塔式熔融盐太阳能热发电法向直射辐射设计点选择方法研究

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)

塔式熔融盐太阳能热发电法向直射辐射设计点选择方法研究

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)

根据塔式太阳能热发电技术特点，以50 MW装机规模为计算模型，依据某地区太阳能资源条件，选取不同的直射辐射(DNI)作为设计点，与不同的太阳倍数(SM)和储热时间形成多个配置方案进行模拟，以相同的年发电设备利用小时数作为边界条件，筛选配置方案，以单位电价最低作为优化目标。从对比结果可以发现，不同的年发电量要求对应的不同配置方案，即使在相同地区，不同的年发电量对应的设计点也是不同的，设计点是确定SM为某一值时聚光场采光面积的一个必要条件，通过对聚光、吸热、储热和发电单元容量优化设计，最终确定聚光场采光面积。设计点的确定为聚光及储热系统设计中设备选型提供依据。

塔式太阳能热发电；直射辐射；太阳倍数；储热时间；设计点

0 引言

光场集热面积、塔顶吸热器功率、储热时间的选择是光热发电设计中最重要的部分，由于镜场的投资约占全厂初投资的50%，所以上述3个方面的优化对于节省初投资，降低单位电价作用明显[1]。上述 3 个方面的优化配置与设计点的选取有着密切的关系，由于光照在一年中逐时地变化，这就要求针对不同的设计点开展不同的配置方案动态模拟，通过比对模拟结果，在相同发电量的前提下，选出最低单位电价对应的集热面积和吸热器功率的配置方案，对于光场设计方案的选择有重要意义。

1 储热式塔式熔融盐太阳能热发电系统

1.1 塔式熔融盐太阳能热发电系统

熔融盐塔式太阳能光热发电技术通过定日镜、吸热器收集太阳能热量，将热量暂时储存在盐罐中，输送到蒸汽发生区加热水形成蒸汽，最终送至动力区推动汽轮机发电[2]。集热工质和储热工质均为熔融盐，熔融盐通过冷熔盐泵在动力塔的管道内循环流动，太阳光通过吸热器将熔融盐循环加热，达到一定温度后流向热熔盐罐，再通过热熔盐泵送至蒸汽发生区进行发电，熔融盐在冷罐和热罐之间循环流动进行储热或放热。

1.2 镜场系统

镜场系统由集热、吸热、储热3部分组成，集热部分由数量众多的定日镜组成镜场，数量众多的定日镜镜面面积构成了全厂的集热面积[3]；吸热部分在镜场中心吸热塔，吸热器在吸热塔上方布置，吸热器由多个集热面组成，每个集热面包含多个集热管，集热管上端和下端分别连接2个联箱，冷熔盐通过冷熔盐泵从冷熔盐罐进入到吸热器，在吸热器内通过辐射换热吸收通过定日镜聚焦的太阳能热量。吸热器输出热量的一部分可以满足汽轮机满负荷发电的热量需求，当超出汽轮机满发需求时，将多余的热量保存在热熔盐罐中，进而提供平稳持久的电力输出。就工艺流程而言，在镜场设计中，吸热器功率的选型，储热时间的选择，镜场集热面积的确定要进行大量的工作。

由于光热发电的特点之一是输入热量波动，一旦设备选型确定，该设备需要满足输入热量波动的所有正常工况的要求，但厂家设备的设计制造需要一个确定的设计点作为依据，而这个设计点应该是通过全厂技术经济比较后优化出的结果，设计点的选择原则及最终的设计点选择是电厂设计人员的重要设计依据。

2 计算模型

2.1 计算模型介绍

下面以某地区光资源为例进行模拟计算，对采用双融盐罐储热技术[4]的熔融盐塔式50 MW太阳能热发电系统进行单位电价模拟。该地区全年有效法向直射辐射(DNI)约1 500 (kW·h)/m2。DNI 设计点(记作DNIsjd)分别选取200，300，400，500，600，700，800，900，1 000 W/m2，太阳倍数(SM)分别选取1.8，1.9，2.1，2.2，2.3，2.4，储热时间分别选取5，7，9，11，13，15 h。将上述参数进行排列组合产生出378组配置情况，通过软件全年模拟逐时计算得到378组结果，结果中包括年发电量及单位电价2个部分。

SM为吸热器输出的热量与汽轮机满负荷运行需要输入热量的比值，SM决定吸热器额定输出功率[5]。理论上若无蓄热系统则SM=1.0，考虑部分系统能量转换效率则SM可取1.1～1.3。带储热系统的塔式熔融盐热发电系统中，SM的选取范围理论上可以是任意值，但受到目前吸热器厂家实际制造能力的限制，SM设计范围往往在1.6～2.8之间。

DNIsjd即太阳通过大气层进入到项目所在地区，与投入光线垂直的平面所接收到的光照强度，W/m2。理论上DNIsjd可以是200～1 000 W/m2之间的任意直射辐照强度。

