槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電性能評(píng)估模型

董 軍，徐二樹(shù)，馬 馳，張亞南，于 剛，斯楞戈

(1.中廣核太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)有限公司，北京 100070；2.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院， 北京 102206；3.中廣核風(fēng)電有限公司，北京 100070)

0 引 言

太陽(yáng)能熱發(fā)電通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)解決了太陽(yáng)能發(fā)電的波動(dòng)性與間歇性問(wèn)題，可承擔(dān)基礎(chǔ)電力負(fù)荷和調(diào)峰負(fù)荷，是我國(guó)能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的重要技術(shù)途徑。太陽(yáng)能熱發(fā)電在我國(guó)還處于研究的初期階段，太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目的立項(xiàng)決策和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)還需要依靠國(guó)外機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)的性能評(píng)估軟件。由于財(cái)務(wù)政策和計(jì)算方法的不同，使用并不方便，急需開(kāi)發(fā)適合我國(guó)國(guó)情的太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)估軟件。

太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)估的關(guān)鍵是確定其壽命期發(fā)電量。為了準(zhǔn)確估算槽式聚光太陽(yáng)能熱發(fā)電(Concentrating Solar Power，CSP)的壽命期發(fā)電量，國(guó)內(nèi)外學(xué)者展開(kāi)了槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)性能評(píng)估模型和動(dòng)態(tài)特性模型研究。性能評(píng)估模型一般采用靜態(tài)模型，靜態(tài)模型的典范是美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的SAM模型，該模型既可用于槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電可行性研究階段的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)，也可基于實(shí)際電站廠址和氣象條件進(jìn)行系統(tǒng)容量和儲(chǔ)能系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化。李博等[1]針對(duì)我國(guó)西部?jī)蓚€(gè)地區(qū)，對(duì)50 MW槽式CSP電站通過(guò)SAM軟件和Greenius軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬計(jì)算，對(duì)儲(chǔ)熱時(shí)長(zhǎng)、年發(fā)電量、年利用小時(shí)數(shù)和光電效率等進(jìn)行了計(jì)算。趙明智等[2]利用SAM軟件對(duì)美國(guó)達(dá)科特地區(qū)建設(shè)50 MW的槽式CSP電站進(jìn)行模擬，對(duì)比研究不同太陽(yáng)倍數(shù)和蓄熱時(shí)長(zhǎng)對(duì)系統(tǒng)年凈發(fā)電量、系統(tǒng)年效率及容量因子的影響。當(dāng)前工程應(yīng)用的槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電評(píng)估模型軟件除了SAM軟件外還有Struttura公司開(kāi)發(fā)的ISAAC軟件和Flagsol公司開(kāi)發(fā)的PC-Trough軟件，他們具有與SAM相同的功能，能對(duì)槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電站的日、月和年發(fā)電量進(jìn)行估算。

動(dòng)態(tài)特性模型研究方面，楊維佳[3]利用 MATLAB 建立了帶回?zé)岬挠袡C(jī)朗肯循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)性能計(jì)算模型，以武漢地區(qū)的氣象條件為背景，對(duì)發(fā)電系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。Garc′a等[4]建立了帶有儲(chǔ)熱系統(tǒng)的槽式CSP模型，利用Andasol 2電站的運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)模型的進(jìn)行了驗(yàn)證，可以模擬槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電的動(dòng)態(tài)過(guò)程。Al-Maliki等[5]開(kāi)發(fā)的CSP電站模型具有更加詳細(xì)的集熱場(chǎng)模塊、儲(chǔ)熱模塊、蒸汽動(dòng)力循環(huán)模塊，通過(guò)模型優(yōu)化運(yùn)行策略能夠顯著提高電站的運(yùn)行時(shí)間，在有太陽(yáng)輻照時(shí)，提升發(fā)電量26%；在無(wú)太陽(yáng)輻照用儲(chǔ)熱系統(tǒng)放熱時(shí)，提升發(fā)電量36%。Camacho等[6]開(kāi)發(fā)了一套模型用于計(jì)算不同太陽(yáng)輻照度時(shí)集熱場(chǎng)傳熱介質(zhì)的最佳出口溫度，該溫度能使CSP 電站凈發(fā)電量最大化，算法中的蒸汽動(dòng)力循環(huán)發(fā)電量為傳熱介質(zhì)出口溫度的函數(shù)，泵耗功為集熱場(chǎng)傳熱介質(zhì)總流量的函數(shù)。宋士金[7]應(yīng)用TRNSYS瞬態(tài)仿真模擬軟件，模擬計(jì)算了CSP系統(tǒng)的發(fā)電量，分析了槽式CSP的聚光集熱系統(tǒng)、換熱系統(tǒng)和發(fā)電系統(tǒng)，探討了在內(nèi)蒙古百靈廟地區(qū)建立槽式CSP的可行性。

