h，則坐標(biāo)為(x，y，h)的定日鏡，其反射光線的方向向量

太陽(yáng)入射角θ計(jì)算式為：

3 鏡場(chǎng)布置建模

3.1 鏡場(chǎng)排列模型

Noone等[8]提出了一種基于仿生學(xué)理念的葉序排列法。該方法采用葵花籽的排列方式，在自然中，這種排列方式能保證每個(gè)葵花籽具有相同獲取太陽(yáng)能的機(jī)會(huì)及生長(zhǎng)空間。從數(shù)學(xué)上來(lái)說(shuō)，即在斐波那契螺旋上根據(jù)黃金分割率取點(diǎn)，得出的排列方式能使選取的每點(diǎn)周圍擁有足夠空間。其極坐標(biāo)下的方程為r=aθb，采用黃金分割比例在螺旋線上取點(diǎn)，其極坐標(biāo)下的方程為：

式中，θk與序列中第k個(gè)元素成正比例；rk為放射狀延伸程度(即圓心到某一點(diǎn)的半徑)，是第k個(gè)元素的常數(shù)冪。方程中需被優(yōu)化的參數(shù)為a和b，φ取1.618。

3.2 案例模型簡(jiǎn)化假設(shè)

本文采用西班牙Gemasolar塔式熔鹽太陽(yáng)能電站定日鏡場(chǎng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行案例分析，各項(xiàng)具體數(shù)據(jù)見表2。

對(duì)塔式太陽(yáng)能電站定日鏡場(chǎng)重新排列前需對(duì)模型做出簡(jiǎn)化假設(shè)：時(shí)間選取當(dāng)?shù)卮悍秩?、夏至日、秋分日及冬至?2:00，計(jì)算光能利用率并綜合選取最高效率的定日鏡；假設(shè)鏡場(chǎng)范圍內(nèi)的

表2　案例數(shù)據(jù)

土地均為平整地面，無(wú)坡度；使用一定系數(shù)作為約束定日鏡密度的參數(shù)，而不把陰影和遮擋損失作為效率的約束條件；不考慮接收塔陰影的影響；大氣條件假設(shè)為能見度為40 km的晴天條件，在優(yōu)化使用的時(shí)刻假設(shè)天氣狀況無(wú)變化。

3.3 鏡場(chǎng)布置結(jié)果

使用Matlab實(shí)現(xiàn)上述算法，離塔最近的定日鏡距塔22.7 m，此時(shí)定日鏡場(chǎng)的總光能利用率為70.24%。之后根據(jù)最高效率原則，如圖2b所示，可看到此時(shí)接收塔北部的一部分定日鏡被舍棄，而此時(shí)定日鏡場(chǎng)總的光能利用率為74.27%。

圖2　布置圖

4 鏡場(chǎng)各效率的分析

4.1 鏡場(chǎng)余弦效率的分布

西班牙20 MW 的PS20塔式電站的鏡場(chǎng)光能利用率如圖3所示，x軸正向?yàn)檎?，y軸正向?yàn)檎希鴺?biāo)原點(diǎn)為接收塔所在位置?？煽闯?，接收塔東邊定日鏡的光能利用率在正午時(shí)刻明顯大于接收塔西邊的定日鏡，這與其余弦效率有很密切的聯(lián)系。

圖3　夏至日12:00鏡場(chǎng)光能利用率分布

為了分析對(duì)鏡場(chǎng)光能利用率影響較大的余弦效率，選取了夏至日8:00～18:00每隔2 h作為采樣數(shù)據(jù)點(diǎn)，分別計(jì)算余弦效率，取平均值后繪制出等值線圖，如圖4所示。整體來(lái)看，接收塔北部的定日鏡的余弦效率明顯好于接收塔南部的定日鏡。這是由于PS20電站位于北半球，在以接收塔為原點(diǎn)、x軸指向正西、y軸指向正南的坐標(biāo)系下，夏至日的太陽(yáng)光線與y軸夾角為正值且小于90°，而定日鏡的法線方向均偏向接收塔，此時(shí)接收塔北部定日鏡的入射光線與定日鏡法線的夾角小于接收塔南部的定日鏡，即接收塔北部定日鏡的余弦效率較高。

圖4　 夏至日鏡場(chǎng)平均余弦效率分布

為了確定鏡場(chǎng)余弦效率在一年當(dāng)中的變化情況，取春分日、夏至日、秋分日及冬至日4個(gè)全年代表日計(jì)算其全天余弦效率的平均值，分布情況如圖5所示。

