塔式太阳能热发电系统关键设备优化配置研究

南京南瑞太阳能科技有限公司 ■ 王启扬 谈友飞 林晨

江苏省太阳能技术重点实验室 ■ 蒋川

南京嘉业新能源有限公司 ■ 袁银凤

0 引言

随着石油、煤炭、天然气等能源迅速消耗并面临枯竭的威胁，太阳能作为一种可再生的清洁能源，其开发和利用已受到世界各国的普遍关注[1]。从1950年苏联设计、建造世界第一座塔式太阳能热发电的小型试验电站至今，许多国家相继建立起不同形式的太阳能示范电站及商业化电站[2,3]。在这些电站中，以槽式和塔式为主，其中槽式光热发电技术已相对成熟，塔式光热电站由于技术要求更高，前期投入更大，其发展稍滞后于槽式光热电站。但塔式电站也具备一定的优势，如规模性效益更强、光-热-电转换效率更高、系统热损失更小等[4]。因此，许多国家也逐渐将目光投向大规模塔式光热电站。

槽式光热电站的集热模块具有相对独立性，其规模可进行物理叠加。但塔式电站围绕其中心集热塔建造，在扩大集热规模的过程中，会造成大气传输因子、余弦效率、占地面积、集热塔高度等一系列因素的非线性增长。塔式电站虽然具有规模性效益，但并非单体规模越大越好。另外，由于不同地区的自然条件存在差异，适宜建造的电站规模也不同。本文通过对塔式光热电站能量转化内在机理的理论分析，建立聚光系统、吸热系统和储热系统的数学模型，并结合System Advisor Model(SAM)仿真软件，以太阳直射辐照值(DNI)为主要考查因素，分析不同地区建造塔式光热电站的适宜规模，并对系统关键设备进行优化配置研究。

1 数学模型建立

1.1 聚光系统模型

通过分析并建立不同地理位置太阳辐射模型，建立圆形聚光镜场的数学模型，考虑镜子的相关损失，建立单个镜子集热能力的表达式。最后，建立整个镜场集热能力与面积的关系模型。

镜场总辐射能量Erad与镜场镜子个数Nm、镜场面积Sfield间的关系为：

太阳的直射幅照度I(t)表达式为：

1.2 吸热系统模型

塔式光热电站的吸热系统包括聚光塔顶的吸热器、蒸汽发生器、过热器等装置，完成从镜场吸收的辐射能量到蒸汽热能的转换[5,6]。

吸热工质吸收的集热场辐射能量，一部分被存储在储热系统的高温熔盐罐内，另一部分与蒸汽发生器进行换热，加热水工质，产生蒸汽[7]。本节建模对吸热器与蒸汽发生器之间熔融盐工质的能量传递过程与储热系统能量调度进行简化处理，可得到熔盐工质与蒸汽发生器换热的输入热量：

式中，QB为熔融盐工质传递进蒸汽发生器的热量，J；ηre为集热器效率；λe为熔盐工质输送到蒸汽发生器的占比。

蒸汽发生器受热部分的水工质连续性方程式为：

式中，vt为蒸汽发生器受热面内部总容积，m3；ρa为蒸汽发生器中汽水工质的平均密度，kg/m3；Dec为入口给水流量，kg/s；Ds为过热器出口蒸汽流量，kg/s。

1.3 储热系统模型

吸热器吸收总能量为Qre，在储热系统建模过程中对输入能量进行简化处理，假设根据电站实际运行工况，吸热器吸收的总能量中有λe用于发电，得到蓄热系统能量输入为：

式中，Qst为蓄热系统输入热量，J。

储热系统通过换热器的能量输出为：

式中，d为管径；h为传热系数，W/(m2·℃)；A为传热面积；ti为入口水温，℃；to为出口水温，℃；tm为定性温度，℃；tw为管壁温度，℃。

2 仿真优化研究

2.1 塔式光热电站最佳规模研究

在本节研究中，选取DNI值分别为2791.4(Daggett)、2606.6(Las Vegas)、2422.2(Tonopah)的3个地区作为模拟地域。塔式光热电站模拟容量为40～350 MW，梯度为10 MW。集热塔高度和集热器规格，采用SAM内嵌软件迭代计算得到。