當(dāng)前工程應(yīng)用的太陽(yáng)能熱發(fā)電性能評(píng)估模型軟件都是國(guó)外機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)的，這些評(píng)估軟件發(fā)電量計(jì)算模型采用1 h為計(jì)算步長(zhǎng)的靜態(tài)模型，存在以下不足：(1)不能準(zhǔn)確計(jì)算太陽(yáng)輻照短時(shí)間波動(dòng)引起的槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)變工況過(guò)程發(fā)電量；(2)采用的財(cái)務(wù)模型與我國(guó)企業(yè)財(cái)務(wù)計(jì)算方法不一致，在進(jìn)行國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目評(píng)估時(shí)，使用不方便。本研究是在國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)“太陽(yáng)能槽式集熱發(fā)電技術(shù)研究與示范”項(xiàng)目研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合“中廣核德令哈50 MW槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電示范項(xiàng)目”的工程實(shí)踐，根據(jù)槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)組成和工作原理，建立了槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電集熱場(chǎng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生器和汽輪發(fā)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)模型，采用小計(jì)算步長(zhǎng)，準(zhǔn)確計(jì)算了不同氣象條件下槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電各個(gè)時(shí)刻的發(fā)電量。同時(shí)，根據(jù)我國(guó)財(cái)務(wù)政策和工程項(xiàng)目現(xiàn)金流財(cái)務(wù)計(jì)算方法，建立了槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目財(cái)務(wù)計(jì)算模型。在上述模型基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)了適合我國(guó)國(guó)情的槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電性能評(píng)估軟件，為我國(guó)槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)價(jià)和項(xiàng)目投資決策提供技術(shù)支撐。

1 槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)

槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)主要由拋物面槽式聚光器構(gòu)成的集熱系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生系統(tǒng)、儲(chǔ)熱系統(tǒng)和汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)組成，如圖1所示。槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電的工作過(guò)程是：通過(guò)拋物面槽式聚光器將太陽(yáng)光聚焦到安裝在焦線位置的真空管吸熱器上，加熱真空管內(nèi)的導(dǎo)熱油，吸熱后導(dǎo)熱油流經(jīng)蒸汽發(fā)生器加熱水工質(zhì)，產(chǎn)生高溫高壓蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電。在槽式太陽(yáng)能熱電系統(tǒng)中配置儲(chǔ)熱系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)電廠的持續(xù)發(fā)電或提高電能輸出的平穩(wěn)性。儲(chǔ)能系統(tǒng)通常采用熔鹽作為儲(chǔ)熱材料，當(dāng)白天太陽(yáng)輻射能充足的時(shí)候，從集熱場(chǎng)流出的高溫導(dǎo)熱油一部分進(jìn)入導(dǎo)熱油/水換熱器，還有一部分進(jìn)入導(dǎo)熱油/熔融鹽換熱器，高溫導(dǎo)熱油和來(lái)自低溫熔鹽儲(chǔ)罐的熔融鹽換熱后變成低溫導(dǎo)熱油，再回到集熱場(chǎng)。來(lái)自低溫儲(chǔ)熱罐的熔融鹽經(jīng)導(dǎo)熱油/熔融鹽換熱器加熱后變成高溫熔融鹽，進(jìn)入高溫蓄熱罐儲(chǔ)存。夜間或者太陽(yáng)輻照不足的時(shí)候，高溫蓄熱罐的熔融鹽進(jìn)入導(dǎo)熱油/熔融鹽換熱器，與低溫導(dǎo)熱油換熱，高溫熔融鹽變成低溫熔融鹽，進(jìn)入低溫蓄熱罐儲(chǔ)存。低溫導(dǎo)熱油經(jīng)導(dǎo)熱油/熔融鹽換熱器加熱后變成高溫導(dǎo)熱油，高溫導(dǎo)熱油進(jìn)入導(dǎo)熱油/水換熱器與水換熱，產(chǎn)生高溫高壓蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組發(fā)電，與水換熱后的低溫導(dǎo)熱油再次進(jìn)入導(dǎo)熱油/熔融鹽換熱器，形成循環(huán)回路。

