槽式太阳能光热系统发电量计算研究

冯云岗，崔　云，蒋　浩

(上海电力设计院有限公司，上海　200021)

槽式太阳能光热系统发电量计算研究

冯云岗，崔云，蒋浩

(上海电力设计院有限公司，上海200021)

摘要：针对太阳能槽式光热发电系统，基于光学、力学、传热学、材料学等多方面理论知识，从太阳能光照资源出发，综合考虑集热系统、换热系统、储热系统以及常规发电系统各环节效率及折减因素，研究建立了一套太阳能槽式发电量计算模型，为光热发电项目前期咨询及后期运行预测数据提供参考。

关键词：槽式太阳能热发电系统；发电量计算；模型；DNI

在太阳能利用技术中，虽然目前光伏占据着较大的市场份额，但是由于受太阳能资源特性限制，光伏发电系统输出的不稳定性，将成为其大规模接入电网的瓶颈；而配套储能电池技术，又使其成本大幅增加。太阳能光热发电直接输出交流电力，而且太阳能光热发电可以比较容易地解决储能问题，使得太阳能发电不会增加电网负担，更有利于电力系统的稳定而能被电网大规模的接受[1-2]。

太阳能热发电基本过程涉及聚光、传热和热工转换等多个方面，光热、热力学、传热学、材料学等多个学科交叉，目前太阳能光热发电缺少一套完整理论发电量计算方法，本文主要针对目前主流的太阳能槽式聚光系统，基于光学、力学、传热学、材料学等多方面理论知识，从太阳能光照资源出发，综合考虑集热系统、换热系统、储热系统以及常规发电系统各环节效率及折减因素，对太阳能槽式发电量计算模型进行研究，以期探索一套太阳能槽式发电量计算模型，为光热发电项目前期咨询及后期运行预测数据提供参考[3]。

1发电量计算原则

1.1系统光照直接辐射照度(DNI)设计点确定

当太阳集热场在设计点输出的能量可同时供满负荷的储热和发电，而不是在超出汽轮机容量需求后，储热器才开始储能。当太阳辐射较低或夜间，太阳能集热场不能产生足够的能量来满足汽轮机负荷要求时，储热器将放热，弥补太阳辐射的不足。

但不在设计点工况时，集热场的输出只能满足发电和储热其中一个设备满负荷工作。因此设计点的条件选取很重要。否则可能造成：

(1)储热器或汽轮机长期处于非额定负荷工作状态；

(2)集热场输出的能量多于储热和发电的需要，此时需要关闭一部分聚光器，造成设备不能充分利用。

实际上由于气象条件、太阳辐照和太阳位置等的变化，任何计算方法均无法保证储热器和汽轮机同时满足额定输入。当太阳辐照高于设计点值时，将会引起一部分聚光器关闭，否则聚光场输出的多余能量无法利用。当太阳辐照低于年平均值时，一般是储热器不满负荷工作。因此，系统光照DNI设计点选择应尽量做到足够的代表性。设计点应根据全年DNI值分布，选择DNI出现概率最大的点作为设计输入试算，并经技术经济比较后确定。当缺少全年DNI值时，一般可取春分日正午，年平均太阳辐照度及年平均气象条件作为设计点。

1.2发电量计算流程图

在年发电量计算中，除太阳辐照资源和气象是不可变的因素外，其余量均是可变的。计算年发电量的关键点在于确定集热场功率，它包括确定聚光场面积和吸热器功率。聚光过程与吸热、储热、换热和发电是耦合的，需要几个因素同时在系统能量平衡的基础上计算。在典型时刻，例如设计点处，聚光场面积取决于汽轮机额定输入和储热器额定输入以及电站在设计点的运行模式。一般要求是，在设计点，聚光场提供能量给吸热器，吸热器输出的功率应不小于汽轮机的额定输入与储热器额定输入之和，这时的电站基本保证白天满负荷发电和夜间数小时发电。此时储热器额定输入功率应为储热器的容量除以储热器充热运行时数。

