槽式太陽能光熱系統(tǒng)發(fā)電量計(jì)算研究

馮云崗，崔　云，蔣　浩

(上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上?！?00021)

槽式太陽能光熱系統(tǒng)發(fā)電量計(jì)算研究

馮云崗，崔云，蔣浩

(上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海200021)

摘要：針對(duì)太陽能槽式光熱發(fā)電系統(tǒng)，基于光學(xué)、力學(xué)、傳熱學(xué)、材料學(xué)等多方面理論知識(shí)，從太陽能光照資源出發(fā)，綜合考慮集熱系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、儲(chǔ)熱系統(tǒng)以及常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)各環(huán)節(jié)效率及折減因素，研究建立了一套太陽能槽式發(fā)電量計(jì)算模型，為光熱發(fā)電項(xiàng)目前期咨詢及后期運(yùn)行預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)提供參考。

關(guān)鍵詞：槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)；發(fā)電量計(jì)算；模型；DNI

在太陽能利用技術(shù)中，雖然目前光伏占據(jù)著較大的市場(chǎng)份額，但是由于受太陽能資源特性限制，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的不穩(wěn)定性，將成為其大規(guī)模接入電網(wǎng)的瓶頸；而配套儲(chǔ)能電池技術(shù)，又使其成本大幅增加。太陽能光熱發(fā)電直接輸出交流電力，而且太陽能光熱發(fā)電可以比較容易地解決儲(chǔ)能問題，使得太陽能發(fā)電不會(huì)增加電網(wǎng)負(fù)擔(dān)，更有利于電力系統(tǒng)的穩(wěn)定而能被電網(wǎng)大規(guī)模的接受[1-2]。

太陽能熱發(fā)電基本過程涉及聚光、傳熱和熱工轉(zhuǎn)換等多個(gè)方面，光熱、熱力學(xué)、傳熱學(xué)、材料學(xué)等多個(gè)學(xué)科交叉，目前太陽能光熱發(fā)電缺少一套完整理論發(fā)電量計(jì)算方法，本文主要針對(duì)目前主流的太陽能槽式聚光系統(tǒng)，基于光學(xué)、力學(xué)、傳熱學(xué)、材料學(xué)等多方面理論知識(shí)，從太陽能光照資源出發(fā)，綜合考慮集熱系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、儲(chǔ)熱系統(tǒng)以及常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)各環(huán)節(jié)效率及折減因素，對(duì)太陽能槽式發(fā)電量計(jì)算模型進(jìn)行研究，以期探索一套太陽能槽式發(fā)電量計(jì)算模型，為光熱發(fā)電項(xiàng)目前期咨詢及后期運(yùn)行預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)提供參考[3]。

1發(fā)電量計(jì)算原則

1.1系統(tǒng)光照直接輻射照度(DNI)設(shè)計(jì)點(diǎn)確定

當(dāng)太陽集熱場(chǎng)在設(shè)計(jì)點(diǎn)輸出的能量可同時(shí)供滿負(fù)荷的儲(chǔ)熱和發(fā)電，而不是在超出汽輪機(jī)容量需求后，儲(chǔ)熱器才開始儲(chǔ)能。當(dāng)太陽輻射較低或夜間，太陽能集熱場(chǎng)不能產(chǎn)生足夠的能量來滿足汽輪機(jī)負(fù)荷要求時(shí)，儲(chǔ)熱器將放熱，彌補(bǔ)太陽輻射的不足。

但不在設(shè)計(jì)點(diǎn)工況時(shí)，集熱場(chǎng)的輸出只能滿足發(fā)電和儲(chǔ)熱其中一個(gè)設(shè)備滿負(fù)荷工作。因此設(shè)計(jì)點(diǎn)的條件選取很重要。否則可能造成：

