儲熱容量對槽式太陽能熱發(fā)電的影響研究

高嵩

（中國電力工程顧問集團東北電力設(shè)計院有限公司，長春　130021）

儲熱容量對槽式太陽能熱發(fā)電的影響研究

高嵩

（中國電力工程顧問集團東北電力設(shè)計院有限公司，長春130021）

基于槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)特點，概述配置熔融鹽儲熱系統(tǒng)的槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)，分析認為集熱面積和儲熱時間是影響槽式太陽能熱發(fā)電經(jīng)濟性的關(guān)鍵因素。以50MW裝機規(guī)模為計算模型，依據(jù)某地區(qū)太陽能資源條件，以最低單位電價為優(yōu)化目標，分析了單位電價隨集熱面積、儲熱時間的變化關(guān)系，為工程設(shè)計中優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。

槽式太陽能熱發(fā)電；集熱面積；儲熱時間；儲熱容量

0　引言

儲熱系統(tǒng)對于太陽能光熱發(fā)電電力的平穩(wěn)輸出有重要作用，儲熱系統(tǒng)容量的選擇對光熱電站年發(fā)電量的輸出、配套鏡場面積的選取等重要指標有明顯影響，進而影響單位電價（元/（kW·h））。儲熱系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計對于項目前期可研階段有重要意義。

1　配置儲熱系統(tǒng)的槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)

1.1槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)

槽式太陽能光熱發(fā)電技術(shù)通過拋物面槽式集熱器收集太陽能，將熱量暫時儲存在導(dǎo)熱油或者熔融鹽等工作介質(zhì)中，輸送到蒸汽生產(chǎn)區(qū)加熱水形成蒸汽，最終送至動力區(qū)推動汽輪機發(fā)電［1］。鏡場中的工作介質(zhì)是導(dǎo)熱油，儲熱區(qū)的工作介質(zhì)是熔融鹽，導(dǎo)熱油在管道內(nèi)循環(huán)流動，太陽光將其循環(huán)加熱，達到一定溫度后流向蒸汽發(fā)生區(qū)或者儲熱區(qū)進行發(fā)電或儲能，熔融鹽在冷罐和熱罐之間循環(huán)流動進行儲熱或放熱。

槽式太陽能發(fā)電技術(shù)從是否配置儲熱系統(tǒng)的角度可分為兩類：帶儲熱系統(tǒng)和不帶儲熱系統(tǒng)。早期的槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)由于儲能技術(shù)不成熟等因素，少有配置儲能系統(tǒng)，如美國SEGS系列槽式電站均未配置儲熱系統(tǒng)。后期隨著儲熱技術(shù)的成熟完善，采用槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)、配置儲熱系統(tǒng)的電站越來越多，如Andasol。太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)中采用儲熱技術(shù)的目的是提高年發(fā)電小時數(shù)，降低發(fā)電成本，它可以實現(xiàn)：（1）提高年利用率；（2）電力輸出更平穩(wěn)；（3）降低發(fā)電成本等［2］。文獻［3］指出，對于全年太陽輻射高于1300（kW·h）/m2的地區(qū)，采用太陽能熱發(fā)電的經(jīng)濟性要高于光伏發(fā)電系統(tǒng)。

1.2熔融鹽儲熱介質(zhì)

太陽能熱發(fā)電技術(shù)是利用聚集太陽能的輻射能生產(chǎn)蒸汽推動汽輪機發(fā)電的綠色能源技術(shù)，目前商業(yè)化成熟的發(fā)電形式主要是槽式太陽能熱發(fā)電和塔式太陽能熱發(fā)電。槽式太陽能熱發(fā)電吸熱工質(zhì)是導(dǎo)熱油，儲熱工質(zhì)是熔融鹽；塔式太陽能熱發(fā)電的吸熱、儲熱工質(zhì)均是熔融鹽。由此可見，熔融鹽作為儲熱工質(zhì)已在太陽能熱發(fā)電行業(yè)得到廣泛認可［4］。目前，在槽式太陽能熱發(fā)電技術(shù)中應(yīng)用較為普遍的是采用二元熔融鹽作為儲熱介質(zhì)的雙罐式儲熱系統(tǒng)，利用液體顯熱儲熱技術(shù)，通常其組分約為60％ NaNO3和40％KNO3。國內(nèi)目前也有部分科研院校與企業(yè)進行多元鹽的開發(fā)，力圖使熔融鹽具有更大的溫升空間，降低熔融鹽的凝固溫度，在相同儲熱量的情況下，盡可能降低熔融鹽使用總量，進而降低儲熱系統(tǒng)的成本［5］。目前較常見熔融鹽的凝固溫度為230℃，國內(nèi)也有開發(fā)出熔融鹽凝固溫度為120℃的多元鹽企業(yè)，在未來熔融鹽技術(shù)日益發(fā)展的趨勢中，熔融鹽凝固溫度的不斷下降是必然趨勢，這也將推動太陽能光熱發(fā)電成本的降低。