图1所示为年发电量计算过程。给定太阳能辐照DNI设计点和气象条件以及汽轮机额定功率，然后假设一个聚光场面积，将聚光场的输出作为吸热器的输入，吸热器的输出功率应等于汽轮机和储热器需要的额定输入功率之和。如果该条件不满足，那么需要重新假设聚光场面积，直到满足要求。

步骤一:给定设计点辐照和气象条件，同时给定汽轮机额定功率PTURBINE。

步骤二:假定聚光场面积A。

步骤三:按照设计点时系统各单元的能量平衡，计算设计点的电站输出功率，并进行迭代复合计算。

图1　发电量计算流程图

计算年发电量的基本思路是：在给定的地理位置、气象条件、太阳辐照条件、汽轮机容量和储热容量下，确定聚光场面积和太阳能热发电系统的年平均发电效率，近而确定太阳能集热场的面积。在太阳能集热场面积确定后，即可根据聚光效率、吸热器效率和发电效率等计算出系统效率，然后计算得出系统年发电量。

2发电量计算模型

根据槽式太阳能发电子系统分类，将发电量计算分解为太阳能资源模型、集热系统模型、蒸发及发电系统模型、储热系统模型、光热电站发电量4个模块。

2.1太阳能资源模型

太阳能资源模型主要针对光热电站对可利用的太阳能资源进行分析，主要分析指标为太阳能水平面总辐射量(GHI)以及法向DNI。目前国内气象站一般均不做DNI和水平面直射分量的测量，仅提供水平面总辐射量，因此需要对总辐射量进行直、散分离。

2.1.1太阳能辐射量计算

某一时刻，地面水平面总辐射量(It)主要由直接辐射(Ib)、散射辐射(Id)两部分组成，即

It=Ib+Id

(1)

(2)

式中τb——太阳直接辐射透明度系数；τd——太阳散射辐射透明度；θ——太阳光入射角；α——太阳高度角；β——倾斜面倾角。

τb=0.56(e-0.56AMh+e-0.95AMh)

(3)

τd=0.271-0.294τb

(4)

根据水平面直射分量Ib以及天文对应关系，可计算得出即为太阳能法向直接辐射照度。

2.1.2太阳能代表年辐射量计算

收集光热发电站站址处连续1个完整年以上的逐时水平面总辐射量以及站址所在地附近长期观测气象站近10～30年的逐月辐射资料和站址收集数据同时段的完整年逐时水平面总辐射量数据。

站址所在地代表年逐时总辐射数据可通过对站址所在地与长期气象站数据相关性分析后，对站址所在地完整年逐时水平面总辐射量修正计算得到。计算公式如下：

(5)

其中，Iti为第i月站址所在地代表年逐时总辐射量；I0i为站址所在地第i月的逐时水平面总辐射量；QMi为长期观测气象站近10～30年的第i月总辐射量；Q0i为站址所在地完整年第i月水平面总辐射量，Q0i=∑I0i；i为1～12月份；ai及bi为站址所在地及长期观测站同时间段逐月水平面总辐射量相关性系数，利用最小二乘法计算求出：

(6)

bi=Q0i-aiQMi

(7)

式中Q0i——站址所在地完整年第i月水平面总辐射量平均值；

QMi——长期观测气象站近10～30年的第i月总辐射量平均值。

通过以上对场址所在地完整年逐时数据的修正，得出场址所在地代表年逐时数据，此值即为代表年逐时太阳能水平面总辐射量(GHI)，近而计算得出逐时太阳能法向直接辐射照度。

2.2集热系统模型

2.2.1集热管传热模型

太阳辐射能到达金属吸热管后，一部分能量由金属吸收管外皮通过导热的方式传入金属吸收管内壁，金属吸收管内壁与导热介质通过对流换热，另一部分能量通过支架结构散热给环境，以及玻璃套管向环境散失。本报告基于集总参数法，对槽式集热器的金属吸热管传热流体建立模型，表达式为：