在全年范圍內(nèi)進(jìn)行比較可發(fā)現(xiàn)，春分和秋分前后余弦效率在0.50～0.85間變化，變化趨勢(shì)基本相同；而夏至日前后余弦效率較高，大部分在0.6～0.9之間，變化較平緩；而冬至日前后鏡場(chǎng)內(nèi)的余弦效率在不同位置相差較大，范圍在0.40～0.85之間，且東邊部分余弦效率明顯高于西邊。

4.2 鏡場(chǎng)大氣透射率的分布

根據(jù)式(2)可知，定日鏡所在位置的大氣透射率與其距離接收塔的遠(yuǎn)近有關(guān)，定日鏡離接收塔越近，反射光線中被大氣吸收的能量越少，投射到接收塔上吸熱器的能量也就越多；反之，則投射到吸熱器上的能量越少。大氣透射率與當(dāng)?shù)氐奶鞖饧皻夂驐l件有著密不可分的聯(lián)系，整個(gè)鏡場(chǎng)的大氣透射率分布情況如圖6所示。

圖5　全年鏡場(chǎng)余弦效率分布

圖6　鏡場(chǎng)的大氣透射率分布

4.3 鏡場(chǎng)光能利用率與塔高的關(guān)系

為了進(jìn)一步探究接收塔的高度對(duì)鏡場(chǎng)效率的影響，改變計(jì)算參數(shù)中塔高的數(shù)值，計(jì)算在不同塔高下鏡場(chǎng)的效率。塔高取140～180 m，按5 m的間隔取值，分別計(jì)算這9個(gè)塔高下的鏡場(chǎng)效率。鏡場(chǎng)效率隨接收塔高度的關(guān)系曲線如圖7所示。大，范圍在0.40～0.85之間，且東邊部分余弦效率明顯高于西邊。

3)定日鏡場(chǎng)所在位置的大氣透射率與跟接收塔間的距離有關(guān)，定日鏡離接收塔越近，反射光線中被大氣吸收的能量越少，投射到接收塔上集熱器的能量也就越多；反之，則投射到吸熱器上的能量越少。故大氣透射率與當(dāng)?shù)氐奶鞖饧皻夂驐l件有密不可分的聯(lián)系。

4)隨著接收塔高的增加，定日鏡場(chǎng)效率幾乎成正比例線性增長(zhǎng)，這顯示塔高的增加可提高塔式太陽(yáng)能電站的總效率。然而塔高的增加也涉及到成本增加及吸熱器等設(shè)備管路的損失，故在實(shí)際的設(shè)計(jì)中需綜合考慮這兩方面因素做選擇。

參考文獻(xiàn)

[1] Schramek P, Mills D R. Heliostats for maximum ground coverage[J]. Energy, 2004, 29(5): 701－713.

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[8] Noone C J, Torrilhon M, Mitsos A. Heliostat field optimization: A new computationally effcient model and biomimetic layout[J]. Solar Energy, 2011, 86 (2): 792－803.

圖7　鏡場(chǎng)效率隨接收塔高度的關(guān)系曲線

由圖7可知，隨著塔高的增高，鏡場(chǎng)效率幾乎成正比例線性增長(zhǎng)，這說(shuō)明增加塔高對(duì)提高塔式電站的總效率有很大幫助。但是，塔高的增加也涉及到成本增加及吸熱器設(shè)備管路的損失，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需綜合考慮這兩方面的因素做選擇。

5 結(jié)論

1)鏡場(chǎng)定日鏡數(shù)量為2867面時(shí)，離塔最近的定日鏡距塔22.7 m，此時(shí)鏡場(chǎng)的總光能利用率為70.24%。根據(jù)最高效率原則選取原始鏡場(chǎng)中的2650面鏡子組成鏡場(chǎng)，此時(shí)接收塔北部的一部分定日鏡被舍棄，而此時(shí)鏡場(chǎng)總的光能利用率為74.27%。

2)春分和秋分前后余弦效率在0.50～0.85間變化，變化趨勢(shì)基本相同；而夏至日前后余弦效率較高，大部分在0.6～0.9之間，變化較平緩；冬至日前后鏡場(chǎng)內(nèi)的余弦效率在不同位置相差較

通信作者：曹傳釗(1986—)，男，碩士、工程師，主要從事太陽(yáng)能光熱發(fā)電技術(shù)方面的研究 。caochuanzhao@hnceri.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家能源局“國(guó)家能源應(yīng)用技術(shù)研究及工程示范項(xiàng)目”(NY20130101；NY20130102；NY20130103)

收稿日期：2014-10-29