太阳能热电厂蓄热系统控制方案

摘 要：太阳能是一种清洁、可再生的能源，是今后化学能源的主要替代能源之一。太阳能热发电是主要的太阳能利用方式。由于天气、昼夜等不稳定因素，现阶段太阳能热发电存在发电与用电不同步、发电不稳定等问题。在太阳能电站中加入蓄热系统，用以减少甚至消除太阳辐射强度的波动对太阳能利用的稳定性的影响。从控制策略上做到对能源的合理利用，真正做到节能减排。

关键词：太阳能 热流计算器 节能减排

中图分类号：TK519 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）06（c）-0099-02

1 研究背景

能源是人类社会赖以生存和发展的物质基础。目前绝大数能源都以石油、天然气和煤炭等化石燃料为主，而化石能源是有限的。太阳能以其储量的无限性、存在的普遍性和利用的清洁性等优势成为了最理想的替代能源之一。

我国有着丰富的太阳能资源。全国陆地表面每年接收的太阳能辐射能量相当于49000亿吨标煤。如果将这些能量全部用于发电，约等于上万个三峡水电站的发电总和。[1]近年来，太阳能热利用得到高度重视。

由于受到各种自然因素的影响，到达地面的太阳辐射不稳定，这给太阳能的使用增加了难度。为了提高发电效率、减少发电成本、提高太阳能热电系统的稳定性和连续性，则需要对太阳能热发电系统增加蓄热装置，以使系统在没有太阳辐射能量的时候能继续满足发电需要。蓄热系统已成为衡量热发电系统效率的重要因素，但目前的大型热发电系统中，只有很少的系统增加了蓄热装置，蓄热技术也需要继续的研究和完善。[2]

2 系统简介

由于受到天气、季节等自然条件的影响，太阳能热发电存在较大的不稳定性。为了保证太阳能热发电站发电相对稳定，可以采取蓄热措施，将太阳光照充足时蓄热器所吸收的满足发电所需之外的热量储存于蓄热器当中；在太阳光照不足，即集热器吸收的热量无法满足发电需求时，将蓄热器里储存的热量用于发电，以此来保证云遮间隙系统的正常运行。

3 控制方案

高温蓄热技术是太阳能热发电的关键技术。按照热能存储方式不同太阳能高温蓄热技术可分为潜热蓄热化学反应蓄热和显热蓄热三种方式。其中潜热蓄热主要是通过蓄热材料发生相变时吸收或放出热量来实现能量的储存具有蓄热密度大充放热过程温度波动范围小等优点[3]。潜热蓄热也是本方案在分析蓄热系统时所采用的蓄热方式。

按太阳能直射强度大小区分，该系统可以以4种工作模式运行。

（1）集热器向换热器供热，蓄热器蓄热模式（阀门A、B、C开启）。

（2）集热器与蓄热器同时供热模式（阀门A、B、C开启）。

（3）蓄热器单独蓄热模式（阀门A关闭、阀门B、C开启）。

（4）集热器停止供热，蓄热器停止蓄热模式（阀门A、B、C关闭）。

为了对太阳直射强度进行比较，可定义太阳能直射强度临界值

其中：为换热器进行油水换热时与导热流体交换的热量，KJ

C为导热油比热容，J/kg·℃；

为换热器进口油温，℃；

为换热器出口油温，℃；

W为集热器总面积，；

G为太阳直射强度，；

为太阳入射角，度，根据1.4小节的分析可以计算出某时刻的太阳入射角；

为太阳入射角修正系数，度，一般可取0.95；

为早晚时集热管列阴影相互影响因子，一般可取0.92；

为集热管末端损失影响因子，一般可取0.91；

为由于反射镜面光学特性等与理想镜面差异相关的集热岛效率，一般可取0.98；

为由于集热部分光学特性等与理想情况差异相关的集热器效率，一般可取0.94；

为集热岛运行与太阳跟踪影响因子，一般可取0.99[3]。

3.1 上午太阳光照较弱条件下

当上午（6：00～12：00）太阳光较弱，即太阳直射强度G小于太阳直射强度临界值（）时，为在集热器出口参数低于额定工况时进行调节，需要首先对虚热系统进行充热[4]。且考虑到蓄热装置内储存的能量是有限的，让蓄热器向换热器提供热量也是不现实的。此时，集热器吸收太阳辐射，集热器与换热流体交换的热量将流入蓄热器，即蓄热器处于“充热”状态。该工况下，关闭阀门A，调节阀门B流量。