圖1 槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)Fig.1 Trough solar thermal power generation system

2 槽式太陽(yáng)能熱發(fā)性能評(píng)估軟件的框架結(jié)構(gòu)

槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電性能評(píng)估軟件由3個(gè)模塊組成。第一個(gè)模塊為定義模塊，該模塊根據(jù)氣象數(shù)據(jù)和槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行各個(gè)子系統(tǒng)(例如：汽輪機(jī)發(fā)電機(jī)組，儲(chǔ)熱系統(tǒng)，蒸汽發(fā)生器，太陽(yáng)集熱場(chǎng))初始參數(shù)設(shè)定。第二個(gè)模塊為發(fā)電量和財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)計(jì)算模塊，根據(jù)第一個(gè)模塊的初始數(shù)據(jù)，基于槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能模型和財(cái)務(wù)模型進(jìn)行計(jì)算，時(shí)間步長(zhǎng)可以按照需要調(diào)整為1 h、30 min、15 min或5 min，當(dāng)計(jì)算完成后，得到槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的主要性能數(shù)據(jù)和財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)。第三個(gè)模塊是報(bào)表模塊，進(jìn)行匯總結(jié)果，形成報(bào)告，輸出性能參數(shù)計(jì)算結(jié)果。輸出的結(jié)果包括：入射太陽(yáng)直接輻射，集熱場(chǎng)得熱量、平均熱損，蒸汽發(fā)生器產(chǎn)生的熱能，總發(fā)電量，自用電量，凈電量，從電網(wǎng)饋電，度電成本、月和年度收支等。槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電性能評(píng)估模型軟件的框架如圖2所示。

圖2 槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電性能評(píng)估模型架構(gòu)Fig.2 Performance evaluation model framework of trough solar thermal power generation system

3 槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)主要設(shè)備模型

3.1 集熱器模型

大型槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)集熱場(chǎng)擁有上百個(gè)集熱回路，每個(gè)集熱回路由4個(gè)集熱器串聯(lián)而成，集熱器由聚光器和真空吸熱管構(gòu)成。為了模擬計(jì)算聚光器集熱過(guò)程和真空集熱管內(nèi)流動(dòng)換熱過(guò)程，本研究根據(jù)集熱器結(jié)構(gòu)和工作原理，開(kāi)發(fā)了集熱器動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型[8]。槽式集熱器動(dòng)態(tài)模型如圖3所示。

圖3 槽式集熱器模型Fig.3 Model of trough collector

真空吸熱管得到的能量：

Qabs=(I·cosθ·IAM·W·L)·

dt·frowshadow·fendloss·fhce

(1)

式中：Qabs為單位時(shí)間內(nèi)真空吸熱管得到的能量，kJ；I太陽(yáng)法向直射輻照，W/m2；θ為光線入射角；IAM為入射角修正系數(shù)；W為聚光器的開(kāi)口寬度，m；L為聚光器的長(zhǎng)度，m;frowshadow為聚光器行間遮擋損失系數(shù)；fendloss為集熱器端部損失系數(shù)；fhce為集熱器光學(xué)效率。

真空吸熱管能量平衡：

βA2[Tm(t)-Te(t)]

(2)

真空吸熱管內(nèi)導(dǎo)熱油能量平衡：

v(t)ρfcf[Ti(t)-To(t)]

(3)

式中：α是吸熱管金屬管壁與導(dǎo)熱油的換熱系數(shù)；β是吸熱管對(duì)環(huán)境的熱損失系數(shù)，W/m2·℃；G代表對(duì)應(yīng)吸熱管微元的聚光器開(kāi)口面積，m2；v(t)代表導(dǎo)熱油容積流量，m3/s；A1代表集熱管內(nèi)表面積，m2；A2代表集熱管外表面積，m2；T,ρf,cf,Vf分別代表導(dǎo)熱油的溫度、密度和比熱和體積，單位分別是℃、kg/m3、J/(kg·K)、m3；ρm,cm,Tm,Vm分別代表吸熱管金屬密度、比熱和溫度和體積，單位分別是m2、kg/m3、J/(kg·K)、℃和m3；Te代表環(huán)境溫度，℃；Ti、To代表導(dǎo)熱油進(jìn)、出口溫度，℃。

