CSP塔式电站定日镜采光面积及造价计算

(湖南理工职业技术学院，湖南 湘潭 411100)

0 引 言

2015年周孝信院士在关于“三代电网的发展历史和主要特征”报告中指出：到21世纪50年代，能源供应体系中，清洁能源发电占比有望超过60%～70%。其中带储能CSP聚光发电技术以其能量供应连续性、峰谷可调节可调度性、与电网负荷高度吻合性而将在新能源体系中处于核心地位。国际能源署2014年预测，太阳能光伏、光热发电在2050年将占全球总发电量的16%和11%，超越其他新能源而成为最大电力来源[1]。

在传统石化能源日益枯竭及新能源战略地位日益凸显的大背景下，国内光热发电也得到了迅猛发展。在国家“十三五”规划、《电力发展“十三五”规划》等一系列政策文件引导促进下，国内自2016年相继立项了20个光热发电示范项目，总装机容量达到1.35GW。2018年3月，国家能源局与发改委《关于提升电力系统调节能力的指导意见》又明确提出：“十三五”期间，光热发电装机要达到500万千瓦。

但由于光热发电商业化应用起步晚，工程设计过程还存在不少问题，最典型突出的则属定日镜场设计，这主要体现在两方面：一是缺乏相应设计规范；二是设计计算过程复杂。目前电站定日镜场设计主要依靠专业设计软件进行，如SENSOL、HFLCAL、RCEll、WINDELSOL、国内长春光机所的HFLD等。对于一般工程设计人员，短时间内也难以掌握这些专业软件；而实力稍弱的工程公司，或者技术实力雄厚、但跨行业的工程公司(如冶金、石油化工)，由于没有技术储备，又缺乏这些必备工具。如何在项目可行性研究阶段快速估算镜场面积和造价，则成为这些企业实际工程项目中首要解决的问题之一。文中基于塔式电站“光—热—电”的能量转换过程，提供了一种快速估算定日镜采光面积的方法，并与实际工程案例做了对比，最后通过工程询价的方式，对镜场造价做了初步估算。

1 计算原理与关键参数

典型的熔融盐塔式电站流程如图1所示。太阳能热发电实际就是“光—热—电”的转换过程。在这一能量形式转换过程中，能量总量维持不变。因而可通过给定的电站容量，按“电—热—光”的逆向过程，计算得到镜场所需的采光面积。为保证发电机组按额定功率输出电能，要求汽轮机实际输入热功率不小于其额定热功率，进而得到吸热器、定日镜场最小输出热功率。

图1 CSP塔式电站原理示意图

在电站设计点时刻，镜场收集的总太阳辐射能量被吸热器吸收后，一部分存储于储热系统，一部分直接供应给汽轮机组发电，基于能量守恒，应有：

E=Etur×ηtur

(1)

Erec=Etur+Estor

(2)

(3)

(4)

式中,ηrec为塔式吸热器热效率。

根据图1及以上公式，计算镜场面积时，在确定的电站发电功率下，关键只需确定四个效率值，即：汽轮机组效率、储热系统储热效率、吸热器热效率、镜场总光学效率。

CSP光热电站一般采用中小型凝汽式发电机组，在现有技术水平下，汽轮机组总效率ηtur一般在30%左右，不超过40%[2]，更加精确的计算数据则可以向国内大型汽轮机供应商咨询。对于熔融盐储热系统，储热效率ηstor一般不低于91%，大型系统可达98%，文献[3]中统计得到储热系统热效率高达98%～99%。可研阶段可保守按下限值取。

定日镜场效率ηfield主要由镜面损失、余弦效应损失、阴影和阻挡损失、大气衰减损失以及溢出损失(即截断损失)几个因素决定[4-5]，其中主要损失是余弦损失。

实际上，镜场效率随太阳位置、日期及电站容量变化而动态变化。在相同条件下，定日镜效率随电站容量增大而降低，镜场越大，定日镜离中央吸热塔越远，光学损失越大[6]。在详细设计阶段，应借助专业软件进行分析。文中为简化估算过程，仅以文献[5-7]中统计数据为依据，具体见表1。