2　集熱面積與儲熱時間對單位電價的影響

太陽能熱發(fā)電技術(shù)中影響單位電價的因素很多，除去常規(guī)熱力系統(tǒng)范圍內(nèi)的因素，主要有集熱面積（即鏡場采光面積）的優(yōu)化、儲熱容量的優(yōu)化、鏡場布置的優(yōu)化、高低溫熔融鹽泵配置的優(yōu)化等。本文在其他條件相同的情況下，只針對集熱面積和儲熱時間對單位電價的影響進行優(yōu)化計算。得出在集熱面積一定時，儲熱時間在一定范圍內(nèi)增大可以增加年發(fā)電量，但儲熱時間繼續(xù)增加而年發(fā)電量不再增加時，單位電價隨著儲熱成本的上升而上升；在儲熱時間一定的條件下，在一定范圍內(nèi)增大集熱面積也可增加年發(fā)電量，但隨著集熱面積的繼續(xù)增加而年發(fā)電量不再增加時，單位電價隨著鏡場成本、土地成本等因素的上升而上升。上述兩種方式年發(fā)電量的增加均伴隨項目投資的增加，儲熱時間和集熱面積的優(yōu)化是一項復(fù)雜但對項目初期有著重要意義的設(shè)計過程。

本文通過建立計算模型，力圖找到合適的優(yōu)化方法，即在相同儲熱時間下，鏡場集熱面積存在一個值，使其對應(yīng)的單位電價最低；同樣，在相同鏡場面積下，儲熱時間同樣會存在一個值使對應(yīng)的單位電價最低。在遇到的實際工程可研階段設(shè)計中，上述兩種情況均較為常見，尤其是場地面積已定，對儲熱時間優(yōu)化設(shè)計時，這個值就是優(yōu)化的目標。

3　計算模型

3.1計算模型介紹

下面以太陽能資源相對豐富的某地區(qū)為例，針對配置雙融鹽罐儲熱技術(shù)的50MW槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，分析集熱面積與儲熱時間對單位電價的影響。該地區(qū)太陽能資源較豐富，太陽輻射量大，日照時數(shù)長，日照百分率高。開發(fā)和利用長久、清潔、無污染的太陽能資源潛力較大，具有利用太陽能的良好條件。該地區(qū)全年直接輻射DNI（DirectNormal Irradiance）約1850（kW·h）/m2。以該地區(qū)的光資源等邊界條件，用軟件對50MW槽式儲熱太陽能熱發(fā)電站進行模擬計算。

計算模型中需要輸入的邊界條件有年直射輻射值、裝機容量、熱電效率、儲熱時間、設(shè)計點太陽直射輻照、初投資各項成本、運營成本、內(nèi)部收益率等因素。

3.2計算模型的輸出

3.2.1集熱面積一定，單位電價與儲熱時間的關(guān)系

集熱面積一定，儲熱時間從4～15h，每個儲熱時間會對應(yīng)一個單位電價，單位電價隨著儲熱時間的增加從1.79元/（kW·h）降至最低點1.12元/（kW·h）后，不再隨儲熱時間的增加而降低，反而上升。本次模型測算儲熱時間截止到15h，若繼續(xù)增加儲熱時間，單位電價會繼續(xù)上升。單位電價隨儲熱時間變化曲線如圖1所示。