(1)儲(chǔ)熱器或汽輪機(jī)長(zhǎng)期處于非額定負(fù)荷工作狀態(tài)；

(2)集熱場(chǎng)輸出的能量多于儲(chǔ)熱和發(fā)電的需要，此時(shí)需要關(guān)閉一部分聚光器，造成設(shè)備不能充分利用。

實(shí)際上由于氣象條件、太陽輻照和太陽位置等的變化，任何計(jì)算方法均無法保證儲(chǔ)熱器和汽輪機(jī)同時(shí)滿足額定輸入。當(dāng)太陽輻照高于設(shè)計(jì)點(diǎn)值時(shí)，將會(huì)引起一部分聚光器關(guān)閉，否則聚光場(chǎng)輸出的多余能量無法利用。當(dāng)太陽輻照低于年平均值時(shí)，一般是儲(chǔ)熱器不滿負(fù)荷工作。因此，系統(tǒng)光照DNI設(shè)計(jì)點(diǎn)選擇應(yīng)盡量做到足夠的代表性。設(shè)計(jì)點(diǎn)應(yīng)根據(jù)全年DNI值分布，選擇DNI出現(xiàn)概率最大的點(diǎn)作為設(shè)計(jì)輸入試算，并經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定。當(dāng)缺少全年DNI值時(shí)，一般可取春分日正午，年平均太陽輻照度及年平均氣象條件作為設(shè)計(jì)點(diǎn)。

1.2發(fā)電量計(jì)算流程圖

在年發(fā)電量計(jì)算中，除太陽輻照資源和氣象是不可變的因素外，其余量均是可變的。計(jì)算年發(fā)電量的關(guān)鍵點(diǎn)在于確定集熱場(chǎng)功率，它包括確定聚光場(chǎng)面積和吸熱器功率。聚光過程與吸熱、儲(chǔ)熱、換熱和發(fā)電是耦合的，需要幾個(gè)因素同時(shí)在系統(tǒng)能量平衡的基礎(chǔ)上計(jì)算。在典型時(shí)刻，例如設(shè)計(jì)點(diǎn)處，聚光場(chǎng)面積取決于汽輪機(jī)額定輸入和儲(chǔ)熱器額定輸入以及電站在設(shè)計(jì)點(diǎn)的運(yùn)行模式。一般要求是，在設(shè)計(jì)點(diǎn)，聚光場(chǎng)提供能量給吸熱器，吸熱器輸出的功率應(yīng)不小于汽輪機(jī)的額定輸入與儲(chǔ)熱器額定輸入之和，這時(shí)的電站基本保證白天滿負(fù)荷發(fā)電和夜間數(shù)小時(shí)發(fā)電。此時(shí)儲(chǔ)熱器額定輸入功率應(yīng)為儲(chǔ)熱器的容量除以儲(chǔ)熱器充熱運(yùn)行時(shí)數(shù)。

圖1所示為年發(fā)電量計(jì)算過程。給定太陽能輻照DNI設(shè)計(jì)點(diǎn)和氣象條件以及汽輪機(jī)額定功率，然后假設(shè)一個(gè)聚光場(chǎng)面積，將聚光場(chǎng)的輸出作為吸熱器的輸入，吸熱器的輸出功率應(yīng)等于汽輪機(jī)和儲(chǔ)熱器需要的額定輸入功率之和。如果該條件不滿足，那么需要重新假設(shè)聚光場(chǎng)面積，直到滿足要求。

步驟一:給定設(shè)計(jì)點(diǎn)輻照和氣象條件，同時(shí)給定汽輪機(jī)額定功率PTURBINE。

步驟二:假定聚光場(chǎng)面積A。

步驟三:按照設(shè)計(jì)點(diǎn)時(shí)系統(tǒng)各單元的能量平衡，計(jì)算設(shè)計(jì)點(diǎn)的電站輸出功率，并進(jìn)行迭代復(fù)合計(jì)算。

圖1　發(fā)電量計(jì)算流程圖

計(jì)算年發(fā)電量的基本思路是：在給定的地理位置、氣象條件、太陽輻照條件、汽輪機(jī)容量和儲(chǔ)熱容量下，確定聚光場(chǎng)面積和太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)的年平均發(fā)電效率，近而確定太陽能集熱場(chǎng)的面積。在太陽能集熱場(chǎng)面積確定后，即可根據(jù)聚光效率、吸熱器效率和發(fā)電效率等計(jì)算出系統(tǒng)效率，然后計(jì)算得出系統(tǒng)年發(fā)電量。

2發(fā)電量計(jì)算模型

根據(jù)槽式太陽能發(fā)電子系統(tǒng)分類，將發(fā)電量計(jì)算分解為太陽能資源模型、集熱系統(tǒng)模型、蒸發(fā)及發(fā)電系統(tǒng)模型、儲(chǔ)熱系統(tǒng)模型、光熱電站發(fā)電量4個(gè)模塊。