在以上3个地域，对不同容量的塔式光热电站进行仿真分析，得到不同地区能量均化成本(LCOE)与容量的关系曲线如图1所示。

图1 不同地区LCOE与容量关系曲线

对3组数据分别比较得到：

1) DNI值越高的地方，越适合建造塔式光热电站，建站成本越低。

2)电站容量在40～200 MW区间内，随着规模的扩大，单位功率造价越便宜，规模化效益表现明显；电站容量在200～280 MW区间内，电站单位功率造价趋于平稳；电站容量在280～350 MW区间内，规模越大单位功率造价反而上升，说明不利因素的影响比重逐渐扩大。

根据美国能源署(DOE)对不同容量电站进行的成本仿真分析对比结果显示，塔式电站最合适的装机规模为250 MW，相对于100 MW的塔式电站参照模型来看，其LCOE可下降20%。当超过这一范围继续增加装机规模，其LCOE不降反升。通过对照，模拟结果基本吻合。但是，由于实际建造时的影响因素较多，最优塔式光热电站规模需根据当地土地资源、水资源、负荷情况及资金状况等多重因素综合考虑。

2.2 塔式光热电站定日镜最佳规格研究

定日镜是塔式光热电站最主要的组成部分之一，占整个电站基础投资的50%。从20世纪80年代的Solar One塔式光热电站开始，定日镜的规模化应用已有30余年，但纵观各个电站，定日镜的规格却各有不同[8,9]。本次将通过对配备不同尺寸定日镜的塔式光热电站进行仿真分析，研究其最优化配置的问题。

本节将LCOE和总面积作为主要考核对象，定日镜尺寸(正方形结构)和电站容量值为参变量，其余参数均保持一致。为避免气候对仿真结果的影响，在研究过程中均选取Daggett(DNI=2791.4)作为模拟地域。塔式光热电站的额定容量分别选取250 MW和10 MW，定日镜的边长从2～20 m，梯度为1 m。

通过仿真分析，得到定日镜尺寸与LCOE Real(实际值)关系曲线和定日镜尺寸与总面积关系曲线如图2、图3所示。

根据仿真数据可得到以下规律：

1) 在两种规模的电站中，随着定日镜尺寸的增加，LCOE 实际值都呈先降后升的规律；

图2 Daggett地区两种规模塔式电站定日镜尺寸与总面积的关系曲线

图3 Daggett地区两种规模塔式电站定日镜尺寸与LCOE 实际值的关系曲线

2) 250 MW电站LCOE实际值的最低值所对应的定日镜边长为12 m，而10 MW电站LCOE实际值的最低值所对应的定日镜边长为6 m；

3) 在两种规模的电站中，随着定日镜尺寸的增加，总面积值都呈现增长的规律。

由此可得出，对于不同规模的塔式光热电站，定日镜最优尺寸不同，且规模大的电站对应的定日镜最优尺寸更大。在相同规模的塔式光热电站中，大定日镜的土地利用率小于小定日镜。

在实际工程建设中，定日镜的最优尺寸选取需充分考虑生产制造能力、控制难度、抗风强度、安装调试成本等因素，根据项目的实际情况分析而定。

2.3 塔式光热电站吸热器优化配置研究

根据结构，塔式光热发电站中吸热器主要包含表面式和空腔式两类。两种类型的吸热器各具优缺点，在选择过程中需考虑多方面的因素。其中主要包括电站容量、地理位置等[10,11]。本次将针对表面式吸热器的规格进行仿真研究。

本节将吸热器面积作为主要考核对象，定日镜尺寸(正方形结构)和电站容量值为参变量，其余参数均保持一致。在研究塔式光热电站额定容量与吸热器设计规格的关系时，考虑不同地域对设计要求的影响，在研究过程中均选取Daggett(DNI=2791.4)和 Tonopah(DNI=2422.2)作为对照仿真地域，电站容量从40～300 MW，梯度为10 MW。在研究定日镜尺寸与吸热器设计要求的关系时，考虑塔式光热电站额定容量的影响，分别选取250 MW和10 MW的塔式光热电站作为对照组，定日镜的边长从2～17 m，梯度为1 m。