流向为集热器流入蓄热器。

其中，为集热器出口流量，即为阀门C流量，。

3.2 上午太阳光照充足条件下

当上午（6：00～12：00）太阳光照充足，即太阳直射强度G大于太阳直射强度临界值（），这时集热器吸收太阳辐射后与换热流体交换热量已经能满足换热器中油水换热所需要的热量（）。换热流体从集热器获得的热量将被分成两部分，一部分用于满足换热器的换热需求，另一部分流向蓄热器，储存于蓄热器当中。

阀门A流量：

流向为集热器流向换热器。

其中：

为换热器进行油水换热时与导热流体交换的热量，kJ；

C为换热流体比热容，；

为换热流体温度，℃；

为换热器出口油温，℃；

阀门B流量：

流向为集热器流向蓄热器，

为集热器出口流量，即为阀门C流量，。

注：出于简化计算的考虑，我们假设换热流体在管道中流通时没有热量损失。

3.3 下午太阳光充足条件下

当下午太阳光辐射够强，即大于太阳直射强度临界值（）时，同上一小节所分析，集热器接受太阳辐射收集到的热量分为两部分，一部分用于满足换热器油水换热所需的热量，剩余的热量流入蓄热器贮存。

阀门A流量

流量为集热器流向蓄热器，

阀门B流量：

流向为集热器流向蓄热器，

3.4 下午太阳光较弱条件下

当下午太阳辐射较弱，即小于太阳直射强度临界值（）时，此时，集热器收集的热量不足以满足换热器中油水换热所需的热量，即时：

若，则蓄热器向换热器提供热量，即蓄热器处于“放热”状态。

其中：

为蓄热器所贮存的热量；

为换热器进行油水换热时与导热流体交换的热量，；

为集热管与换热流体对流换热量，。

阀门B流量：

流向为蓄热器流向换热器，kg/s

其中：

为蓄热器储热罐中的温度，℃

为换热器出口油温，℃

阀门A流量：

流向为蓄热器流向换热器，kg/s

若，此时蓄热器内贮存的热量连同集热器吸收的太阳辐射能的总和都不足以提供换热器油水换热所需的热量（这种情况只有在阴雨的天气条件下才可能发生）。则关闭阀门A，开启阀门B，集热器吸收太阳辐射能流入蓄热器，蓄热器处于“充热”状态。

阀门B流量，流向为集热器流向蓄热器，kg/s

阀门A流量。

3.5 晚上无光照条件下

当晚上太阳下山之后，此时。由可知。此时，集热器无法对换热器充热，也无法向换热器提供热量。考虑到蓄热器容量是有限的等实际情况，让蓄热器在晚上对换热器供热是不切实际的，故在晚上关闭阀门A、阀门B、阀门C。

4 应用前景与问题讨论

中国作为资源消耗大国在寻求替代能源之路上必然要在该领域走在世界前列。在可以预见的未来必将建设更多的太阳能热发电站。倘若没有采取较好的蓄热措施与控制策略，由于太阳能发电的不稳定性将可能带来严重的后果。为了保证太阳能发电的稳定性与经济性，除了提高集热效率，改进蓄热技术之外，还可以在控制策略上寻求进步。“热流计算器”还可以考虑在软件中加入智能算法，根据大规模的天气数据预测集热——蓄热系统中的流量变化。

除了太阳能热发电领域，该软件也可以应用于家庭热水器的蓄热控制。根据天气情况合理的分配能源，避免不必要的浪费，真正做到节能减排。

参考文献

[1]阎秦.太阳能辅助燃煤发电系统热力特性研究.

[2]杨小平，杨晓西，丁静，等.太阳能高温热发电蓄热技术进展研究.

[3]吴玉庭，张丽娜，马重芳.太阳能热发电高温蓄热技术.