以上方程需要計(jì)算真空吸熱管金屬管壁與導(dǎo)熱油的換熱系數(shù)α，本文采用Dittus-Boelter關(guān)聯(lián)式[12]計(jì)算對(duì)流換熱系數(shù)：

(4)

式中：λ為流體導(dǎo)熱系數(shù)，W/m2·K；l為特征尺寸，m；Re為雷諾數(shù)；Pr為普朗特?cái)?shù)。

3.2 導(dǎo)熱油/熔融鹽換熱器模型

導(dǎo)熱油/熔融鹽換熱器是儲(chǔ)能系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其主要功能是實(shí)現(xiàn)導(dǎo)熱油與熔融鹽介質(zhì)的換熱，在儲(chǔ)熱時(shí)將高溫導(dǎo)熱油攜帶的熱能傳遞給熔融鹽，高溫熔融鹽泵入高溫儲(chǔ)罐，進(jìn)行儲(chǔ)熱；在放熱時(shí)，高溫熔融鹽加熱導(dǎo)熱油，低溫熔融鹽回到低溫儲(chǔ)罐，高溫導(dǎo)熱油進(jìn)入蒸汽發(fā)生器加熱給水。導(dǎo)熱油/熔融鹽換熱器模型示意圖如圖4所示[10，11]。

圖4 油/鹽換熱器的模型簡(jiǎn)圖Fig.4 Schematic of oil/salt heat exchanger model

導(dǎo)熱油側(cè)能量守恒方程：

(5)

式中：cp_oil為導(dǎo)熱油比熱，kJ/(kg·℃ )；moil為換熱器內(nèi)導(dǎo)熱油存量，kg；Toil為換熱器內(nèi)導(dǎo)熱油溫度，℃；Dm_oil為導(dǎo)熱油流量，kg/s；hoil_in，hoil_out分別為導(dǎo)熱油進(jìn)出口焓值，kJ/kg；Qoil為導(dǎo)熱油對(duì)換熱管壁換熱量，kJ；dt為計(jì)算步長(zhǎng)，s。

導(dǎo)熱油對(duì)換熱管的換熱量：

Qoil=αAi(Toil-Ttube)

(6)

式中：對(duì)流換熱系數(shù)α采用Gnielinski公式[12]求得

(7)

式中：Ai為導(dǎo)熱油側(cè)換熱面積，m2；Ttube為換熱管金屬溫度，℃；f為Darcy阻力系數(shù)；Re為雷諾數(shù)；Prf，Prw為流體和壁面對(duì)應(yīng)普朗特?cái)?shù)；di為換熱管管徑，m；l為換熱管管長(zhǎng)，m；λ導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m·℃)。

熔融鹽側(cè)的能量守恒方程如下：

(8)

式中：cp_salt為熔融鹽比熱，kJ/(kg·℃ )；msalt為換熱器內(nèi)熔融鹽存量，kg，Tsalt為換熱器內(nèi)熔融鹽溫度，℃；Dm_salt為熔融鹽流量，kg/s；hsalt_in、hsalt_out分別為熔融鹽進(jìn)出口焓值，kJ/(kg·K)，Qsalt為換熱管導(dǎo)對(duì)熔融鹽的換熱量，kJ。

熔融鹽對(duì)換熱管的換熱量：

Qsalt=α′Ao(Ttube-Tsalt)

(9)

式中：Ao為熔融鹽側(cè)換熱面積，m2，Ttube為為換熱管金屬溫度，℃，Tsalt為換熱器內(nèi)熔融鹽溫度，℃。

其中，對(duì)流換熱系數(shù)α′采用Zhukauskas關(guān)聯(lián)式[8]求得

(10)

式中：k為導(dǎo)熱系數(shù) (W/(m·℃));do為換熱管管徑，m。

換熱管壁能量守恒方程：

(11)