通过仿真分析，得到电站容量与吸热器面积间的关系曲线如图4所示，定日镜边长与吸热器面积间的关系曲线如图5所示。

根据仿真研究得到的关系曲线可得出以下几点结论：

1) DNI值对塔式光热电站吸热器的设计规格没有明显影响；

2) 随着塔式光热电站设计容量的增加，吸热器表面积也呈相应增长，且接近线性关系；

图4 不同地区塔式光热电站额定容量与吸热器面积关系曲线

图5 Daggett地区不同规模塔式光热电站定日镜尺寸与吸热器面积关系曲线

3) 在小容量塔式光热电站中，定日镜尺寸的增加会导致吸热器表面积的微量增长；

4) 在大容量塔式光热电站中，定日镜尺寸的增大对吸热器表面积的影响较小。

电站容量增加，就需传热介质在单位时间内获得更多的热量，在温度梯度一定的情况下，为增加热通量需增大换热面积，这也验证了随着塔式光热电站设计容量的增加，吸热器表面积也呈现相应增长的现象。在小容量塔式光热电站中，定日镜尺寸的增加会使聚集的光斑增大，进而导致吸热器设计规格的增大；在大容量塔式光热电站中，因定日镜尺寸改变而增大的光斑相对于吸热器尺寸偏小，因此不会对吸热器的设计规格造成影响。

2.4 塔式光热电站储热系统最佳容量研究

储热是指将能量转化为在自然条件下比较稳定的热能，并加以储存的过程。在太阳能光热电站中，当负荷降低时，利用蓄热装置可把多余热能暂时储存起来。由于太阳能自身的非连续性，蓄热器的放热还可用于补充高峰负荷的需要。因此，蓄热可实现供电的削峰填谷，从而保证电能并网的稳定性和连续性[12,13]。

在本节研究中将采用带熔盐储热的塔式光热发电模型，传热、储热介质为60%NaNO3+40%KNO3的二元复合熔盐，储热系统为冷、热双盐罐结构。为充分考虑光照强度及电站规模对储热系统最优化容量的影响，拟选取Daggett(DNI=2791.4)和Los Angeles(DNI=1800)作为仿真地域，电站规模选取10 MW和100 MW两种，储热系统容量以满足电站按额定功率发电1 h所需容量为计算单位。储热系统容量从额定功率发电1 h所需容量起，以等差数列递增，梯度为1 h。

通过仿真分析，得到储热系统容量(Full Loads Hours of TES)与能量均化成本(LCOE 实际值)间的关系曲线如图6所示。

图6 塔式光热电站储热系统容量与LCOE实际值关系曲线图

根据仿真数据可得到以下结论：

1)配置储热系统能有效降低LCOE 实际值，但有一个最佳范围，过高或过低都将影响电站的经济性；

2)同一地区，不同规格塔式太阳能光热电站储热系统的最优化容量相同，表明储热系统容量与电站设计规格的比值与电站规格无关，而取决于当地光照条件；

3)不同地区，相同规格塔式太阳能光热电站储热系统的最优化容量不同，且DNI值越大的地区所需储热系统容量越大，表明在光照条件越好的地区配置大容量储热系统能更好地提高资源利用率。

在此次研究中，集热场规模与电站额定功率的比值固定。而在实际应用中，为了实现快速调峰功能，集热场规模与电站额定功率的比值是不同的。因此，在储热系统容量的设计过程中需考虑当地光照条件、集热场规模与电站额定功率的比值、提高储热系统容量引起技术难度的增加这几个因素。

3 验证分析

经过对塔式光热发电系统关键设备优化配置的研究，得到了相应结论。以下将国内某地区作为拟建地点，进行验证分析。

选取内蒙古阿巴其地区作为仿真地点，当地的地理及气象数据如图7所示。

图7 阿巴其地区地理及气象数据

此次仿真中选取电站额定装机容量为250 MW，在定日镜规格选取中，结合仿真结论及国内外已建成的塔式光热电站，选择正方形定日镜，边长为12 m。采用表面式吸热器，传热介质为二元复合熔融盐，储热容量选取7 h最优容量。