2.2 计算结果筛选

以相同的年发电设备利用小时数作为结果筛选的依据，本文以项目发电利用小时数3 000为例，可在378个配置方案中筛选出如下能够满足要求的配置方案，相应的单位电价汇总见表1，由表1结果形成单位电价变化曲线如图1所示。

表1 单位电价汇总(3 000 h) 元/(kW·h)

图1 单位电价随储热时间SM变化曲线

如果选择年发电设备利用小时数为3 500，可在378个配置方案中筛选出如下能够满足要求的配置方案，相应的单位电价汇总见表2，根据表2结果形成单位电价变化曲线如图2所示。

表2 单位电价汇总(3 500 h) 元/(kW·h)

图2 单位电价随储热时间SM变化曲线

2.3 筛选结果汇总

从上述结果中可以得出，不同的年发电设备利用小时数所给出的单位电价最优配置是不同的，年发电设备利用小时数为3 000，SM取1.9，储热时间9 h，是单位电价最低的配置方案，此配置对应集热面积为656 496 m2，吸热器额定输出功率为247 MW，对应镜场设计点为700 W/m2。而在年发电设备利用小时数选定为3 500的条件下，SM取2.3，储热时间选定在13 h，单位电价最低点对应的集热场面积为948 240 m2，吸热器额定输出功率为317 MW，对应镜场设计点为600 W/m2。

3 设计点选取的讨论

在设计阶段，逐时模拟开展之前，需要人为先选定一个 DNIsjd，以便进一步确定系统各个设备的参数，进而建立模型，对单位电价进行测算，理论上设计点可以是200～1 000 W/m2之间任意的直射辐照强度，部分观点认为选取项目所在地春分日正午12：00或者夏至日正午12：00的瞬时DNI。若选用春分日正午12：00的瞬时DNI，春分日的日辐照强度在光学中认为与全年平均辐照强度误差在5%左右，可以代表全年直射辐照平均值。若选用夏至日正午12：00的瞬时DNI，夏至日太阳光直射北回归线，北回归线以北的地区在这一天光照辐照最强，在晴天模型中，理论上一年中其他时间点的光照强度均不会高于夏至日正午12：00的DNI。

上述2种DNI的选择与运行模式有关，选用春分日正午12:00的瞬时DNI作为设计点，在直射光照强度大于此设计点时，通过控制关闭部分定日镜，避免吸热器超温运行，因为吸热器超温自燃是非常严重的事故，需要做到绝对保证吸热器在整个运行周期内不发生超温运行。选用夏至日正午12:00的瞬时DNI作为设计点，则无需担心吸热器超温，理论上全年其他时间点的瞬时DNI均低于此值。也有部分地区由于当地气候特点，一年中DNI瞬时最高值出现在夏至日以外的时间点，那么可根据实际光资源情况选取一年中瞬时DNI最高值作为设计点DNI。所以，要想得到度电价格最低的配置方案，应利用计算软件采用全年的逐时模拟，对不同配置的镜场进行比对，筛选最优配置所对应的设计点。

4 结论

塔式太阳能热发电系统中，镜场系统的集热面积以及吸热器功率的选型均需要设计人员给出一个合理的设计点，设备的供应商在此设计点下进行设备的设计和制造，所以，设计点的选择是关乎项目最终是否能够达到设计预期的重要因素之一。本文利用软件模拟，提出了塔式熔融盐发电镜场系统设计点选择的方法，根据分析得到以下结论：本文认为设计点的选取是一个优化的结果，预先设定可以用春分日或夏至日正午12：00的DNI作为设计点，建立模型，初步确定系统各设备容量时的必要条件，通过在不同设计点下获得不同的镜场面积，不同的镜场面积会与不同SM对应吸热器功率的排列组合形成不同的镜场配置，得到不同的年发电量，进而得到不同的单位电价。根据项目初投资或目标年发电利用小时数作为选择边界条件，找到最低的单位电价，最终确定镜场系统方案，该方案所对应的设计点可作为本项目最终选取的设计点。

[1]KALOGIROU S A. Solar thermal collectors and applications[J].Progress in energy and combustion science, 2004, 30(3): 231-295.

[2]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,2003.

[3]NEUMANN A, GOETZBERGER A, FISCH M,et al. Renewable energy [M].Berlin: Heidelberg Springer,2006.

[4]宿建峰,韩巍,林汝谋,等.双级蓄热与双运行模式的塔式太阳能热发电系统[J].热能动力工程,2009,24(1)：132-137.

[5]MONTES M J, ABANADES A, MARTINEZ-VAL J M, et al. Solar multiple optimization for a solar-only thermal power plant, using oil as heat transfer fluid in the parabolic trough collectors[J]. Solar energy, 2009, 83(12): 2165-2176.

(本文责编：白银雷)

2017-01-19；

2017-03-31

TM 615

B

1674-1951(2017)04-0074-03

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)。