槽式太陽能光熱供蒸汽系統(tǒng)工程設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)探究

沈惠沖

上海電氣工程設(shè)計有限公司

0 引言

太陽能是一種成本低廉、環(huán)保清潔、形式靈活的可再生能源形式。有學(xué)者認(rèn)為利用太陽能是解決當(dāng)前能源、資源和環(huán)境等問題的有效方法和途徑，它不會消耗資源，也不會產(chǎn)生廢氣、廢渣污染空氣、土壤和水［1］，也有學(xué)者從太陽能能量轉(zhuǎn)換的角度

根據(jù)聚光集熱方式不同，太陽能光熱分為線聚焦、面聚焦和點(diǎn)聚焦三種類型。其中線聚焦主要包括太陽能拋物面槽式和太陽能線性菲涅爾式，面聚焦主要包括太陽能塔式，點(diǎn)聚焦系統(tǒng)主要包括太陽能碟式。不同集熱器類型示意圖，如圖3。認(rèn)為它是綠色能源的綠色利用形式，并且太陽能資源是世界上分布最為廣泛的可再生能源［2］。全球太陽能資源豐富的國家或地區(qū)主要集中在北非、非洲南部、北美西南部、南美西南部、西亞、中亞西北部以及澳大利亞西北部（如圖1）。在國內(nèi)，太陽能資源豐富的地區(qū)主要位于新疆東部、西藏、甘肅、青海、內(nèi)蒙等地區(qū)（如圖2）。

圖1 全球太陽能直射輻射分布圖

圖2 中國太陽能直射輻射分布圖

圖3 不同集熱器類型示意圖

對比四種聚光集熱類型，太陽能碟式聚光比最高（1 000～3 000），塔式次之（300～1 500），線聚焦系統(tǒng)的拋物槽式（70~80）和線性菲涅爾式（25~100）相對較低。四種類型常規(guī)的優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 四種類型常規(guī)的優(yōu)缺點(diǎn)

在太陽能光熱利用中，聚光集熱系統(tǒng)收集太陽輻射熱量，通過聚光集熱面匯聚到集熱管上，集熱管中的傳熱工質(zhì)被加熱，加熱后的傳熱工質(zhì)進(jìn)入儲能系統(tǒng)和蒸汽發(fā)生系統(tǒng)中工作。聚光集熱系統(tǒng)的集熱效率對于整個太陽能光熱項(xiàng)目有著至關(guān)重要影響。一般來說，鏡場集熱面積和儲熱系統(tǒng)容量主要受工程造價、運(yùn)維和財務(wù)成本及項(xiàng)目站址太陽能資源等因素影響。

本文以內(nèi)蒙古自治區(qū)包頭市郊某工業(yè)園區(qū)100 t/h光熱蒸汽供熱項(xiàng)目為例，以槽式太陽能光熱項(xiàng)目全壽命周期整體經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)為目標(biāo)，并通過建立系統(tǒng)模型計算，分析不同太陽能倍數(shù)及儲熱容量邊界條件下每噸蒸汽成本，最終確定最優(yōu)儲熱容量方案。

結(jié)合該工程分析槽式太陽能光熱供蒸汽系統(tǒng)工程設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)，重點(diǎn)討論站址太陽能資源評估及設(shè)計點(diǎn)DNI、聚光集熱鏡場面積、儲熱小時數(shù)等因素對光熱供蒸汽項(xiàng)目的影響。

1 工程設(shè)計關(guān)鍵技術(shù)要點(diǎn)

1.1 太陽能資源評估

規(guī)范［3］中要求，槽式太陽能光熱設(shè)計首先需要分析項(xiàng)目站址所在區(qū)域的太陽能資源概況，并對該地區(qū)太陽能資源的豐富程度進(jìn)行初步評價，同時分析該地區(qū)的地理?xiàng)l件和氣候特征，為站址選擇和工程技術(shù)方案初步確定提供參考依據(jù)。需要運(yùn)用公共氣象數(shù)據(jù)庫或其他方法進(jìn)行分析評估，特別是對于大型商業(yè)槽式太陽能光熱項(xiàng)目建議結(jié)合現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)分析，用于太陽能資源分析的現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)應(yīng)不少于一個完整年連續(xù)觀測記錄。中國電建西北勘測院陳鍵［4］等人基于氣象統(tǒng)計學(xué)對光熱項(xiàng)目太陽能資源進(jìn)行研究，提出了一套太陽能資源的評估方法。本文采用對比分析的方法分析項(xiàng)目所在地太陽能資源和設(shè)計點(diǎn)DNI值，為項(xiàng)目站址和技術(shù)方案設(shè)計提供了適用可靠的設(shè)計條件。