(8)

式中Tfo——槽式集热器传热流体出口温度；

Tfi——槽式集热器传热流体进口温度；

S——太阳法向直射辐照度垂直于槽式集热器采光平面并且将会被金属吸热管外避免吸收的部分；

τ——时间。

2.2.2光学模型

光学模型是基于太阳法向直射辐照度垂直于槽式集热器采光平面并且将会被金属吸热管外避免吸收的部分展开研究，该模型涉及反光镜光学损失系数和集热元件光学损失系数。反光镜光学损失系数包括反光镜反射率、追踪损失系数、几何准确度系数和反光镜洁净度系数，这四项分别反映了集热场在实际运行中由于结构准确度、反光镜形状、镀膜质量以及灰尘等原因产生的各种光学损失；集热元件光学损失系数包括玻璃管洁净度系数、玻璃管透射率、玻璃管反射率、玻璃管发射率、密封头损失系数、金属涂层吸收率系数以及其他损失系数，这七项分别反映了集热器场在实际运行中由于集热元件本身的物性、灰尘覆盖、密封头遮挡、金属涂层老化以及不确定因素等原因引起的损失。

集热系统模型主要针对光热镜场所吸收的太阳辐射热量进行分析。可表示为：

Si=IbiηoptηK1

(9)

其中，Ibi为场址所在地代表年太阳能法向直接辐射照度(DNI)；

入射角修正系数：

K1=cosθ+0.000 848θ-0.000 053 69θ2

(10)

2.2.3散热模型

集热系统的散热模型主要以真空管散热损失为主。真空管散热损失由于涉及真空、透明体玻璃管和膜层随温度的变物性，真空管热损的计算较为困难，一般均采用实验测量方法获得。本报告真空管散热损失模型采用SCHOTT的真空管的热损系数测试数据作为基础进行建模分析。表1为SCHOTT PTR70真空管热损系数，根据吸热管与环境的温差值以及热损系数，拟合出热损曲线及公式见图1。

表1　SCHOTT PTR70真空管热损系数测定值

图1　热损系数拟合曲线

2.3换热及发电系统模型

根据热力系统，从集热系统出来，导热油通过换热器产生高温过热蒸汽。其中主要效率损失包括油、汽管路系统损失，换热设备效率损失。

(1)油、汽管道散热损失

油、汽管道散热损失量将根据管道保温厚度、管径以及保温传热系数等参数计算所得：

(11)

式中T1——管道内温度；T∞——环境温度；r1——管道内径；r2——内层保温半径；r3——外层保温半径；L——管长；hc,1——管道内流体传热系数；hc,3——管道外环境传热系数；λa——内层保温传热系数；λb——外层保温传热系数。

(2)换热设备效率损失

导热油依次通过四级过热器和高压蒸汽发生器、高温热水换热器、低温热水换热器，根据现有制造水平，各换热器效率取95%。

(3)发电系统模型

蒸汽进入汽轮机推动发电机做功，做功后的乏汽通过凝汽器排放。其中主要效率损失包括汽轮机冷源损失，汽轮机机械效率损失，发电机效率损失等。本报告将根据收集到的汽轮机数据，拟合出各工况下发电功率及发电效率曲线。以50 MW汽轮机为例，拟合功率—效率曲线及公式：

图2　50 MW汽轮机发电效率随功率变化曲线

储热系统将根据设计的汽轮发电机组装机容量和蓄热时间，通过机组的热平衡，求得在T1时间内汽轮发电机组运行所消耗的热量Q0。在放热过程中，熔盐罐中所储存的盐全部从热盐罐经油-盐换热器放热后进入冷盐罐，导热油在油-盐换热器重吸收热量温度升高，然后加热水或蒸汽，推动汽轮机运转。蓄热时间为T1的储热装置最少吸收热量Q1可计算为：

