储热容量对槽式太阳能热发电的影响研究

高嵩

（中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，长春　130021）

储热容量对槽式太阳能热发电的影响研究

高嵩

（中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，长春130021）

基于槽式太阳能热发电技术特点，概述配置熔融盐储热系统的槽式太阳能热发电技术，分析认为集热面积和储热时间是影响槽式太阳能热发电经济性的关键因素。以50MW装机规模为计算模型，依据某地区太阳能资源条件，以最低单位电价为优化目标，分析了单位电价随集热面积、储热时间的变化关系，为工程设计中优化设计提供依据。

槽式太阳能热发电；集热面积；储热时间；储热容量

0　引言

储热系统对于太阳能光热发电电力的平稳输出有重要作用，储热系统容量的选择对光热电站年发电量的输出、配套镜场面积的选取等重要指标有明显影响，进而影响单位电价（元/（kW·h））。储热系统的优化设计对于项目前期可研阶段有重要意义。

1　配置储热系统的槽式太阳能热发电系统

1.1槽式太阳能热发电系统

槽式太阳能光热发电技术通过抛物面槽式集热器收集太阳能，将热量暂时储存在导热油或者熔融盐等工作介质中，输送到蒸汽生产区加热水形成蒸汽，最终送至动力区推动汽轮机发电［1］。镜场中的工作介质是导热油，储热区的工作介质是熔融盐，导热油在管道内循环流动，太阳光将其循环加热，达到一定温度后流向蒸汽发生区或者储热区进行发电或储能，熔融盐在冷罐和热罐之间循环流动进行储热或放热。

槽式太阳能发电技术从是否配置储热系统的角度可分为两类：带储热系统和不带储热系统。早期的槽式太阳能热发电技术由于储能技术不成熟等因素，少有配置储能系统，如美国SEGS系列槽式电站均未配置储热系统。后期随着储热技术的成熟完善，采用槽式太阳能热发电技术、配置储热系统的电站越来越多，如Andasol。太阳能热发电系统中采用储热技术的目的是提高年发电小时数，降低发电成本，它可以实现：（1）提高年利用率；（2）电力输出更平稳；（3）降低发电成本等［2］。文献［3］指出，对于全年太阳辐射高于1300（kW·h）/m2的地区，采用太阳能热发电的经济性要高于光伏发电系统。

1.2熔融盐储热介质

太阳能热发电技术是利用聚集太阳能的辐射能生产蒸汽推动汽轮机发电的绿色能源技术，目前商业化成熟的发电形式主要是槽式太阳能热发电和塔式太阳能热发电。槽式太阳能热发电吸热工质是导热油，储热工质是熔融盐；塔式太阳能热发电的吸热、储热工质均是熔融盐。由此可见，熔融盐作为储热工质已在太阳能热发电行业得到广泛认可［4］。目前，在槽式太阳能热发电技术中应用较为普遍的是采用二元熔融盐作为储热介质的双罐式储热系统，利用液体显热储热技术，通常其组分约为60％ NaNO3和40％KNO3。国内目前也有部分科研院校与企业进行多元盐的开发，力图使熔融盐具有更大的温升空间，降低熔融盐的凝固温度，在相同储热量的情况下，尽可能降低熔融盐使用总量，进而降低储热系统的成本［5］。目前较常见熔融盐的凝固温度为230℃，国内也有开发出熔融盐凝固温度为120℃的多元盐企业，在未来熔融盐技术日益发展的趋势中，熔融盐凝固温度的不断下降是必然趋势，这也将推动太阳能光热发电成本的降低。

2　集热面积与储热时间对单位电价的影响

太阳能热发电技术中影响单位电价的因素很多，除去常规热力系统范围内的因素，主要有集热面积（即镜场采光面积）的优化、储热容量的优化、镜场布置的优化、高低温熔融盐泵配置的优化等。本文在其他条件相同的情况下，只针对集热面积和储热时间对单位电价的影响进行优化计算。得出在集热面积一定时，储热时间在一定范围内增大可以增加年发电量，但储热时间继续增加而年发电量不再增加时，单位电价随着储热成本的上升而上升；在储热时间一定的条件下，在一定范围内增大集热面积也可增加年发电量，但随着集热面积的继续增加而年发电量不再增加时，单位电价随着镜场成本、土地成本等因素的上升而上升。上述两种方式年发电量的增加均伴随项目投资的增加，储热时间和集热面积的优化是一项复杂但对项目初期有着重要意义的设计过程。

本文通过建立计算模型，力图找到合适的优化方法，即在相同储热时间下，镜场集热面积存在一个值，使其对应的单位电价最低；同样，在相同镜场面积下，储热时间同样会存在一个值使对应的单位电价最低。在遇到的实际工程可研阶段设计中，上述两种情况均较为常见，尤其是场地面积已定，对储热时间优化设计时，这个值就是优化的目标。