內(nèi)蒙古自治區(qū)地理位置在我國北部，其太陽能資源十分豐富，年日照時數(shù)在2 600～3 400 h之間，太陽能年總輻射量在1 342～1 948 kWh/㎡之間，內(nèi)蒙古自治區(qū)是我國太陽能高輻射值地區(qū)之一，全區(qū)太陽能資源分布具有呈自東向西遞增特點(diǎn)，見圖4。

圖4 內(nèi)蒙古自治區(qū)總輻射分布圖

根據(jù)公開氣象數(shù)據(jù)，內(nèi)蒙古自治區(qū)部分縣市多年平均太陽輻射數(shù)據(jù)和日照時間如圖5所示，其中，包頭市年太陽總輻射量（GHI）為5 815.76 MJ/m2，位于區(qū)內(nèi)中下游，平均日照時間位于區(qū)內(nèi)中上游，具備建設(shè)光熱供熱供汽工程的條件。

由于項(xiàng)目前期實(shí)測DNI數(shù)據(jù)缺乏，選擇臨近區(qū)域參考點(diǎn)的實(shí)測數(shù)據(jù)代替。NREL光資源軟件中，相近站點(diǎn)有包頭達(dá)茂旗百靈廟，陜西榆林兩處，日均DNI分別為4.94 kWh/m2，4.04 kWh/m2。

比較可知，達(dá)茂旗百靈廟地理位置、冬季日照百分率更接近，且直接輻射DNI數(shù)據(jù)、降水量等與場址更為接近。該工程選用百靈廟的直接輻射DNI數(shù)據(jù)計算集熱量，按照NREL光資源軟件中包頭市達(dá)茂旗百靈廟數(shù)據(jù)作為計算依據(jù)。在充分利用光照資源的原則下，如圖5，站址設(shè)計點(diǎn)DNI值取950 W/㎡。

圖5 包頭市達(dá)茂旗百靈廟DNI值數(shù)據(jù)圖

1.2 方案設(shè)計及比選

1.2.1 方案設(shè)計

根據(jù)項(xiàng)目需求，該期工程儲熱容量為1 200 MWth，需要滿足額定工況16 h連續(xù)出力。儲熱系統(tǒng)采用冷/熱雙罐方案，分別設(shè)置一組冷工質(zhì)泵和一組熱工質(zhì)泵。槽式反射鏡將陽光反射到集熱管，集熱管中的導(dǎo)熱油（從冷儲油罐泵出）被加熱到300℃，流入熱儲油罐。熱儲油罐中的高溫導(dǎo)熱油進(jìn)入蒸汽發(fā)生器將給水加熱至飽和蒸汽，低溫導(dǎo)熱油流入冷儲油罐。而高溫蒸汽可提供給工業(yè)用戶進(jìn)行生產(chǎn)。蒸汽發(fā)生器設(shè)計1×100%容量，單臺配置具有管道系統(tǒng)簡單、閥門少、設(shè)備占地小、運(yùn)行調(diào)節(jié)相對簡單等特點(diǎn)。為應(yīng)對停機(jī)檢修及連續(xù)陰雨多云天氣，該工程將傳統(tǒng)熱源作為儲熱供汽的調(diào)峰機(jī)組。

工藝系統(tǒng)設(shè)計流程圖見圖6，主要設(shè)備包括槽式反射鏡（及其支架）、集熱管、冷熱儲油罐、工質(zhì)泵、蒸汽發(fā)生器（及預(yù)熱器），給水泵等。

圖6 槽式太陽能光熱供蒸汽系統(tǒng)示意圖

1.2.2 系統(tǒng)建模(SAM)

系統(tǒng)指導(dǎo)模型SAM(system advisor model)，它是一個主要應(yīng)用于可再生能源行業(yè)的模擬與分析軟件，目前被廣泛運(yùn)用于太陽能領(lǐng)域，該系統(tǒng)的拋物線聚光集熱模型基于該軟件建立。通過SAM平臺建立的模型可以計算得到太陽能光熱每小時的熱力輸出，并生成8 760 h全年逐小時的各項(xiàng)數(shù)據(jù)結(jié)果，可以通過設(shè)置不同的輸入條件，對計算結(jié)果進(jìn)行總體性能評估和優(yōu)化。

SAM模型包括三個模塊，分別對應(yīng)三個步驟［5］：第一步設(shè)置輸入條件；第二步對模型進(jìn)行計算；第三步輸出計算結(jié)果并匯總分析。項(xiàng)目性能計算取決于場址氣象條件、光熱項(xiàng)目整體配置、各子系統(tǒng)的配置情況（如太陽能集熱場、儲熱系統(tǒng)、蒸汽生產(chǎn)系統(tǒng)等）等。

該工程采用拋物線槽式集熱（IPH Trough）模型，基本參數(shù)設(shè)置見圖7。

圖7 拋物線槽式集熱（IPH Trough）模型基本參數(shù)