2.1太陽能資源模型

太陽能資源模型主要針對(duì)光熱電站對(duì)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DNI。目前國(guó)內(nèi)氣象站一般均不做DNI和水平面直射分量的測(cè)量，僅提供水平面總輻射量，因此需要對(duì)總輻射量進(jìn)行直、散分離。

2.1.1太陽能輻射量計(jì)算

某一時(shí)刻，地面水平面總輻射量(It)主要由直接輻射(Ib)、散射輻射(Id)兩部分組成，即

It=Ib+Id

(1)

(2)

式中τb——太陽直接輻射透明度系數(shù)；τd——太陽散射輻射透明度；θ——太陽光入射角；α——太陽高度角；β——傾斜面傾角。

τb=0.56(e-0.56AMh+e-0.95AMh)

(3)

τd=0.271-0.294τb

(4)

根據(jù)水平面直射分量Ib以及天文對(duì)應(yīng)關(guān)系，可計(jì)算得出即為太陽能法向直接輻射照度。

2.1.2太陽能代表年輻射量計(jì)算

收集光熱發(fā)電站站址處連續(xù)1個(gè)完整年以上的逐時(shí)水平面總輻射量以及站址所在地附近長(zhǎng)期觀測(cè)氣象站近10～30年的逐月輻射資料和站址收集數(shù)據(jù)同時(shí)段的完整年逐時(shí)水平面總輻射量數(shù)據(jù)。

站址所在地代表年逐時(shí)總輻射數(shù)據(jù)可通過對(duì)站址所在地與長(zhǎng)期氣象站數(shù)據(jù)相關(guān)性分析后，對(duì)站址所在地完整年逐時(shí)水平面總輻射量修正計(jì)算得到。計(jì)算公式如下：

(5)

其中，Iti為第i月站址所在地代表年逐時(shí)總輻射量；I0i為站址所在地第i月的逐時(shí)水平面總輻射量；QMi為長(zhǎng)期觀測(cè)氣象站近10～30年的第i月總輻射量；Q0i為站址所在地完整年第i月水平面總輻射量，Q0i=∑I0i；i為1～12月份；ai及bi為站址所在地及長(zhǎng)期觀測(cè)站同時(shí)間段逐月水平面總輻射量相關(guān)性系數(shù)，利用最小二乘法計(jì)算求出：

(6)

bi=Q0i-aiQMi

(7)

式中Q0i——站址所在地完整年第i月水平面總輻射量平均值；

QMi——長(zhǎng)期觀測(cè)氣象站近10～30年的第i月總輻射量平均值。

通過以上對(duì)場(chǎng)址所在地完整年逐時(shí)數(shù)據(jù)的修正，得出場(chǎng)址所在地代表年逐時(shí)數(shù)據(jù)，此值即為代表年逐時(shí)太陽能水平面總輻射量(GHI)，近而計(jì)算得出逐時(shí)太陽能法向直接輻射照度。

2.2集熱系統(tǒng)模型

2.2.1集熱管傳熱模型

太陽輻射能到達(dá)金屬吸熱管后，一部分能量由金屬吸收管外皮通過導(dǎo)熱的方式傳入金屬吸收管內(nèi)壁，金屬吸收管內(nèi)壁與導(dǎo)熱介質(zhì)通過對(duì)流換熱，另一部分能量通過支架結(jié)構(gòu)散熱給環(huán)境，以及玻璃套管向環(huán)境散失。本報(bào)告基于集總參數(shù)法，對(duì)槽式集熱器的金屬吸熱管傳熱流體建立模型，表達(dá)式為：

(8)

式中Tfo——槽式集熱器傳熱流體出口溫度；

Tfi——槽式集熱器傳熱流體進(jìn)口溫度；

S——太陽法向直射輻照度垂直于槽式集熱器采光平面并且將會(huì)被金屬吸熱管外避免吸收的部分；

τ——時(shí)間。

2.2.2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槽式集熱器采光平面并且將會(huì)被金屬吸熱管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)和集熱元件光學(xué)損失系數(shù)。反光鏡光學(xué)損失系數(shù)包括反光鏡反射率、追蹤損失系數(shù)、幾何準(zhǔn)確度系數(shù)和反光鏡潔凈度系數(shù)，這四項(xiàng)分別反映了集熱場(chǎng)在實(shí)際運(yùn)行中由于結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確度、反光鏡形狀、鍍膜質(zhì)量以及灰塵等原因產(chǎn)生的各種光學(xué)損失；集熱元件光學(xué)損失系數(shù)包括玻璃管潔凈度系數(shù)、玻璃管透射率、玻璃管反射率、玻璃管發(fā)射率、密封頭損失系數(shù)、金屬涂層吸收率系數(shù)以及其他損失系數(shù)，這七項(xiàng)分別反映了集熱器場(chǎng)在實(shí)際運(yùn)行中由于集熱元件本身的物性、灰塵覆蓋、密封頭遮擋、金屬涂層老化以及不確定因素等原因引起的損失。