3　计算模型

3.1计算模型介绍

下面以太阳能资源相对丰富的某地区为例，针对配置双融盐罐储热技术的50MW槽式太阳能热发电系统，分析集热面积与储热时间对单位电价的影响。该地区太阳能资源较丰富，太阳辐射量大，日照时数长，日照百分率高。开发和利用长久、清洁、无污染的太阳能资源潜力较大，具有利用太阳能的良好条件。该地区全年直接辐射DNI（DirectNormal Irradiance）约1850（kW·h）/m2。以该地区的光资源等边界条件，用软件对50MW槽式储热太阳能热发电站进行模拟计算。

计算模型中需要输入的边界条件有年直射辐射值、装机容量、热电效率、储热时间、设计点太阳直射辐照、初投资各项成本、运营成本、内部收益率等因素。

3.2计算模型的输出

3.2.1集热面积一定，单位电价与储热时间的关系

集热面积一定，储热时间从4～15h，每个储热时间会对应一个单位电价，单位电价随着储热时间的增加从1.79元/（kW·h）降至最低点1.12元/（kW·h）后，不再随储热时间的增加而降低，反而上升。本次模型测算储热时间截止到15h，若继续增加储热时间，单位电价会继续上升。单位电价随储热时间变化曲线如图1所示。

分析图1可知，在相同的集热面积下，单位电价随储热时间的增加先降低后上升。在相同的集热面积下，储热时间的增加带来了更多的热量被储存，其热量用于补充光照不足时发电所需的热量，进而增加了发电量，带来单位电价的降低，但是拐点后单位电价并没有随着储热时间的增加而进一步降低，是由于集热面积一定，集热场能提供的年集热量是一定的，而储热时间增加只是增大了储热容量，多余的储热容量没有得到充分利用，所以没有带来发电量的增加，而过大的储热容量使初投资增加、运行成本增加等，最终造成单位电价上升。

图1　单位电价随储热时间变化曲线

不同的太阳倍数意味着不同的集热面积，即在不同的集热面积下，单位电价最低点对应的储热时间是不同的，对应关系见表1。

表1　单位电价与太阳倍数及储热时间对应关系

分析表1可知，随着集热面积、储热时间的增加，单位电价从1.15元/（kW·h）降低到1.12元/（kW·h），在装机容量、光资源条件不变的情况下，不考虑初投资增加等限制因素，单位电价是随着储热时间和集热面积的增加而逐渐降低的。

3.2.2储热时间一定，单位电价与集热面积的关系

储热时间一定，单位电价随集热面积变化曲线如图2所示。

图2　单位电价随集热面积变化曲线

分析图2可知，在相同的储热时间下，对应不同的集热面积，单位电价是先降低后上升的趋势。在相同的储热时间下，即储热容量相同，集热面积增大先是带来单位电价的降低，是因为充分利用了储热能力而增加了年发电量；拐点后单位电价反而上升，是因为不变的储热容量无法储存冗余的集热面积收集来的更多热量，造成了大量弃热，而冗余的镜场面积带来了初投资浪费，从而引起单位电价上升。

4　结论

储热时间与集热面积是影响槽式太阳能热发电系统经济性的两个重要因素，本文分析了储热时间与集热面积对槽式太阳能热发电系统单位电价的关系，并根据地区光资源条件进行了模型分析。根据分析得到以下结论：槽式太阳能热发电站发电量随着集热面积和储热时间的增加而增加；在集热面积不变的条件下，随储热时间的增加单位电价存在最低值，达到该值以后，继续增加储热时间，造成单位电价上升；在储热时间一定的条件下，单位电价也存在最低值，达到该值以后，增大集热面积单位电价反而会上升。由于电厂初投资中，集热场约占50％，储热系统约占25％，汽轮机动力区占15％，所以，从集热面积和储热容量两方面优化对降低电厂的单位电价具有重要意义。

［1］KALOGIROUSA.Solarthermalcollectorsandapplications［J］.Progressinenergyandcombustionscience，2004，30（3）：231-295.

［2］HORSTDANIEL.Performancesimulationforparabolic troughconcentratingsolarpowerplantsandexportscenario analysisfornorthafrica［D］.GizaI：Cairouniversity，2012.

［3］QUASCHNINGVOLKER.Technicalandeconomicsystem comparisonofphotovoltaicandconcentratingsolarthermal powersystemsdependingonannualglobalirradiation［J］. Solarenergy，2004（77）：171-178.

［4］MONTESMJ，ABANADESA，MARTINEZ-VALJM，et al.Solarmultipleoptimizationforasolar-onlythermalpowerplant，usingoilasheattransferfluidintheparabolic troughcollectors［J］.Solarenergy，2009，83（12）：2165-2176.

［5］王长贵，崔容强，周篁.新能源发电技术［M］.北京：中国电力出版社，2004.

（本文责编：白银雷）

TM615

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1674-1951（2016）09-0071-03

2016-06-22；

2016-08-11

高嵩（1984—），男，吉林长春人，工程师，工学硕士，从事太阳能光热发电设计研究方面的工作（E-mail：826871454 @qq.com）。