其中，設(shè)計點(diǎn)DNI值取950 W/m2，太陽能倍數(shù)采用4倍，計算結(jié)果如下：

1）聚光集熱系統(tǒng)：集熱系統(tǒng)回路68個回路，鏡場面積42.95萬m2，總占地面積約92.27萬m2，集熱器反射面積為1 579 m2；

2）儲熱系統(tǒng)：導(dǎo)熱油體積11 350 m3，導(dǎo)熱油密度837.18 kg/m3，儲罐高度15 m，直徑31.6 m。

1.2.3 技術(shù)方案比選

由于太陽光照小時數(shù)的限制和連續(xù)24 h供汽的需求，本章節(jié)對槽式光熱太陽能聚光集熱系統(tǒng)的儲能能力（儲熱小時數(shù)），結(jié)合前期投資造價，分析不同配置方案的可行性與經(jīng)濟(jì)性，不同方案計算結(jié)果見表2。

表2 在不同儲熱小時數(shù)的前提下方案計算結(jié)果

方案一，采用槽式太陽能光熱供蒸汽配置16 h儲熱，能夠保證連續(xù)供蒸汽不受太陽能資源（晝夜交替、多云陰雨天氣等情況）的影響，在夜晚或輻射量較低時，可以實(shí)現(xiàn)24 h連續(xù)出力。根據(jù)模型計算太陽能倍數(shù)為4，年利用小時數(shù)為4 753 h，初投資約10.58億元，每噸蒸汽成本（25年）約為89元，投資靜態(tài)回收期約為9.87a。

方案二，采用槽式太陽能光熱供蒸汽配置8 h儲熱，在較高輻射量的條件下，保證削峰輻射能量浪費(fèi)降到最低，充分利用太陽能資源。根據(jù)模型計算太陽能倍數(shù)為2.2，年利用小時數(shù)為2 600 h，初投資約5.61億元，蒸汽成本（25年）約為86元/t，投資靜態(tài)回收期約為10.14a。

方案三，采用槽式太陽能光熱供蒸汽不帶儲熱，由于太陽資源的晝夜交替影響，槽式太陽能光熱系統(tǒng)僅白天運(yùn)行，充分利用白天太陽輻射量，可以大幅降低初期投資，此方案需要和其他能源供蒸汽系統(tǒng)耦合運(yùn)行，對新增容量供蒸汽應(yīng)用場景有一定的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。根據(jù)模型計算太陽能倍數(shù)為2.2，年利用小時數(shù)為1 511 h，初投資約2.66億元，蒸汽成本（25年）約為70元/t，投資靜態(tài)回收期約為8.82a。

2 結(jié)論與展望

1）站址設(shè)計點(diǎn)DNI值是太陽能光熱項(xiàng)目工程設(shè)計的首要參數(shù)。太陽能光熱的蒸汽產(chǎn)出量不確定性與太陽能資源不連續(xù)性、不確定性密切相關(guān)，客觀有效評估站址太陽能資源顯得尤其重要，任何一種資源評估方法都有一定的缺陷和不足，在工程設(shè)計過程中，需加強(qiáng)理論聯(lián)系實(shí)際，結(jié)合實(shí)測數(shù)據(jù)來評估太陽能資源，為系統(tǒng)設(shè)計提供設(shè)計依據(jù)。

2）聚光集熱隨著鏡場面積增大，集熱場總的吸熱量也會增加，系統(tǒng)蒸汽產(chǎn)出量也就越大，但是工程所需的蒸汽量是一定的，蒸汽量不可能隨著鏡場面積增大而無限增加。項(xiàng)目總投資也會隨著鏡場增大而增加，因此工程設(shè)計中鏡場面積選取需綜合考慮噸蒸汽成本和項(xiàng)目投資回收期。

3）在太陽能光熱工程設(shè)計過程中，儲熱小時數(shù)影響整個項(xiàng)目的能源利用效率和供能安全，儲熱系統(tǒng)將白天多余的熱量通過儲熱介質(zhì)儲存起來，在太陽低輻射量和夜間時運(yùn)行對外供蒸汽，可以實(shí)現(xiàn)24 h連續(xù)運(yùn)行。如果儲熱小時數(shù)過大，則太陽能倍數(shù)增大，鏡場面積和項(xiàng)目占地相應(yīng)增大，項(xiàng)目初投資也會增加，并且在較高輻射量的條件下，太陽能尖峰輻射不能被全部吸收利用；如果儲熱小時數(shù)過小，鏡場吸熱量不足以保證夜間或陰雨天氣正常的蒸汽需求，可能影響項(xiàng)目的正常運(yùn)行。這需要工程師在項(xiàng)目設(shè)計時，要充分考慮太陽能資源與項(xiàng)目實(shí)際需求和原有能源供應(yīng)的適應(yīng)性，選擇最適合的儲能小時數(shù)。