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

Si=IbiηoptηK1

(9)

其中，Ibi為場(chǎng)址所在地代表年太陽能法向直接輻射照度(DNI)；

入射角修正系數(shù)：

K1=cosθ+0.000 848θ-0.000 053 69θ2

(10)

2.2.3散熱模型

集熱系統(tǒng)的散熱模型主要以真空管散熱損失為主。真空管散熱損失由于涉及真空、透明體玻璃管和膜層隨溫度的變物性，真空管熱損的計(jì)算較為困難，一般均采用實(shí)驗(yàn)測(cè)量方法獲得。本報(bào)告真空管散熱損失模型采用SCHOTT的真空管的熱損系數(shù)測(cè)試數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)進(jìn)行建模分析。表1為SCHOTT PTR70真空管熱損系數(shù)，根據(jù)吸熱管與環(huán)境的溫差值以及熱損系數(shù)，擬合出熱損曲線及公式見圖1。

表1　SCHOTT PTR70真空管熱損系數(shù)測(cè)定值

圖1　熱損系數(shù)擬合曲線

2.3換熱及發(fā)電系統(tǒng)模型

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

(1)油、汽管道散熱損失

油、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(jì)算所得：

(11)

式中T1——管道內(nèi)溫度；T∞——環(huán)境溫度；r1——管道內(nèi)徑；r2——內(nèi)層保溫半徑；r3——外層保溫半徑；L——管長(zhǎng)；hc,1——管道內(nèi)流體傳熱系數(shù)；hc,3——管道外環(huán)境傳熱系數(shù)；λa——內(nèi)層保溫傳熱系數(shù)；λb——外層保溫傳熱系數(shù)。

(2)換熱設(shè)備效率損失

導(dǎo)熱油依次通過四級(jí)過熱器和高壓蒸汽發(fā)生器、高溫?zé)崴畵Q熱器、低溫?zé)崴畵Q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

蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)推動(dòng)發(fā)電機(jī)做功，做功后的乏汽通過凝汽器排放。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。本報(bào)告將根據(jù)收集到的汽輪機(jī)數(shù)據(jù)，擬合出各工況下發(fā)電功率及發(fā)電效率曲線。以50 MW汽輪機(jī)為例，擬合功率—效率曲線及公式：

圖2　50 MW汽輪機(jī)發(fā)電效率隨功率變化曲線

儲(chǔ)熱系統(tǒng)將根據(jù)設(shè)計(jì)的汽輪發(fā)電機(jī)組裝機(jī)容量和蓄熱時(shí)間，通過機(jī)組的熱平衡，求得在T1時(shí)間內(nèi)汽輪發(fā)電機(jī)組運(yùn)行所消耗的熱量Q0。在放熱過程中，熔鹽罐中所儲(chǔ)存的鹽全部從熱鹽罐經(jīng)油-鹽換熱器放熱后進(jìn)入冷鹽罐，導(dǎo)熱油在油-鹽換熱器重吸收熱量溫度升高，然后加熱水或蒸汽，推動(dòng)汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。蓄熱時(shí)間為T1的儲(chǔ)熱裝置最少吸收熱量Q1可計(jì)算為：

(12)

其中，Pe為太陽能熱電站裝機(jī)容量；T1為儲(chǔ)熱時(shí)間；ηe為汽輪機(jī)組額定工況下絕對(duì)效率；η1為儲(chǔ)熱系統(tǒng)放熱過程效率。

2.4光熱電站發(fā)電量計(jì)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(shí)太陽能直射輻射總量(DNI)，結(jié)合主要設(shè)備類型案，進(jìn)行太陽能電站年發(fā)電量估算。

光熱發(fā)電站年平均發(fā)網(wǎng)電量Ep計(jì)算如下：

Ep=EJr+EBr

(13)

EJr=HJ×(1+C×ηCr)×ηGd×ηH×ηQj

(14)