式中：cp_tube為換熱管金屬比熱，kJ/(kg·℃ )；mtube為換熱管的金屬質(zhì)量，kg。

3.3 蒸汽發(fā)生器模型

蒸汽發(fā)生器是利用高溫導(dǎo)熱油加熱水工質(zhì)產(chǎn)生高溫、高壓蒸汽的裝置。本文根據(jù)蒸汽發(fā)生器的結(jié)構(gòu)和工作原理，基于質(zhì)量守恒、能量守恒原理，建立蒸汽發(fā)生器動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。該模型利用汽液相界面將蒸汽發(fā)生器內(nèi)部分成汽相空間和液相空間，分別在汽相空間和液相空間進(jìn)行質(zhì)量和能量平衡計(jì)算，通過(guò)動(dòng)態(tài)蒸發(fā)量和動(dòng)態(tài)凝結(jié)量把汽相空間和液相空間關(guān)聯(lián)起來(lái)。蒸汽發(fā)生器模型如圖5所示。

圖5 蒸汽發(fā)生器模型Fig.5 Model of steam generator

蒸發(fā)器內(nèi)總質(zhì)量守恒方程：

(12)

蒸發(fā)器內(nèi)總能量守恒方程：

(13)

汽相空間質(zhì)量守恒方程：

(14)

汽相空間能量守恒方程：

(15)

液相空間質(zhì)量守恒方程：

(16)

液相空間能量守恒方程：

DbdownH′+Q

(17)

V=vwater+vsteam

(18)

式中：Dfw為進(jìn)入蒸汽發(fā)生器給水流量，kg/s；Hfw為進(jìn)入蒸汽發(fā)生器給水焓值,kJ/kg·℃；Dcon為蒸汽發(fā)生器內(nèi)蒸汽動(dòng)態(tài)凝結(jié)流量；Devap為蒸汽發(fā)生器內(nèi)動(dòng)態(tài)蒸發(fā)流量，kg/s；V為蒸汽發(fā)生器總?cè)莘e，m3；Dsteam為蒸汽發(fā)生器出口蒸汽流量，kg/s；vsteam為蒸汽發(fā)生器內(nèi)汽相空間容積，m3；vwater為蒸汽發(fā)生器內(nèi)液相空間容積，m3；Dbdown為蒸汽發(fā)生器的排污流量，kg/s；ρ′為蒸汽發(fā)生器內(nèi)水的密度，kg/m3；ρ″為蒸汽發(fā)生器內(nèi)汽體的密度，kg/m3；H′為蒸汽發(fā)生器內(nèi)水的焓值，kJ/kg·℃；H″為蒸汽發(fā)生器內(nèi)蒸汽的焓值，kJ/kg·℃。

3.4 汽輪機(jī)級(jí)功率模型

為了計(jì)算汽輪機(jī)的功率輸出，根據(jù)汽輪機(jī)缸體結(jié)構(gòu)和抽汽級(jí)數(shù)，將汽輪機(jī)劃分為不同的級(jí)組，每個(gè)級(jí)組內(nèi)沒(méi)有蒸汽的抽出。通過(guò)級(jí)組的進(jìn)口壓力、焓值、出口壓力計(jì)算級(jí)組的等熵焓降，再根據(jù)實(shí)際機(jī)組效率，確定汽輪機(jī)組的功率。

(19)

3.5 度電成本模型

度電成本(LCOE)是電站經(jīng)濟(jì)性的考核指標(biāo)，是指項(xiàng)目壽命期單位上網(wǎng)電量所發(fā)生的綜合成本，主要包括項(xiàng)目的投資成本、運(yùn)維成本和財(cái)務(wù)費(fèi)用。

(20)

式中：Vd為工程動(dòng)態(tài)投資，元；Cr為生命周期內(nèi)運(yùn)維成本，元；Ef為生命周期內(nèi)財(cái)務(wù)費(fèi)用，元；Rv為固定資產(chǎn)殘值，元；Ptotal為生命周期內(nèi)總發(fā)電量，kW·h 。

工程動(dòng)態(tài)投資Vd計(jì)算公式為

Vd=Vs+Ic

(21)

式中：Vs為工程靜態(tài)投資，元；Ic為建設(shè)期利息，元。

生命周期內(nèi)運(yùn)維成本計(jì)算公式：

(22)

式中：Ci為第i年運(yùn)維成本用，元；n為生命周期年數(shù)，年。

生命周期內(nèi)財(cái)務(wù)費(fèi)用Ef：

(23)

式中：Ei為第i年財(cái)務(wù)費(fèi)用，元；固定資產(chǎn)殘值Rv計(jì)算公式：

Rv=AfRa

(24)