(12)

其中，Pe为太阳能热电站装机容量；T1为储热时间；ηe为汽轮机组额定工况下绝对效率；η1为储热系统放热过程效率。

2.4光热电站发电量计算

根据太阳辐射资源分析所确定的厂址所在地代表年法向逐时太阳能直射辐射总量(DNI)，结合主要设备类型案，进行太阳能电站年发电量估算。

光热发电站年平均发网电量Ep计算如下：

Ep=EJr+EBr

(13)

EJr=HJ×(1+C×ηCr)×ηGd×ηH×ηQj

(14)

EBr=HBr×ηBg×ηGd×ηQj

(15)

HJ=∑Si×nSJ×ηG×ηQ

HBr=B×Qnet

式中Ep——多年平均发电量，kWh；EJr——太阳能集热器驱动汽轮机发电的平均发电量，kWh；EBr——补燃锅炉驱动汽轮机发电的平均发电量，kW·h；HJ——集热器集热量，kWh；HBr——余热锅炉补燃所输入的热量，kWh；HCr——储热量，kWh；SJ——单台集热器有效反射镜面积，m2；n——集热器数量；C——储热比例；ηG——光照有效系数；ηK——太阳能发电系统可用率；ηCr——储热效率；ηQ——弃光损失效率；ηGd——管路系统热损失效率；ηH——换热设备效率；ηBg——补燃锅炉效率；ηQj——汽轮机效率；B——燃料耗量，Nm3/h；Qnet——燃料低位热值，kJ/Nm3。

以青海某地一个50 MW的槽式太阳能光热发典系统为例计算发电量，该系统包括51.24万

m2槽式太阳能集热系统+130 MW蒸汽发生系统+1台50 MW汽轮发电机组+3 h储热系统+3台25 MW导热油锅炉，计算结果见表2。

表2　理论发电量计算

3结论

本文主要基于目前较为成熟的槽式发电技术着重对发电量计算进行了深入的研究，研究了槽式太阳能热发电系统各模块计算模型以及相应的计算公式和取值依据，从太阳能光照资源出发，综合考虑集热系统、换热系统、储热系统以及常规发电系统各环节效率及折减因素，研究建立了一套太阳能槽式发电量计算模型，形成了一个完整的太阳能槽式光热系统发电量计算方法，并通过一个典型工程案例对项目的系统发电量进行了计算。本文提出的计算方法主要基于现有理论进行公式推导得出，下一步需要根据已经成功运行的光热电站的实测数据进行验证，然后逐个进行参数取值的偏差分析，以期得到更加准确切合实际运行的计算参数和修正系数，为光热发电项目前期咨询及后期运行预测数据提供参考。

参考文献：

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

[2]王志峰，等.太阳能热发电站设计[M].北京：化学工业出版社，2014.

[3]何梓年，等.太阳能热利用[M].合肥：中国科技大学出版社，2008.

(本文编辑：杨林青)

Research on Calculation of Solar Thermal Power Generation

FENG Yun-gang，CUI Yun，JIANG Hao

(ShanghaiElectricPowerDesignInsituteCo.,Ltd.,Shanghai200021,China)

Abstract:For parabolic trough solar thermal power generation system, based on the aspects of optics, mechanics, heat transfer, material science theory knowledge, from the solar energy resources of, considering the set a heating system, heating system, heat storage system and conventional power system the link efficiency and fold reduction factors, study the establishment of the parabolic trough solar power generation capacity of a calculation model, for solar thermal power generation is currently consulting and late forecast data to provide a refence.

Key words:solar thermal power generation; power generation calculation; model; DNI

DOI：10.11973/dlyny201601021

作者简介：冯云岗(1981)，男，硕士，高级工程师，从事新能源发电设计。

中图分类号：TM615

文献标志码：A

文章编号：2095-1256(2016)01-0093-05

收稿日期：2015-10-21