通过仿真计算，最终得到电站运行数据。其中电站总造价为19.2748亿美元，平均年发电量为9.41785亿kWh，能量均化成本为15.38美分/kWh，电站平均月发电量如图8所示。

图8 电站平均每月发电量

根据优化配置仿真结论选取各关键设备规格，在内蒙古阿巴其地区以250 MW塔式电站作为仿真对象，其经济性较好，在一定程度上验证了关键设备优化配置研究的结论，可供实际工程建设参考。

4 结论

通过对塔式太阳能光热电站容量、定日镜尺寸、吸热器规格和储热系统容量4个方面进行研究，得到大容量塔式光热发电系统关键设备优化配置的结论有如下几点：

1)塔式光热电站的规模性效益很明显，200 MW电站的单位功率造价比50 MW电站的单位功率造价能降低约10%，电站的最优化规模在200～280 MW之间。

2)对于定日镜尺寸无确切的最优值，但具有整体规律：电站容量越大，对应的定日镜最优尺寸越大。在实际设计过程中，定日镜的尺寸需根据建造工艺、安装、控制、当地自然条件等因素进行综合考虑。

3)随着塔式光热电站容量增长，吸热器设计规格相应增大。在小容量塔式光热电站中，定日镜尺寸的增大要求吸热器规格增大；在大容量塔式光热电站中，定日镜尺寸的变化对吸热器的设计规格影响较小。

4)储热系统能有效提高塔式光热电站的资源利用率，从而降低能量均化成本，光照条件越好需储热系统的配比越高，同一地区不同规格电站的储热系统最优化配比相近。

[1] 宋记峰, 腚树娟. 太阳能热发电站[M]. 北京: 机械工业出版社, 2012.

[2] 黄素逸, 黄树红. 太阳能热发电原理及技术[M]. 北京: 中国电力出版社, 2012.

[3] 纪军, 何雅玲. 太阳能热发电系统基础理论与关键技术战略研究[J]. 中国科学基金, 2009, (6): 331－336.

[4] 宿建峰, 李和平, 炱小银, 等. 太阳能热发电技术的发展现状及主要问题[J]. 华电技术, 2009, 31(4): 78－82.

[5] 张耀明, 王军, 张文进, 等. 聚光类太阳能热发电概述[J].太阳能, 2006, (1): 39－41.

[6] 孙利国, 张耀明, 王军, 等. 聚光太阳能热发电的控制系统[J]. 太阳能, 2006, (6): 30－33.

[7] Manuel Romero, Reiner Buck, James E. Pacheco. An update on solar central receiver systems, projects, and technologies[J].Journal of Solar Energy Engineering, 2002, 124: 98－108.

[8] 章国芳, 朱天宇, 王希晨. 塔式太阳能热发电技术进展及在我国的应用前景[J]. 太阳能, 2008, (11): 33－37.

[9] 张耀明, 刘德有, 张文进, 等. 70 kW塔式太阳能热发电系统研究与开发(上)[J]. 太阳能, 2007, (23): 19－23.

[10] Wang Zhifeng, Li Xin, Yao Zhihao, et al. Concentrating solar power development in China[J]. Journal of Solar Energy Engineering, 2010, 132: 021203-1－021203-8.

[11] Wang Zhifeng, Yao Zhihao, Dong Jun, et al. The design of a 1 MW solar thermal tower plant in Beijing [A]. China. Proceedings of Ises World Congress 2007: Solar Energy and Human Settlement[C], 2007, 1729－1732.

[12] Jason. 太阳能光热发电的未来成本趋势[EB/OL]. http://www.cspplaza.com/article-865-1.html, 2012-10-23.

[13] 黄湘, 王志峰, 李艳红, 等. 太阳能热发电技术[M]. 北京:中国电力出版社, 2012.