式中：Af為形成固定資產(chǎn)，元；Ra為固定資產(chǎn)殘值率。

4 槽式太陽(yáng)能熱發(fā)性能評(píng)估模型應(yīng)用

以德令哈50 MW槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目為目標(biāo)電站，分別在我國(guó)青海省德令哈、內(nèi)蒙古鄂爾多斯和美國(guó)布魯姆菲爾德建設(shè)，對(duì)三個(gè)電站進(jìn)行項(xiàng)目的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)估，來(lái)檢驗(yàn)本評(píng)估軟件的應(yīng)用效果。德令哈50 MW槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電站主要設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示，三個(gè)建設(shè)地地理和氣象參數(shù)如表2所示，圖6、7、8為三個(gè)建設(shè)地典型年度的DNI值，圖9、10、11為三個(gè)建設(shè)地典型年度環(huán)境溫度和風(fēng)速。將上述電站的設(shè)計(jì)參數(shù)和氣象環(huán)境參數(shù)作為輸入，利用本文開(kāi)發(fā)的槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電性能評(píng)估軟件進(jìn)行計(jì)算，表3、4分別為三個(gè)電站的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)參數(shù)計(jì)算結(jié)果，圖12、13、14是三個(gè)評(píng)估電站典型年的每月發(fā)電量，圖15是三個(gè)電站得熱量、儲(chǔ)熱發(fā)電量、發(fā)電量的對(duì)比。從計(jì)算結(jié)果可以看出，針對(duì)一個(gè)設(shè)計(jì)為集熱場(chǎng)總集熱面積為621 300 m2，最大儲(chǔ)熱量為1 306.25 MW·ht的50 MW槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電站在不同建設(shè)地，因建設(shè)地的氣象環(huán)境條件不同，項(xiàng)目的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果截然不同，德令哈電站因全年太陽(yáng)法向直射輻照值(DNI)高，相應(yīng)的年發(fā)電量也高，壽命期度電成本為0.839元/kW·h，項(xiàng)目的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性最好。而鄂爾多斯的全年太陽(yáng)法向直射輻照值(DNI)低于德令哈和布魯姆菲爾德，年發(fā)電了也較低，壽命期度電成本為0.936元/kW·h，項(xiàng)目的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性鄂爾多斯最差。為驗(yàn)證本槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電性能評(píng)估軟件的正確性，利用SAM軟件對(duì)上述三個(gè)電站的年發(fā)電量進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表5所示。從表3和4發(fā)電量的計(jì)算結(jié)果來(lái)看，本文開(kāi)發(fā)評(píng)估軟件計(jì)算的年發(fā)電量高于SAM軟件的計(jì)算值，三個(gè)電站年發(fā)電量計(jì)算誤差分別為：1.04%、4.18%和2.18%。

表1 電站主要參數(shù)配置Tab.1 Main parameters configuration of power station

表2 電站地理位置及氣象參數(shù)Tab.2 Geographical location and meteorological parameters of power stations

圖6 德令哈建設(shè)地DNIFig.6 Delingha construction site DNI

圖7 鄂爾多斯建設(shè)地DNIFig.7 Erdos construction site DNI

圖8 布魯姆菲爾德建設(shè)地DNIFig.8 Broomfield construction site DNI

圖9 德令哈建設(shè)地溫度和風(fēng)速Fig.9 Delingha construction site temperature and wind speed

圖10 鄂爾多斯建設(shè)地氣溫和風(fēng)速Fig.10 Erdos construction site temperature and wind speed

圖11 布魯姆菲爾德建設(shè)地氣溫和風(fēng)速Fig.11 Broomfield construction site temperature and wind speed

表3 電站技術(shù)參數(shù)計(jì)算結(jié)果Tab.3 Calculation results of technical parameters of power stations

圖12 德令電站年發(fā)電量Fig.12 Annual power generation of Delingha power station

圖13 鄂爾多斯電站年發(fā)電量Fig.13 Annual power generation of Erdos power station

圖14 電站年發(fā)電量Fig.14 Annual power generation of Broomfield power station

表4 電站經(jīng)濟(jì)參數(shù)的計(jì)算結(jié)果Tab.4 Calculation results of economic parameters of power station

圖15 不同電站發(fā)電量對(duì)比Fig.15 Comparison of power generation of different power stations