EBr=HBr×ηBg×ηGd×ηQj

(15)

HJ=∑Si×nSJ×ηG×ηQ

HBr=B×Qnet

式中Ep——多年平均發(fā)電量，kWh；EJr——太陽能集熱器驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電的平均發(fā)電量，kWh；EBr——補(bǔ)燃鍋爐驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電的平均發(fā)電量，kW·h；HJ——集熱器集熱量，kWh；HBr——余熱鍋爐補(bǔ)燃所輸入的熱量，kWh；HCr——儲(chǔ)熱量，kWh；SJ——單臺(tái)集熱器有效反射鏡面積，m2；n——集熱器數(shù)量；C——儲(chǔ)熱比例；ηG——光照有效系數(shù)；ηK——太陽能發(fā)電系統(tǒng)可用率；ηCr——儲(chǔ)熱效率；ηQ——棄光損失效率；ηGd——管路系統(tǒng)熱損失效率；ηH——換熱設(shè)備效率；ηBg——補(bǔ)燃鍋爐效率；ηQj——汽輪機(jī)效率；B——燃料耗量，Nm3/h；Qnet——燃料低位熱值，kJ/Nm3。

以青海某地一個(gè)50 MW的槽式太陽能光熱發(fā)典系統(tǒng)為例計(jì)算發(fā)電量，該系統(tǒng)包括51.24萬

m2槽式太陽能集熱系統(tǒng)+130 MW蒸汽發(fā)生系統(tǒng)+1臺(tái)50 MW汽輪發(fā)電機(jī)組+3 h儲(chǔ)熱系統(tǒng)+3臺(tái)25 MW導(dǎo)熱油鍋爐，計(jì)算結(jié)果見表2。

表2　理論發(fā)電量計(jì)算

3結(jié)論

本文主要基于目前較為成熟的槽式發(fā)電技術(shù)著重對(duì)發(fā)電量計(jì)算進(jìn)行了深入的研究，研究了槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)各模塊計(jì)算模型以及相應(yīng)的計(jì)算公式和取值依據(jù)，從太陽能光照資源出發(fā)，綜合考慮集熱系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)、儲(chǔ)熱系統(tǒng)以及常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)各環(huán)節(jié)效率及折減因素，研究建立了一套太陽能槽式發(fā)電量計(jì)算模型，形成了一個(gè)完整的太陽能槽式光熱系統(tǒng)發(fā)電量計(jì)算方法，并通過一個(gè)典型工程案例對(duì)項(xiàng)目的系統(tǒng)發(fā)電量進(jìn)行了計(jì)算。本文提出的計(jì)算方法主要基于現(xiàn)有理論進(jìn)行公式推導(dǎo)得出，下一步需要根據(jù)已經(jīng)成功運(yùn)行的光熱電站的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，然后逐個(gè)進(jìn)行參數(shù)取值的偏差分析，以期得到更加準(zhǔn)確切合實(shí)際運(yùn)行的計(jì)算參數(shù)和修正系數(shù)，為光熱發(fā)電項(xiàng)目前期咨詢及后期運(yùn)行預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)提供參考。

參考文獻(xiàn)：

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[2]王志峰，等.太陽能熱發(fā)電站設(shè)計(jì)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2014.

[3]何梓年，等.太陽能熱利用[M].合肥：中國(guó)科技大學(xué)出版社，2008.

(本文編輯：楊林青)

Research on Calculation of Solar Thermal Power Generation

FENG Yun-gang，CUI Yun，JIANG Hao

(ShanghaiElectricPowerDesignInsituteCo.,Ltd.,Shanghai200021,China)

Abstract:For parabolic trough solar thermal power generation system, based on the aspects of optics, mechanics, heat transfer, material science theory knowledge, from the solar energy resources of, considering the set a heating system, heating system, heat storage system and conventional power system the link efficiency and fold reduction factors, study the establishment of the parabolic trough solar power generation capacity of a calculation model, for solar thermal power generation is currently consulting and late forecast data to provide a refence.

Key words:solar thermal power generation; power generation calculation; model; DNI

DOI：10.11973/dlyny201601021

作者簡(jiǎn)介：馮云崗(1981)，男，碩士，高級(jí)工程師，從事新能源發(fā)電設(shè)計(jì)。

中圖分類號(hào)：TM615

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-1256(2016)01-0093-05

收稿日期：2015-10-21