分析圖1可知，在相同的集熱面積下，單位電價隨儲熱時間的增加先降低后上升。在相同的集熱面積下，儲熱時間的增加帶來了更多的熱量被儲存，其熱量用于補充光照不足時發(fā)電所需的熱量，進而增加了發(fā)電量，帶來單位電價的降低，但是拐點后單位電價并沒有隨著儲熱時間的增加而進一步降低，是由于集熱面積一定，集熱場能提供的年集熱量是一定的，而儲熱時間增加只是增大了儲熱容量，多余的儲熱容量沒有得到充分利用，所以沒有帶來發(fā)電量的增加，而過大的儲熱容量使初投資增加、運行成本增加等，最終造成單位電價上升。

圖1　單位電價隨儲熱時間變化曲線

不同的太陽倍數(shù)意味著不同的集熱面積，即在不同的集熱面積下，單位電價最低點對應(yīng)的儲熱時間是不同的，對應(yīng)關(guān)系見表1。

表1　單位電價與太陽倍數(shù)及儲熱時間對應(yīng)關(guān)系

分析表1可知，隨著集熱面積、儲熱時間的增加，單位電價從1.15元/（kW·h）降低到1.12元/（kW·h），在裝機容量、光資源條件不變的情況下，不考慮初投資增加等限制因素，單位電價是隨著儲熱時間和集熱面積的增加而逐漸降低的。

3.2.2儲熱時間一定，單位電價與集熱面積的關(guān)系

儲熱時間一定，單位電價隨集熱面積變化曲線如圖2所示。

圖2　單位電價隨集熱面積變化曲線

分析圖2可知，在相同的儲熱時間下，對應(yīng)不同的集熱面積，單位電價是先降低后上升的趨勢。在相同的儲熱時間下，即儲熱容量相同，集熱面積增大先是帶來單位電價的降低，是因為充分利用了儲熱能力而增加了年發(fā)電量；拐點后單位電價反而上升，是因為不變的儲熱容量無法儲存冗余的集熱面積收集來的更多熱量，造成了大量棄熱，而冗余的鏡場面積帶來了初投資浪費，從而引起單位電價上升。

4　結(jié)論

儲熱時間與集熱面積是影響槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)經(jīng)濟性的兩個重要因素，本文分析了儲熱時間與集熱面積對槽式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)單位電價的關(guān)系，并根據(jù)地區(qū)光資源條件進行了模型分析。根據(jù)分析得到以下結(jié)論：槽式太陽能熱發(fā)電站發(fā)電量隨著集熱面積和儲熱時間的增加而增加；在集熱面積不變的條件下，隨儲熱時間的增加單位電價存在最低值，達到該值以后，繼續(xù)增加儲熱時間，造成單位電價上升；在儲熱時間一定的條件下，單位電價也存在最低值，達到該值以后，增大集熱面積單位電價反而會上升。由于電廠初投資中，集熱場約占50％，儲熱系統(tǒng)約占25％，汽輪機動力區(qū)占15％，所以，從集熱面積和儲熱容量兩方面優(yōu)化對降低電廠的單位電價具有重要意義。

［1］KALOGIROUSA.Solarthermalcollectorsandapplications［J］.Progressinenergyandcombustionscience，2004，30（3）：231-295.

［2］HORSTDANIEL.Performancesimulationforparabolic troughconcentratingsolarpowerplantsandexportscenario analysisfornorthafrica［D］.GizaI：Cairouniversity，2012.

［3］QUASCHNINGVOLKER.Technicalandeconomicsystem comparisonofphotovoltaicandconcentratingsolarthermal powersystemsdependingonannualglobalirradiation［J］. Solarenergy，2004（77）：171-178.

［4］MONTESMJ，ABANADESA，MARTINEZ-VALJM，et al.Solarmultipleoptimizationforasolar-onlythermalpowerplant，usingoilasheattransferfluidintheparabolic troughcollectors［J］.Solarenergy，2009，83（12）：2165-2176.

［5］王長貴，崔容強，周篁.新能源發(fā)電技術(shù)［M］.北京：中國電力出版社，2004.

（本文責(zé)編：白銀雷）

TM615

B

1674-1951（2016）09-0071-03

2016-06-22；

2016-08-11

高嵩（1984—），男，吉林長春人，工程師，工學(xué)碩士，從事太陽能光熱發(fā)電設(shè)計研究方面的工作（E-mail：826871454 @qq.com）。