表1典型塔式电站镜场、吸热器年均效率

项 目大汉1MW电站PS10 11MWSolar Two 10MW镜场年均效率/%68.764.050.3吸热器年均效率/%8576

注：1.文献[6]中，张耀明统计塔式吸热器集热效率为73%。

2.文献[7]中，通过HFLD软件验证分析得到PS10镜场效率为64.07；在此基础上设计北京10 MW塔式电站镜场年均效率为64.15%；

由表1，镜场年均效率可按50%～68.7%进行估算，可研按不低于60%，大型电站取小值处理。

吸热器的效率主要由吸热器本身反射、对流、辐射、导热决定。根据王志峰、张耀明等统计研究，吸热器年均效率ηrec一般在73%～85%，具体见表1。一般工程估算过程中，对于腔式吸热器可取大值，管式吸热器取小值。

2 计算实例及结果对比

以50 MW熔融盐塔式电站为例，电站基本设计条件、镜场面积及造价估算见表2。

表2电站基本设计条件、镜场面积及造价估算

项 目数值单位1.电站基本设计条件电站容量E50MW电站设计点春分正午设计点DNI900(1)W/m2储热时长h6小时设计充热时长h18(2)小时2.镜场面积计算汽轮机组总效率ηtur38.4(3)%储热系统效率ηstor91%定日镜场年均效率ηfield62%吸热器年均效率ηrec78%汽轮机额定输入热功率Etur=E/ηtur130.2MW储能系统每天所需储存的热量Etotal=h×Etur/ηstor858.5MW·h储能系统充热功率Estor=Etotal/h1107.3MW设计点吸热器需要输出的热功率Erec=Etur+Estor237.5MW所需定日镜场总面积A=Erec/(ηfield·ηrec·DNI)545728.5(4)m23.造价估算镜场单价m800(5)元/ m2镜场总造价F=m·A43658.3万元

注：(1)DNI为参照德令哈50 MW塔式电站取值；

(2)镜场从上午8点至下午16点，镜场反射的太阳能经吸热器后一部分能量开始流向储热系统进行储存；

(3)汽轮机组效率为参照德令哈50 MW塔式电站取值；

(3)该估算面积为镜场所需最小面积，实际工程还应按单块定日镜面积进行圆整；

(4)该价格为洛阳一家传动设备厂与西班牙STS在国内合资公司报价，包含镜面、支撑结构、传动及控制系统，不含施工费用。

按表2所述方法，保持汽轮机组效率、充热时间不变，取镜场、吸热器、储热系统效率极值分别为60%～68%、70%～85%、91%～98%，计算得到最大镜场面积为628 367.4 m2；最小镜场面积为441 863.8 m2；按其效率中值计算得到面积为523 181.6 m2。

青海中控德令哈50MW塔式电站概况见表3。

表3德令哈50MW电站

项 目数 值单 位设计点春分日正午年均DNI2058(实测)KWh/ m2.a设计点处DNI～900W/ m2汽轮机组总效率38.4%储热时长6小时镜场镜面面积488000m2

以德令哈50 MW电站镜场镜面面积为比较基准，与按表2得到的最大、最小面积相比，其偏差范围为-9.4%～+28.7%；与按中值计算的面积相比，得到偏差为+7.2%。

3 结束语

(1)基于能量守恒原理，按“电—热—光”的逆向工艺流程，给出了简化的定日镜场面积计算方法，并以50 MW电站为例，给出了计算过程。

(2)取镜场、吸热器、储热系统效率极值分别为60%～68%、70%～85%、91%～98%，按表2计算得到50 MW电站最大镜场面积为628 367.4 m2，最小镜场面积为441 863.8 m2，按其效率中值计算得到面积为523 181.6 m2。以青海中控德令哈50 MW塔式电站镜场面积488 000 m2为比较基准，与按表2得到的最大、最小面积相比，其偏差范围为-9.4%～+28.7%，与按各效率中值计算的面积相比，得到偏差为+7.2%。

(3)通过工程询价的方式，给出了国内定日镜出厂价为800元/m2，以此对镜场造价做了估算。