表5 SAM軟件計(jì)算結(jié)果Tab.5 SAM software calculates results

為了驗(yàn)證小步長(zhǎng)計(jì)算的可行性，本文以德令哈50 MW槽式太陽(yáng)能電站2019年30 min 間隔DNI實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了典型日發(fā)電量計(jì)算，30 min間隔的實(shí)測(cè)DNI數(shù)據(jù)如圖16所示。以30 min間隔DNI數(shù)據(jù)計(jì)算的春分日、夏至日、秋分日和冬至日發(fā)電量結(jié)果如圖17、18、19、20所示。

圖16 德令哈建設(shè)地2019年DNI實(shí)測(cè)值(時(shí)間間隔30 min) Fig.16 DNI measured value of Delingha Construction Site in 2019 (interval of 30 min)

圖17 德令哈電站2019年春分日年發(fā)電量 Fig.17 Daily generating capacity of Delingha Power Station on vernal equinox in 2019

圖18 德令哈電站2019年夏至日發(fā)電量Fig.18 Daily generating capacity of Delingha Power Station on summer solstice in 2019

圖19 德令電站2019年秋分日發(fā)電量Fig.19 Daily generating capacity of Delingha Power Station on autumnal equinox in 2019

圖20 德令電站2019年冬至日發(fā)電量Fig.20 Daily generating capacity of Delingha Power Station on winter solstice in 2019

利用本文開(kāi)發(fā)的槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電評(píng)估軟件對(duì)不同地域建設(shè)50 MW槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目的評(píng)估結(jié)果、與SAM軟件發(fā)電量計(jì)算結(jié)果的對(duì)比結(jié)論以及小步長(zhǎng)典型日計(jì)算結(jié)果表明：本文開(kāi)發(fā)的槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電性能評(píng)估軟件發(fā)電量計(jì)算采用動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是可行的，計(jì)算結(jié)果也是準(zhǔn)確的。能夠用于我國(guó)國(guó)內(nèi)建設(shè)的槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電站項(xiàng)目的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)估。

5 結(jié) 論

太陽(yáng)能熱發(fā)電發(fā)電量的準(zhǔn)確計(jì)算，直接影響太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目的立項(xiàng)決策。當(dāng)前工程應(yīng)用的太陽(yáng)能熱發(fā)電性能評(píng)估模型軟件都是國(guó)外機(jī)構(gòu)開(kāi)發(fā)的，這些評(píng)估軟件發(fā)電量計(jì)算模型采用1 h為計(jì)算步長(zhǎng)的靜態(tài)模型，存在對(duì)太陽(yáng)輻照短時(shí)間波動(dòng)引起的槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)變工況過(guò)程發(fā)電量計(jì)算不精準(zhǔn)和因財(cái)務(wù)計(jì)算方法國(guó)內(nèi)外不一致等問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，本研究根據(jù)槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電的系統(tǒng)組成和工作原理，開(kāi)發(fā)了槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電集熱場(chǎng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)、蒸汽發(fā)生器和汽輪發(fā)電機(jī)組的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，通過(guò)小計(jì)算步長(zhǎng)與動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的結(jié)合，準(zhǔn)確計(jì)算了因氣象條件變化引起槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)變工況過(guò)程的發(fā)電量，壽命期評(píng)估發(fā)電量計(jì)算更為準(zhǔn)確；根據(jù)我國(guó)財(cái)務(wù)計(jì)算方法和項(xiàng)目現(xiàn)金流，開(kāi)發(fā)了適合我國(guó)國(guó)情的槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目財(cái)務(wù)計(jì)算模型?；谏鲜瞿Ｐ?，開(kāi)發(fā)了槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電系統(tǒng)的性能評(píng)估軟件。以德令哈50 MW槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電項(xiàng)目為目標(biāo)電站，在氣象條件不同的三個(gè)建設(shè)地進(jìn)行建設(shè)，利用槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電性能評(píng)估軟和SAM軟件同時(shí)對(duì)三個(gè)電站進(jìn)行發(fā)電量計(jì)算，年發(fā)電量計(jì)算誤差分別為：1.04%、4.18% 和2.18%。表明本文開(kāi)發(fā)的槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電性能評(píng)估軟件發(fā)電量計(jì)算采用動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型是可行的，計(jì)算結(jié)果也是準(zhǔn)確的?？衫帽驹u(píng)估軟件對(duì)我國(guó)國(guó)內(nèi)擬建槽式太陽(yáng)能熱發(fā)電站進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)性評(píng)估。